螺钉分布对胫骨远端骨折稳定性及骨痂应变的影响：有限元分析揭示关键生物力学机制

本研究针对胫骨远端骨折外固定稳定性难题，通过有限元分析系统探究了工作长度（由螺钉分布决定）对股骨锁定加压钢板（LCP）外固定器刚度及骨间应变（IFS）的影响。结果表明：缩短工作长度可显著提升结构刚度（轴向压缩刚度最高达78.50 N/mm），并将IFS控制在更利于二期愈合的范围内，为临床螺钉配置策略提供了关键生物力学依据。

　　

胫骨远端骨折是临床上常见的创伤类型，约占所有胫骨骨折的3%-10%，其中开放性骨折比例高达30%。由于胫骨皮下位置表浅、软组织覆盖薄弱，高能量损伤极易导致严重软组织损伤和开放性骨折。传统外固定架虽能最小化软组织损伤并保留血供，但存在体积庞大、需跨关节固定等缺点，长期固定可能导致关节僵硬等并发症。锁定加压钢板（Locking Compression Plate, LCP）凭借其低切迹设计和角稳定优势，被创新性地应用于外固定领域，近年来在胫骨远端骨折治疗中展现出良好的临床效果。然而，关于其生物力学特性尤其是螺钉分布对稳定性的影响，仍缺乏系统研究。

为解决这一问题，苏欢团队通过有限元分析法构建了胫骨远端骨折模型，模拟股骨LCP外固定器在不同螺钉分布模式下的力学性能。研究首次系统探讨了工作长度（即骨折端两侧最近螺钉间的距离）对结构刚度及骨间应变（Interfragmentary Strain, IFS）的影响，为临床优化固定策略提供了关键数据支撑。该研究发表于《Current Medical Science》期刊。

研究主要采用以下技术方法：1）基于健康男性下肢CT数据，通过Mimics 19.0软件重建胫骨三维模型，并在Geomagic Studio中进行优化处理；2）使用Creo 5.0软件构建股骨LCP锁定系统及锁定螺钉的三维模型；3）通过ANSYS 15.0 Workbench进行有限元分析，设置四种不同螺钉分布组（EF1-EF4组），分别模拟轴向压缩、轴向扭转和三点弯曲载荷条件；4）测定各组模型的应力分布、骨折端位移、刚度及IFS值。

3.1 不同加载模式下各组固定装置的应力分布

在轴向压缩加载下，EF4组固定装置的最大应力出现在钢板与螺钉的L5连接处（图3d），最大冯·米塞斯应力达697.96 MPa。轴向扭转加载时，EF1组的最大应力位于钢板与螺钉的L6连接处（图3e），应力值为89.84 MPa。三点弯曲加载下，EF4组的最大应力出现在L5连接处（图3l），达92.98 MPa。结果表明应力值随工作长度增加而升高。

3.2 不同加载模式下各组胫骨应力分布

轴向压缩加载时，EF1组胫骨应力最大（268.58 MPa），位于骨折近端最远卵圆孔处（图4a）。轴向扭转加载下，EF1组胫骨平台处应力最大（94.26 MPa）（图4e）。三点弯曲加载时，EF4组骨折近端最远孔口处应力最大（39.78 MPa）（图4l）。数据显示EF1组在多种加载条件下承受最高骨应力。

3.3 不同加载模式下各组骨折端位移及骨间应变

三种加载模式下，四组模型的骨折端位移均随钢板工作长度增加而增大。轴向压缩加载时，EF1-EF4组的骨折端位移分别为7.642 mm、10.657 mm、11.003 mm和12.219 mm。相应的骨间应变值依次为76%、107%、110%和122%，呈现EF1<EF2<EF3<EF4的递增趋势。

3.4 不同加载模式下各组固定刚度

在轴向压缩、轴向扭转和三点弯曲载荷下，四组有限元模型的刚度均随钢板工作长度增加而降低。EF1组表现出最大刚度（轴向压缩78.50 N/mm，轴向扭转0.54 Nm/°，三点弯曲314.94 N/mm）。与EF1组相比，EF2组的三种刚度分别下降28%、19%和32%，EF4组则下降37%、35%和35%。

研究结论表明，股骨LCP外固定器的结构刚度随工作长度增加而降低，导致骨间应变显著增加。在完全负重条件下，所有组别的IFS值均远高于二期愈合所需的理想范围（10%-30%）。讨论部分强调，对于不稳定的胫骨远端骨折，应将螺钉尽可能靠近骨折端放置以增加稳定性。尽管增加工作长度可降低刚度并促进骨痂形成，但过度增加会导致稳定性不足，可能引起固定失败和畸形愈合。该研究为临床实践中螺钉配置策略提供了重要生物力学依据，建议患者在早期阶段采用部分负重方式，谨慎考虑完全负重。

研究存在一定局限性：未考虑腓骨和肌肉力的影响；静态测试无法模拟运动中的钢板稳定性；未来需进行疲劳测试以评估动态稳定性；螺钉配置模式未涵盖所有临床可能性。团队表示将继续完善后续研究，为股骨LCP外固定器治疗胫骨远端骨折提供更充分的生物力学基础。