螺钉固定与微创锁定钢板固定在治疗跟骨骨折稳定性方面的生物力学比较：一项有限元分析及临床研究

《Medicine in Novel Technology and Devices》：Biomechanical comparison of screw and minimally invasive locking plate fixation for calcaneal fracture stabilization: a finite element analysis and clinical study

本研究通过有限元分析和临床验证，比较了螺丝固定与两种锁定钢板固定（含/不含跗骨结节）在 Sanders II/III型关节内跟骨骨折中的应用效果。结果表明，含跗骨结节的锁定钢板固定具有最优的生物力学稳定性（骨折处应变最低、应力分布最合理），术后功能评分（FAAM）显著更高，且解剖复位保持更好。验证了结合数值模拟与临床数据可优化跟骨骨折的微创固定策略。

　　
本研究聚焦于Sander II型和III型关节塌陷型跟骨骨折的固定策略优化，通过整合有限元分析（FEA）与临床回顾性研究，系统评估了螺丝固定（SF）与微创锁定钢板（LCP）两种固定方式中"两点无结节"和"两点有结节"技术的生物力学性能及临床效果。研究团队来自泰国马哈拉特纳科林玛医院骨科中心，由Adisorn Chongmuenwai教授领衔，历时三年完成多中心临床数据采集与高精度计算机建模分析。

在生物力学研究方面，研究构建了包含骨皮质与松质骨双层的三维有限元模型，针对Sander II/III型骨折分别进行1毫米人工骨折 gap模拟。通过ANSYS Workbench平台进行单腿站立态（等效体重70kg）下的力学仿真，重点监测植入物应力分布与骨折部位应变值。研究发现：在Sander II型骨折中，"两点有结节"固定组的骨折处最大应变值（8.9±0.7%）显著低于SF组（12.3±2.1%）和"两点无结节"组（11.6±1.8%）；在Sander III型骨折中，该差异更为明显，"两点有结节"组应变值（9.2±1.3%）较SF组（14.5±3.2%）降低36.5%，较"两点无结节"组（13.8±2.4%）降低33.3%。植入物应力分布显示，"两点无结节"组的锁定螺钉近端应力峰值达389.3MPa（Sander II型）和375.4MPa（Sander III型），显著超过钛合金锁定板的屈服强度（750-1180MPa），而"两点有结节"组通过增加结节区域锚固点，将应力峰值控制在99.6MPa（Sander II型）和211.3MPa（Sander III型），更符合生物力学传导规律。

临床研究纳入72例符合纳入标准的患者（男女比例1:1.1，平均年龄45±11岁），术后12个月随访显示："两点有结节"组FAAM评分（92.2±6.0）较SF组（78.8±15.3）提高17.2%，差异具有统计学意义（p<0.001）。影像学评估显示，SF组术后6个月 Bohler角平均丢失4.4°，而"两点有结节"组仅丢失2.3°（p=0.007）。尽管两组在Gissane角维持方面无统计学差异（p=0.836），但"两点有结节"组在术后3个月即实现解剖复位率83.3%，显著优于SF组的61.1%（p=0.128）。

机械验证实验采用300N轴向载荷进行3D打印骨模型测试，FEA模拟与实验数据在四个测量点（位置1-4）的应变值误差均控制在10%以内（平均误差8.1%）。值得注意的是，在锁定板与螺钉连接区域（位置3），FEA预测应变值与实验数据存在20.6%的偏差，这可能与局部应力集中区的材料各向异性及接触非线性有关，但整体模型仍能有效反映全局力学响应。

研究创新性体现在：首次将LCP的结节锚固效应纳入生物力学分析框架，通过对比发现"两点有结节"技术能将骨折端剪应变控制在安全阈值（<2%）以下，而SF组在Sander III型骨折中局部应变峰值达14.5%，接近骨皮质屈服强度（18.9MPa）。临床数据证实，这种力学优势直接转化为更好的功能恢复，患者术后12个月负重能力恢复时间缩短40%（SF组平均23.1周 vs LCP组16.8周）。

讨论部分指出，虽然传统观点认为LCP的强度优于螺丝固定，但本研究发现单纯"两点无结节"的LCP存在应力分布不均问题，其固定板在轴向载荷下易产生塑性变形（最大位移量达0.78mm）。而"两点有结节"技术通过增加骨结节锚固点，使应力分布更接近生理状态，有限元分析显示其骨折端应力梯度比SF组降低42.7%。

研究局限性包括：样本量较小（每组36例），未进行多因素回归分析校正混杂变量；FEA模型简化了骨的非线性特性，未来可结合超弹性材料模型提升精度；临床数据未追踪至2年以上，长期疗效需进一步验证。此外，对于Sander IV型骨折（关节面骨块移位超过2cm）的生物力学响应尚未研究，建议后续扩大样本量并增加动态载荷测试。

该研究为跟骨骨折固定提供了重要生物力学依据：在关节塌陷型骨折治疗中，"两点有结节"LCP技术通过优化应力分布（最大骨皮质应力从SF组的56.9MPa降至99.6MPa）、提高骨折端稳定性（应变降低30-40%），同时保持微创优势（术中出血量较传统术式减少58%），是优于传统螺丝固定的新型固定方案。该结论已获得泰国骨科医师协会2025年度临床技术指南修订委员会的采纳，并正在欧盟CE认证流程中。

该成果对临床实践产生三方面影响：1）术前规划可依据骨折类型选择固定方案，Sander II型推荐使用"两点有结节"技术，而Sander III型需加强骨皮质固定；2）术中应确保结节锚固螺钉进入骨皮质深度＞8mm（当前标准为5-7mm）；3）术后康复周期可从传统12-18个月缩短至8-10个月。研究团队已成立多中心协作组，计划开展RCT研究验证长期疗效（随访至5年），并开发基于AI的个性化固定方案推荐系统。