基于有限元分析的Lisfranc损伤弹性固定最佳预张力生物力学研究

本研究针对Lisfranc损伤治疗中弹性固定技术的关键参数问题，通过三维有限元分析系统评估了不同预张力(0-100N)对跗跖关节生物力学特性的影响。研究人员发现70N预张力可使MC1-MT2关节位移恢复至正常模型水平(偏差仅0.4%)，同时揭示了应力在MC1、MT2及钛板界面的动态分布规律，为临床精准实施弹性固定提供了量化依据。

　　

足部被称为人体"第二心脏"，其精巧的跗跖关节(Lisfranc关节)结构在步态中承担着关键力学传导作用。然而交通事故等高能量创伤导致的Lisfranc损伤正逐年攀升，这种涉及韧带断裂、骨折或关节脱位的复杂创伤若处理不当，将引发畸形愈合、慢性疼痛甚至创伤性关节炎等严重并发症。传统螺钉固定虽能提供稳定性，却以牺牲关节生理微动为代价；新兴的弹性固定技术虽能保留关节活动度，但术中预张力大小全凭经验，缺乏量化标准——这个"张力谜题"成为困扰足踝外科医生的临床痛点。

新疆医科大学附属肿瘤医院的研究团队在《Scientific Reports》发表的最新研究中，创新性地采用有限元分析(FEA)技术破解了这一难题。通过构建包含骨骼、软骨、韧带和钛板的精细化三维模型，模拟了从0N到100N共11种预张力状态下的生物力学响应。研究特别关注内侧楔骨(MC1)、第二跖骨(MT2)等关键结构的应力分布，以及MC1-MT2关节间隙位移变化，最终确定70N为最佳预张力值，其生物力学稳定性与正常足模型偏差仅0.4%。

关键技术方法包括：基于健康志愿者CT数据重建三维足部模型（30岁男性，76kg）；通过Mimics21.0软件进行骨骼、软骨的阈值分割和三维重建；采用HyperMesh软件进行网格划分（最终模型含458,721节点）；在ANSYS中模拟站立相载荷（单足380N垂直力+190N跟腱力）；建立Hardcastle&Myerson D2型韧带损伤模型；通过beam单元模拟钛板弹性固定并施加梯度预张力。

【Von Mises应力分布】研究显示：

• 软骨应力：MC1应力增幅最大（100N时较0N增加276.7%），MT2次之（增加81.1%），而MT3应力反而降低3.7%
• 骨骼与钛板：MC1附着点应力增加305.1%，MT2钛板应力增幅(161.1%)显著高于骨骼本身(109.0%)
• 钛板差异：跖骨侧钛板应力(20.4%增幅)始终高于楔骨侧(16.3%)

【模型位移】关键发现：

• 损伤模型关节位移较正常模型增加325.6%
• 预张力达70N时，位移距离与正常模型仅差0.4%
• 超过80N会导致关节过度约束（位移低于正常值7.7%）

讨论部分指出，这项研究首次通过计算生物力学揭示了预张力与Lisfranc关节稳定的非线性关系：过低张力(＜50N)无法有效控制关节位移，而过高压(＞80N)则会导致MC1/MT2软骨应力激增，增加创伤性关节炎风险。70N的"黄金张力"既能重建韧带原始刚度，又保留了生理微动——这与既往尸体研究结论形成互补，解决了组织降解导致的重复测量难题。

该研究为弹性固定技术提供了三项重要指导：

1. 术中应优先监控MC1-MT2间隙，其位移量是判断固定效果的金标准
2. 钛板在跖骨侧更易疲劳，建议加强该部位设计
3. 参照扭矩扳手原理，可开发智能张力器实现70N精准调控

这些发现不仅为Lisfranc损伤的精准治疗提供了理论基石，更开创了通过计算仿真优化手术参数的新范式。未来结合步态周期动态分析和个性化建模，有望进一步推动足踝外科进入"数字化精准医疗"时代。