骨質疏松性股骨頸骨折內(nèi)固定的生物力學研究進展

張小鋒 蔣濤

生物力學（biomechanics）是通過力學的原理及方法，分析生命體受力、變形、運動及與其生理病理之間關系的科學[1-2]。作為生物醫(yī)學工程中重要的學科前沿交叉領域，也是最活躍的領域之一，生物力學在我國近些年來已得到持續(xù)發(fā)展[3]。

股骨近端骨折生物力學研究方式主要有四種：（1）尸體股骨標本研究，由于難以收集及與活體差異較大，故而研究受限[4]；（2）步態(tài)分析，但此類研究在股骨近端內(nèi)固定方面尚且不足[5]；（3）人工模型股骨研究，如國內(nèi)的聚甲基丙烯酸甲酯模型股骨、國外的第4 代人造股骨[6]；（4）股骨三維模型研究，如有限元分析，此為目前最流行的研究方式[7-10]。

隨著內(nèi)固定在骨質疏松性股骨頸骨折方面的運用，生物力學的研究亦不斷深入，現(xiàn)就骨質疏松性股骨頸骨折內(nèi)固定的生物力學研究進展予以綜述。

1 骨質疏松性股骨頸骨折概念及現(xiàn)狀

股骨頸骨折是常見于中老年人的骨折病，指從股骨頭下至股骨頸基底部的骨折。其中，由于骨密度下降導致骨質疏松，在此基礎上出現(xiàn)的股骨頸骨折即為骨質疏松性股骨頸骨折。據(jù)統(tǒng)計，約4/5 的股骨頸骨折都與骨質疏松相關[11]，其機理與骨質退化及雌激素缺乏等因素有關[12-13]。通常，女性超過50 歲、男性超過60 歲便開始丟失骨量，如不及時治療就容易引起骨質疏松癥，進而為股骨頸骨折埋下禍根。由于老年人多伴有骨質疏松癥，即使受到的外力較小也極易造成股骨頸骨折。有研究指出，在2050 年全球新發(fā)股骨頸骨折約占髖關節(jié)骨折的50%[14]。

2 骨質疏松性股骨頸骨折的治療

老年股骨頸骨折若選擇保守治療，通常需要長時間臥床，但這可能導致關節(jié)僵硬及各種并發(fā)癥的發(fā)生[15]。因為股骨頸復雜的解剖結構和血供，此處骨折后最多的并發(fā)癥為骨不連與股骨頭缺血性壞死[16-18]。另外，高齡及心肺功能不全之人，常因伴隨嚴重的基礎疾病而導致病情惡化、死亡率增加。因此，為恢復髖關節(jié)的功能，應及時手術以盡早復位脫位的股骨頸[19]。尤其是老年股骨頸骨折的治療更應做到早期活動，并為其提供相應的力學穩(wěn)定性，直到骨折完全愈合[20]。當前，為了患者有良好的生活質量，針對骨質疏松性股骨頸骨折患者，醫(yī)學界主要采用兩種手術方式：內(nèi)固定、關節(jié)置換。

骨內(nèi)固定通常被認為是非移位性股骨頸骨折的標準治療方法[21-22]。非粉碎性、穩(wěn)定性骨折僅使用空心螺釘或髖關節(jié)螺釘即可安全固定[22]，而治療不穩(wěn)定骨折還包括了股骨近端鎖定鋼板、股骨頸內(nèi)側支撐鋼板內(nèi)固定等技術[23]。

據(jù)報道，股骨頸骨折內(nèi)固定的失敗率有21.0%～57.0%[24]。徐峰等[25]發(fā)現(xiàn)，由于骨質疏松癥所影響的最大部位之一是股骨頸，因此該中心區(qū)域松質骨的缺乏便成為了實施內(nèi)固定時放置螺釘?shù)闹饕獑栴}：螺釘錨著力和骨質支持不足。內(nèi)固定-骨界面的應變力極易在術后受外力作用時超出其最大負荷，從而引發(fā)微骨折和內(nèi)置物的松動[26]。目前內(nèi)固定術具有創(chuàng)傷小、抗扭轉力強等好處，其生物力學優(yōu)勢在于能最大限度地限制股骨頭的旋轉和降低螺釘?shù)某山荹27]。

2.1 空心拉力螺釘 空心拉力螺釘?shù)闹饕獌?yōu)點是侵襲性小[11]，適用于沒有明顯位移的股骨頸骨折及后方?jīng)]有骨折碎塊類型的骨折，適用于股骨頸頭下型、經(jīng)頸型骨折[28]。通過骨折間隙加壓，以及允許頭部沿軸線滑動，從而加速愈合[29]。生物力學的研究包括螺釘數(shù)量、置釘方式、螺釘種類、釘?shù)馈⑿滦蛢?nèi)固定方式[30]等，這些因素對于抵抗骨折間隙的移位和實現(xiàn)骨愈合至關重要。另外，對于骨質疏松癥，一般建議使用墊圈以使骨折間隙產(chǎn)生更多的壓縮力，并防止螺釘頭穿透外側皮質[18，31]。

2.1.1 螺釘數(shù)量 螺釘?shù)姆€(wěn)定性依賴于一側外側皮質和另一側股骨頭軟骨下骨的錨固[32]。生物力學研究表明，皮質支持的螺釘比單獨錨定松質骨的螺釘具有更高的穩(wěn)定性[33]。相對于2 顆螺釘而言，放置3 顆螺釘時的骨折穩(wěn)定性更高[34]，即通過更加穩(wěn)定的抗旋轉作用以減少骨折端的移位[35]。因此，這也是目前治療股骨頸骨折比較常見的內(nèi)固定形式[36]。

但對于使用4 枚還是3 枚螺釘，學術界仍有爭議：文獻[37-39]通過有限元分析后認為4 枚具有更佳的抗剪切力、抗旋轉應力以及能降低骨折移位的優(yōu)勢。然而，也有學者認為兩者有限元結果差異并不明顯，如梁會等[40]認為4 枚空心釘與3 枚空心釘內(nèi)固定相比，骨折塊垂直位移和水平位移的差異均沒有統(tǒng)計學意義。王穎等[41]認為兩者生物力學差異并不明顯。有學者認為雖然額外的螺釘增加了穩(wěn)定性，但它們可能削弱了正確固定所必需的外側皮質[42]。由于4 枚螺釘方案的實際操作中，需要數(shù)次透視定位進行調(diào)整，而導針的頻繁置入會使股骨頸的骨量減少，乃至造成內(nèi)固定的穩(wěn)定性下降[43]，這對骨質疏松的患者將更加不利。所以，對于股骨頸骨折，究竟采用3 枚還是4 枚螺釘仍需要進一步生物力學結果的驗證[30]。

2.1.2 置釘方式 目前，空心釘?shù)牟坚敺绞街饕袃煞N：三角形結構和“F”技術[44]。針對普通的股骨頸骨折，為更佳地分散應力，減少術后退釘、移位和再發(fā)骨折的可能性[45]，一般推薦倒三角形結構；而對于有骨質疏松的患者，通常使用正三角固定[46]。但有研究認為，為避免股骨頸軸向壓力過大使得螺釘插入髖臼，對伴有骨質疏松者應慎用三角形結構固定[28]。另外，已有學者提出了“F”技術，其較常規(guī)固定方式具有分散應力、減小股骨外側皮質負荷、減少骨折風險等優(yōu)勢[44]。股骨頸上寬下窄的結構導致負重時力線的傳導方向與壓力骨小梁的垂直方向一致，基于低角度置釘理論[47]，為使釘體免受體重的直接壓力，采取近乎垂直的角度置釘以使體重沿釘體傳導至股骨干外側皮質是一個較為理想的方法。

股骨頸骨折通常有三種分型方法：Pauwels 分型、Garden 分型和解剖部位分型。其中，Pauwels分型是現(xiàn)今最常用的分型方法[48]，而骨質疏松性股骨頸骨折的生物力學研究主要集中于PauwelsⅡ型和PauwelsⅢ型。研究表明，無論是PauwelsⅡ型骨折，還是PauwelsⅢ型骨折，由于“F”技術比平行置釘更貼近骨皮質，因此，“F”技術較倒三角形置釘具有更好的抗扭轉能力及更強的力學穩(wěn)定性[49-52]。

2.1.3 生物材料 伴隨生物材料的改進，當前臨床研究的熱點逐漸集中于將新材料用于骨質疏松性骨折的治療。研究證實，此材料能使螺釘把持力得到明顯增加[53]。在大幅減少內(nèi)固定失敗率的同時，對骨折的愈合基本沒有不影響，也很少會造成股骨頭壞死的情況。作為一種新型的可注射生物型材料，磷酸鈣骨水泥具有較強的生物相容性和生物力學穩(wěn)定性。如白正發(fā)等[26]發(fā)現(xiàn)，磷酸鈣骨水泥能通過增加空心螺釘?shù)牧W穩(wěn)定性，從而強化股骨頸的抗壓縮能力及扭轉剛度，使股骨頸骨折的固定得到強化。姚琦等[54]認為可以向空心釘中注入各類生物材料以加快骨折的愈合，還通過有限元分析的手段證明了其在生物力學上是安全有效的。因此，有學者認為，改良空心釘和生物工程的聯(lián)合可能是以后股骨頸骨折螺釘固定的研究熱點[27]。

2.1.4 置釘位置 有學者指出，隨著年齡的增長，相對于股骨頭及股骨頸內(nèi)下方而言，股骨頸外上方的松質骨退變最為明顯。因此，為增強內(nèi)固定的把持能力，髓內(nèi)釘?shù)闹踩霊M量避開其骨小梁薄弱區(qū)域[55]。這與邱俊駿等[16]認為應從股骨頸下方置釘?shù)慕Y論一致。

另外，股骨頸骨折內(nèi)固定后的嚴重并發(fā)癥之一是股骨轉子下骨折，發(fā)生率為2.4%～5.7%[56-58]。一項國外生物力學研究發(fā)現(xiàn)，在骨質疏松患者中，因螺釘起始于小粗隆遠端而導致股骨轉子下骨折的概率高于螺釘起始于小粗隆處或近端處。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，當最遠端的螺釘從小轉子遠端開始時，其失效載荷也隨之降低。這表明，對于骨質疏松性股骨頸骨折的患者而言，在置釘時，可以通過避免螺釘起始于小轉子水平遠端的方式來降低股骨轉子下繼發(fā)骨折的風險[59]。

2.2 動力髖螺釘（DHS）骨質疏松性股骨頸骨折還可以選用DHS 治療[60]，對于近乎垂直方向的骨折大多應使用DHS 來穩(wěn)定[61]，股骨頸基底型骨折的首選DHS[28]。生物力學已證明DHS 優(yōu)于空心螺釘[62]，主要包括動、靜結合加壓與張力帶作用，對于早期負重狀態(tài)下保持骨折斷端的接觸非常有利。Zhang 等[63]推薦DHS 用于老年骨質疏松性骨折患者。Zhao 等[64]認為DHS 優(yōu)勢在于微創(chuàng)、早期活動與負重，特別適用于輕度骨質疏松癥患者。然而，張韌等[65]發(fā)現(xiàn)DHS 術后股骨頭壞死率較高，從而認為DHS 會被其他材料逐漸取代。

DHS 的另一個不足之處是導致股骨頸縮短。以前，這種擔憂被認為是標準的臨床結果，但研究報告認為這會嚴重影響患者的身體功能[66]。為了解決這個問題，有人引入新的長度穩(wěn)定的植入物，如全螺紋松質骨螺釘、擴張型松質骨螺釘或髖部鎖定鋼板，但臨床結果并不一致[11]。有一種新穎的內(nèi)固定技術是將兩顆全螺紋發(fā)散螺釘置入頭頸部，并通過髖關節(jié)滑動螺釘或動態(tài)刀片實現(xiàn)非滑動結構。使用該方式固定后，約94%的患者實現(xiàn)了骨折愈合，且骨折位移很小[67]。但由于新型長度穩(wěn)定鎖定鋼板的失敗率較高，因此，并不推薦將這類鋼板用于股骨頸骨折的治療[68]。目前，臨床上DHS 主要用于股骨頸基底部骨折和股骨頸后外側粉碎等缺乏支撐的骨折類型[18]。

蒙芝健等[69]認為股骨頭內(nèi)單釘固定的抗旋轉能力和骨質保持力差，不過，有學者認為通過使用額外的抗旋轉螺釘，能降低旋轉不正的潛在風險[70]。也有報道稱，空心螺釘和滑動髖關節(jié)螺釘?shù)囊环N新型混合方法結合了較小直徑的滑動螺釘用于外側鎖定鋼板的單個選擇的優(yōu)點，可以同時提供旋轉穩(wěn)定性和控制股骨頸的塌陷。這種新型種植體已經(jīng)顯示出骨不連率的降低的優(yōu)勢，然而，仍需要更多的臨床證據(jù)來證明其潛在的益處[71]。

2.3 動力髖螺釘螺旋刀片（DHS-BLADE）DHS 螺旋刀片是一種新型假體，傳統(tǒng)DHS 頭釘被螺旋刀片淘汰，并聯(lián)合了鎖定加壓的動力髖接骨板[72]。該刀片不僅能穩(wěn)健固定股骨頭，還能在擠壓骨質的同時增加內(nèi)固定的錨合力，以便對骨折端的持續(xù)加壓[73]。一項不穩(wěn)定股骨頸骨折的生物力學研究表明，與正常的DHS 相比，DHS 螺旋刀片具有更好的抗切口、抗旋轉能力和更大的表面積[74]。

吳軍等[72]發(fā)現(xiàn)由于DHS 螺旋刀片可以有效傳遞并分散載荷，防止應力集中，因此其最大承重較空心加壓螺釘優(yōu)。與空心加壓螺釘相比，DHS 螺旋刀片在抗旋轉、切割和固定方面具有許多優(yōu)點[75]，在防止股骨頸縮短、螺釘退出和切斷方面具有優(yōu)勢[76]；與拉力螺釘相比，螺旋刀片的設計提供了更強的錨固和旋轉穩(wěn)定性，不需要移除額外的骨，這減少了種植體切口的發(fā)生率，提高了臨床結果[77-78]。在Windolf 等[79]的研究中，植入DHS 螺旋刀的患者螺釘退出發(fā)生率明顯低于植入空心加壓螺釘?shù)幕颊?。該研究還發(fā)現(xiàn)所有經(jīng)歷螺釘切斷的患者都患有骨質疏松癥，由此猜測螺釘退出可能與先前存在的骨質疏松癥以及活動受限引起的術后骨吸收有關。其他生物力學研究也證明，DHS 螺旋刀片通過錘擊的力量插入松質骨以固定股骨頭的做法優(yōu)于螺釘[79-80]。

然而，DHS 螺旋刀片撞擊骨會使周圍松質骨壓實，從而導致小梁骨微骨折和損傷。這可能增加內(nèi)固定失敗的風險，引起股骨頸縮短的高發(fā)生率[81]。幸運的是，松質骨的壓實也可以改善種植體的支抗，減少切口的發(fā)生[82]。另外，DHS 螺旋刀片可滑入骨折間隙，通過對骨折端提供應力刺激，獲得骨吸收，促進骨折愈合。

2.4 Intertan 股骨近端髓內(nèi)固定系統(tǒng)的代表即Intertan，其優(yōu)點是減少股骨頸短縮。Intertan 與PFNA髓內(nèi)釘雖然常用于轉子間骨折的固定，但同樣適合于股骨頸骨折的治療。在治療老年股骨頸基底部骨折的比較分析中發(fā)現(xiàn)，Intertan 通過軸線加壓的方式能滿足早期負重時所需的力學條件，對于降低術后頭頸部內(nèi)翻、塌陷和短縮等并發(fā)癥有一定益處[83]。

Intertan 有三大創(chuàng)新設計：近端梯形橫截面、遠端發(fā)夾開槽及組合螺釘。它們的作用分別是：加強主釘在髓腔內(nèi)的抗旋轉穩(wěn)定性[83]、分散遠端應力[84]和防止下地負重時可能出現(xiàn)的“Z效應”。有學者發(fā)現(xiàn)，與DHS 和空心拉力螺釘相比，Intertan 可以減少股骨頭頸部承受的彎曲應力[85]。在抵消剪切應力、避免軸向移位等方面，Intertan 均比空心拉力螺釘明顯占優(yōu)。并指出在Pauwels 分型的骨折中，Intertan 適合于Ⅱ型的經(jīng)頸型骨折、頸基底部骨折和Ⅲ型骨折。

另外，有學者指出，中老年股骨頸骨折患者的療效對比中，全髖關節(jié)置換術優(yōu)于內(nèi)固定術[86]。因此，雖然內(nèi)固定研究有了長足發(fā)展，但不能一味追求內(nèi)固定能適合于所有骨質疏松的患者，對于嚴重骨質疏松的患者而言，由于其骨質脆弱，使得內(nèi)固定物無法得到牢固的錨定點或骨支持，人工髖關節(jié)置換或許才是最優(yōu)選項。

綜上所述，在骨質疏松性股骨頸骨折的內(nèi)固定治療中，生物力學研究主要集中在空心拉力螺釘、動力髖螺釘、動力髖螺釘螺旋刀片和Intertan 上。其中空心釘技術的研究比較廣泛，尤其是螺釘數(shù)量、置釘方式、生物材料和置釘位置等方面。動力髖螺釘雖然在生物力學上表現(xiàn)較好，但由于其明顯的缺點導致其有被取代的趨勢，目前主要用于股骨頸基底部骨折和股骨頸后外側粉碎等缺乏支撐的骨折類型。DHS 螺旋刀片比空心螺釘和動力髖螺釘?shù)闹С至?、牢固性及術后負重效能更好，生物力學方面亦有較大優(yōu)勢[74]。Intertan 在生物力學上比空心拉力螺釘、DHS 更優(yōu)，適合于 Pauwels 的Ⅱ型和Ⅲ型骨折。

股骨頸骨折內(nèi)固定因生物力學和材料學的發(fā)展而取得巨大進步，但無論是內(nèi)固定方法還是固定后的結果在生物力學上目前都具有一定爭議。由于Intertan 在股骨頸骨折中的運用與研究相對不足，因此，動力髖螺釘螺旋刀片可能將是未來骨質疏松性股骨頸骨折生物力學的主要研究方向。