Pauwels III型股骨颈骨折中股骨颈系统的失效：一种断口分析及有限元研究

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Failure of femoral neck system in Pauwels type III fracture: a fractography and finite element study

股骨颈骨折患者使用单孔股骨颈系统（FNS）治疗出现四例皮质螺钉失效案例，通过 fractography 分析发现病例1、2为混合型断裂（脆性+塑性），病例3、4为疲劳断裂，均发生在螺钉与侧板连接处。有限元模型显示该区域 von Mises 应力显著升高，与临床失效位置一致，揭示单孔FNS对Pauwels III型骨折稳定性不足。

　　### 研究背景与意义

股骨颈骨折是下肢最常见的骨折类型之一，占所有髋部骨折的一半以上。随着人口老龄化趋势的加剧，髋部骨折的发病率逐年上升，预计到2050年将达到每年626万例。这种骨折的治疗方法通常是在保留髋关节与置换手术之间进行选择，具体取决于患者的年龄。对于年轻患者，通常更倾向于采用髋关节保留手术，以恢复骨骼结构的完整性；而对于老年患者，关节置换则可能是更优选择，因为其对骨折的稳定性需求较高，且患者可能无法承受长期的骨骼修复过程。髋关节保留手术通常包括解剖复位和内固定，这需要植入物在复杂的生理负荷下保持足够的稳定性。

近年来，随着材料科学与外科技术的进步，新型的股骨颈固定系统（Femoral Neck System, FNS）被开发出来，以替代传统的动态髋螺钉（DHS）和空心螺钉（CCS）。FNS的设计结合了DHS和CCS的优点，提供了更好的压缩和抗旋转性能，同时减少了植入物对骨骼的侵占。然而，尽管FNS在临床应用中表现出一定的优势，但其在某些特定骨折类型中的表现仍然存在争议。特别是在Pauwels III型骨折中，FNS的失败率较高，且失败模式呈现出多样化的特点。因此，有必要深入研究FNS的失效机制，以优化其设计，提高其在临床中的适用性和可靠性。

### 失败案例的临床观察

本研究共分析了四例FNS植入失败的病例，这些患者均患有Pauwels III型股骨颈骨折。所有病例的植入物均在术后两个月至三个月内发生失效，且失效部位主要集中在FNS的皮质螺钉与侧板的连接区域。这一区域的螺钉通常承受较高的应力集中，而其在固定过程中所处的力学环境也较为复杂。患者的临床表现包括髋部疼痛、行走困难以及关节对齐异常等。在这些病例中，植入物被移除后，通过矫正手术（如外侧骨截骨术）重新调整了股骨与髋臼的位置，以恢复正常的关节功能。然而，这些矫正措施并非本研究的主要关注点，因此未进行深入探讨。

值得注意的是，这些病例的共同特征是术后恢复过程中的骨愈合并未达到预期效果，导致植入物无法长期维持稳定性。尽管这些患者在术后六周内被允许进行部分负重活动，但在三周后被建议进行完全负重。然而，这些患者在两个月至三个月内出现明显的植入物失效，表明即使在标准的康复方案下，FNS仍然可能在短期内出现结构失效。这一现象引发了对FNS设计稳定性和长期性能的质疑，因此需要借助影像学和有限元分析等手段进一步探究其失效原因。

### 失效分析与材料特性

为了深入理解FNS的失效机制，本研究采用了断裂分析和有限元模拟相结合的方法。首先，通过扫描电子显微镜（SEM）对失效的植入物表面进行了微观结构分析。结果显示，所有失败的植入物表面均存在明显的裂纹，这些裂纹的形态因病例的不同而有所差异。在病例1和病例2中，裂纹表面呈现出典型的韧性断裂特征，如叶状结构和脆性裂纹面。而在病例3和病例4中，裂纹表面则呈现出平行的疲劳条纹，表明这些植入物的失效主要由疲劳引起的。

进一步的材料分析表明，所有植入物的组成均符合ISO 5832-11标准，主要由钛、铝和钒或铌组成。其中，病例1的植入物为Ti-6Al-4V合金，而病例2、3和4的植入物则为Ti-6Al-7Nb合金。这两种合金在机械性能上表现出一定的相似性，如弹性模量（约110 GPa）和泊松比（约0.3）。然而，病例1的微观结构显示出β相颗粒在螺钉中心区域的浓度较高，而外周区域则相对较低。这种β相颗粒的分布差异可能是由于制造过程中的非均匀冷却导致的，从而影响了材料的韧性。

在材料硬度方面，所有植入物的平均维氏硬度均在327 HV至340 HV之间，表明其在微观结构上具有较好的均匀性。然而，病例1的β相颗粒分布不均可能对其整体硬度产生一定影响，进而影响其在生理负荷下的稳定性。此外，植入物的表面处理方式也可能是影响其性能的一个因素，例如螺钉的螺纹设计可能在某些区域产生较高的应力集中，从而导致局部疲劳。

### 有限元模拟与力学评估

为了进一步评估FNS在生理负荷下的性能，本研究基于患者的术前CT扫描数据，构建了四例患者特异性股骨有限元模型。这些模型不仅考虑了股骨的密度分布，还结合了骨骼的非均匀性特征，以更准确地模拟实际的生物力学环境。在有限元分析中，施加了代表正常行走和爬楼梯的肌肉和关节反应力，以评估植入物在不同活动中的受力情况。

分析结果显示，在正常行走条件下，FNS的皮质螺钉在侧板附近承受的剪切应力最高，约为263 MPa，而在爬楼梯条件下，该区域的应力进一步增加，达到486 MPa。这一结果表明，FNS在承受高负荷的日常活动时，尤其是爬楼梯等动作，其皮质螺钉可能更容易发生疲劳失效。此外，通过比较不同病例的应力分布，研究发现侧板与螺钉之间的界面存在较高的应力集中，这可能是导致植入物失效的关键因素。

在骨组织的应变分析中，研究发现病例2的皮质骨在植入物附近的应变值超过了其失效极限（约0.7%），而其他病例的应变值均未超过临界值。这表明病例2的骨组织在植入物的力学作用下承受了较大的负荷，可能与患者体重较高或康复过程中的负重模式有关。然而，临床观察并未发现明显的骨断裂，说明实际应用中患者的负重行为可能与有限元模拟的假设有所不同。因此，有限元模型在模拟真实生理负荷时仍需进一步优化。

### 失效模式的综合分析

通过断裂分析和有限元模拟的结合，研究团队发现FNS的失效模式主要集中在皮质螺钉与侧板的连接区域。这一区域的应力集中可能是由于螺钉的螺纹设计以及侧板与螺钉之间的界面结合强度不足所致。在病例1和病例2中，裂纹的形态表明其失效可能同时受到韧性断裂和脆性断裂的影响，而病例3和病例4则主要表现为疲劳断裂，裂纹表面呈现出平行的疲劳条纹。这一结果与有限元模拟中所观察到的高应力集中区域相吻合，表明这些区域是植入物失效的高风险区域。

此外，研究还发现，FNS的失效与患者的日常活动密切相关。例如，爬楼梯等高负荷活动会导致植入物承受更多的应力循环，从而加速其疲劳过程。相比之下，正常行走虽然也会产生一定的负荷，但其作用方式较为均匀，对植入物的影响相对较小。因此，对于Pauwels III型骨折患者而言，若在康复初期就进行高强度活动，可能显著增加植入物的失效风险。

### 对临床实践的启示

本研究的结果为FNS的设计优化提供了重要的理论依据。首先，FNS的皮质螺钉在侧板附近的应力集中可能是一个关键问题，因此在设计过程中需要特别关注这一区域的力学性能。其次，植入物的材料选择和微观结构设计对疲劳性能有重要影响，尤其是β相颗粒的分布和浓度。因此，未来的研究可以进一步探索如何通过调整材料成分和制造工艺来改善FNS的疲劳性能。

此外，研究还强调了生理负荷模拟在植入物评估中的重要性。当前的有限元模型虽然考虑了部分生理活动，但可能忽略了某些复杂的肌肉作用和骨骼变形模式。因此，未来的模型需要更全面地模拟人体在不同活动中的实际受力情况，以提高预测的准确性。同时，由于FNS的失效可能与患者的个体差异有关，如体重、骨折角度和骨质量等，因此在临床应用中，应结合患者的具体情况来评估其适用性。

### 未来研究方向与建议

尽管本研究为FNS的失效机制提供了有价值的见解，但仍存在一些局限性。例如，当前的有限元模型仅考虑了两种生理负荷条件（正常行走和爬楼梯），而实际的生理活动可能更加复杂。此外，骨愈合和植入物诱导的骨重塑过程可能会影响植入物的长期稳定性，但这些因素在本研究中未被纳入考虑。因此，未来的实验研究可以结合骨愈合过程，进一步探讨植入物与骨组织之间的相互作用。

另一方面，由于本研究涉及活体患者，无法进行直接的实验验证，因此有限元模拟的准确性仍需通过实验数据进行验证。此外，当前的模型未考虑植入物的微观表面特征，如螺纹的细节和表面处理方式，这可能对应力分布产生一定影响。因此，未来的模型可以进一步细化植入物的表面结构，以更精确地模拟其在实际使用中的力学行为。

最后，本研究的结果表明，单孔FNS在Pauwels III型骨折中的应用可能存在一定的风险。因此，建议在临床实践中，对于这类骨折患者，应谨慎选择植入物类型，并在术前进行详细的力学评估。同时，对于植入物的设计，应进一步优化其结构，以提高其在复杂力学环境下的稳定性。这不仅有助于减少植入物的失效风险，还能提高患者的术后恢复质量，减少二次手术的需要。