《Journal of Orthopaedic Research》：Comparison of the Dynamic Cut-Out Failure Modes of Common Proximal Femoral Fixation Devices Using a Mesh-Free Computational Method
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本文首次应用无网格计算方法，对比分析四种常见股骨近端固定装置（动态髋螺钉DHS、Gamma3、防旋股骨近端髓内钉PFNA-II、TFN-Advanced TFNA）在模拟不稳定转子间骨折模型中的动态切出失效机制。通过结合物理实验与计算机仿真，研究发现叶片型植入物（PFNA-II/TFNA）在初始抗迁移性上优于螺钉型（DHS/Gamma3），但长期加载下无显著差异。仿真模型精准呈现了骨泡沫材料损伤积累过程（静态/动态载荷下一致性相关系数CCC分别达0.953/0.858），揭示切出力相近的植入物可能造成15%-32%的骨组织损伤体积差异，为临床植入物选择提供了基于损伤可视化的新评价维度。
引言
股骨转子间骨折内固定术后植入物迁移和切出是全球老龄化人群面临的重大医疗挑战。骨质疏松性骨折影响超过50%的女性和25%男性的终身健康，预计至2050年髋部骨折年发病率将突破630万例。临床中切出发生率介于2.8%-8.7%，而包含植入物迁移的并发症总体发生率高达3.7%-10.2%。目前临床决策缺乏明确证据支持，尤其对于不稳定型骨折，髓内装置（如Gamma3、PFNA-II、TFNA）虽被广泛使用，但其相较于髓外装置（如动态髋螺钉DHS）的优势仍存争议。
传统有限元法（FEM）在模拟高应变现象时存在局限，而无网格方法特别适用于植入物迁移和切出等大变形问题。本研究首次建立基于无网格计算的动态仿真模型，通过对比切出时的力学响应和骨组织损伤体积，为植入物选择提供生物力学证据。
方法
实验设计
研究采用10磅/立方英尺（PCF）的刚性聚氨酯骨泡沫模拟骨质疏松性股骨模型，外包不锈钢皮质壳以模拟骨折复位环境。四种植入物（DHS、Gamma3、PFNA-II、TFNA）以15毫米尖顶距（TAD）置入，通过液压加载机施加基于自然步态的双峰动态载荷曲线（初始载荷100-1000N，每周期增加0.1N）。切出定义为垂直位移达7毫米。静态加载用于材料模型校准，动态加载至失效以比较植入物性能。
无网格仿真
采用局部细化的体积点云（粒子分辨率160-640μm）构建植入物和夹具模型，骨泡沫以400μm粒子模拟多孔结构（体积分数VF=0.14）。材料参数依据ASTM F1839-08标准设定，动态仿真中屈服应力降低10%以加速损伤累积。通过一致性相关系数（CCC）评估物理实验与仿真数据的一致性，并量化屈服和失效骨泡沫体积。
结果
物理实验验证
静态加载下DHS与Gamma3的切出力无显著差异（2294N vs. 2314N，p=0.87）。动态加载中，Gamma3切出力（1959N）低于DHS（2219N）、PFNA-II（2161N）和TFNA（2267N），且统计学差异显著（p<0.001）。叶片型装置（PFNA-II/TFNA）在初始迁移阶段表现出更高阻力，但随载荷增加，DHS性能逐渐接近叶片型装置。
仿真与实验一致性
静态仿真与实验的CCC达0.953（95%CI 0.944-0.960），动态仿真CCC为0.858（95%CI 0.837-0.876）。仿真准确预测了DHS切出力误差（3.92%），但对叶片型装置的初始迁移阶段存在轻微低估。
骨损伤体积分析
动态仿真显示，Gamma3、PFNA-II和TFNA的屈服/失效骨泡沫体积较DHS分别增加15%、32%和25%，而其切出力仅分别高出2.9%、10%和2.6%。密度热图表明，叶片型装置的损伤分布沿植入物表面更广泛，而DHS的损伤集中于螺纹区域。
讨论
本研究通过无网格动态仿真揭示了植入物设计对骨损伤模式的影响：叶片型装置通过骨压缩增强初始稳定性，但可能造成更大范围的骨微损伤；DHS的细轴设计可能通过轻微弯曲分散载荷。仿真模型的高精度（CCC>0.85）证实其在可视化内部应力分布和损伤积累方面的优势，为超越传统力学指标的植入物评价提供了新思路。
研究局限性包括未模拟手术植入过程及使用均质骨替代材料。未来需开发包含骨质异质性和人群差异的进阶模型，以提升临床预测价值。
