《Clinical Biomechanics》：Impact of end-screw configuration on peri-implant fracture risk in distal femoral plating
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本研究探讨不同远端股骨锁定压缩钢板（DF-LCP）近端螺丝配置对周围骨骨折风险的影响。通过力学测试和应变测量发现，15°近端弯曲双皮质常规螺丝（aCS）组破坏载荷最高，骨表面应变分布更优，提示其可能降低骨折风险，尤其适用于骨质疏松患者。
卢伊斯·普尔斯（Luise Puls）|多米尼克·米施勒（Dominic Mischler）|利昂内尔·亚诺（Lionel Llano）|彼得·瓦尔加（Peter Varga）|伊万·兹德里克（Ivan Zderic）|莫里茨·克劳斯（Moritz Kraus）|R. 杰弗·理查兹（R. Geoff Richards）|博伊科·格奥尔吉耶夫（Boyko Gueorguiev）|卡尔·斯托费尔（Karl Stoffel）
AO研究所，瑞士达沃斯，克拉瓦德勒街8号（AO Research Institute, Davos, Clavadelerstrasse 8, 7270 Davos, Switzerland）
摘要
背景
股骨远端骨折的锁定固定与继发性植入物周围骨折的风险相关，这主要是由于近端钢板端部的应力集中所致。本研究旨在探讨通过改变末端螺钉类型是否可以提高愈合后的股骨锁定压缩板结构的强度，从而降低股骨植入物周围骨折的风险。
方法
使用四种不同类型的末端螺钉（每种6个样本），将24个人工股骨固定在一起：双皮质标准锁定螺钉（bLS）、垂直于钢板方向的双皮质常规螺钉（CS）、单皮质标准锁定螺钉（uLS）以及近端倾斜15度的双皮质常规螺钉（aCS）。为了模拟骨折愈合后的情况，还对未发生骨折的完整股骨进行了固定处理。所有样本均接受了准静态加载直至失效，并测量了骨表面应变。
结果
所有样本的失效模式都表现为末端螺钉处的骨植入物周围骨折。失效载荷分别为：bLS为238.3 N ± 19.3 N，CS为257.4 N ± 23.8 N，uLS为271.0 N ± 43.0 N，aCS为289.8 N ± 26.8 N，其中aCS的载荷显著高于bLS（p = 0.032），不同结构之间的差异均不显著（p > 0.050）。应变测量结果显示aCS具有显著优势。
解释
在测试条件下，使用aCS与更高的失效载荷相关，并且与bLS相比具有更有利于植入物周围的应变分布，表明其可能降低了植入物周围骨折的机械倾向。这些发现支持进一步评估倾斜双皮质末端螺钉在骨质疏松骨模型中的应用。
引言
使用锁定钢板进行骨折治疗后，可能发生植入物周围骨折。50岁以上的患者尤其容易受到影响，股骨远端骨折后的发生率为7%（Meyer和Large，2023年；Park等人，2017年）。受伤机制通常是由于老年骨质减少/骨质疏松的女性在平地上跌倒所致。植入物周围骨折通常需要额外的手术干预，这会增加这一老年患者群体的死亡率和发病率（Poroh等人，2023年；Shah等人，2024年；Wulbrand等人，2024年）。骨折主要发生在植入物末端的螺钉位置，这是由于柔软的骨组织和较硬的钢板结构之间的弹性差异迅速变化，导致局部高应力区域（Bartl，2019年；Bottlang等人，2009年；Park等人，2017年；Poroh等人，2023年）。
植入物周围骨折的风险在植入物移除后仍然存在，甚至持续6-8周以上（Bottlang等人，2009年；Park等人，2017年）。虽然移除植入物可以消除应力区域，但可能会导致通过空螺钉孔发生二次骨折（Park等人，2017年）。此外，第二次手术干预还可能伴随围手术期并发症。
另一种减少植入物末端应力区域的方法是使用不同类型的末端螺钉。最近的研究表明，在生理相关载荷下，使用锁定螺钉和常规螺钉在植入物周围骨折风险方面没有显著差异（Puls等人，2025年），这延续了之前的生物力学研究结果（Bottlang等人，2009年；Doornink等人，2010年；Fitzpatrick等人，2009年；Peck等人，2015年）。然而，另外两种常用的螺钉类型——单皮质锁定螺钉和倾斜常规末端螺钉——可能会影响二次骨折的风险。研究表明，非锁定钢板中的单皮质末端螺钉会削弱结构强度，且无法降低植入物周围骨折的风险（Beaupre等人，1992年；Davenport等人，1988年）。锁定混合钢板中的单皮质锁定末端螺钉与双皮质锁定末端螺钉相比没有劣势（Fitzpatrick等人，2009年），但在解剖模型中单个单皮质末端螺钉的效果尚不清楚。倾斜常规螺钉对圆柱体的弯曲应力影响与锁定螺钉和常规螺钉无显著差异（Peck等人，2015年），但它们在生理相关载荷下的影响尚不明确。其他生物力学研究报道的失效模式主要为非植入物周围骨折（包括钢板弯曲、螺钉拔出、其他机械故障）或没有灾难性故障（Davis等人，2012年；Gardner等人，2006年；Karadeniz等人，2011年；Lo等人，2013年；O'Toole等人，2008年；Robert 3rd等人，2003年；Wynkoop等人，2017年；Zehnder等人，2009年），这些发现对评估植入物周围骨折风险的相关性有限。
末端螺钉类型对骨-植入物结构行为的影响仍不明确。目前缺乏对局部骨变形（应变）的测量数据，这些数据有助于更好地评估失效风险。数字图像相关（DIC）技术能够以非侵入性方式测量表面应变，因此越来越多地用于量化应变分布（Sztefek等人，2010年；Vaananen等人，2013年），从而更详细地了解结构在加载下的行为及骨折发展机制（Amin Yavari等人，2013年；Milosevic等人，2011年）。
因此，本研究的目的是量化股骨远端锁定压缩板（DF-LCP）结构中近端末端螺钉配置对植入物周围应变分布和骨折风险相关机械条件的影响。具体而言，使用全场光学应变测量方法比较了单皮质和双皮质近端末端螺钉配置在轴向加载下的表现。研究假设末端螺钉配置会改变近端钢板端的局部应变集中情况，从而影响植入物周围骨折的机械倾向。
材料与方法
方法流程包括：（1）样本准备和仪器安装，（2）生物力学加载直至失效，（3）使用DIC进行光学应变测量，（4）后期处理和统计分析。
结果
所有样本均发生灾难性失效，表现为末端螺钉处的骨植入物周围骨折（图3），未观察到螺钉弯曲、钢板弯曲或螺钉孔伸长。骨折恰好发生在钢板下方的螺钉中心，并向近端内侧皮质略微扩展。bLS和CS的骨折线呈轻微的螺旋形，而uLS和尤其是aCS的骨折线更为倾斜。
失效载荷为
讨论
本研究比较了DF-LCP 4.5/5.0型号中四种末端螺钉类型的机械性能，以确定能降低植入物周围骨折风险的设计。bLS承受的最大力最小，且最大应变最大。这与该螺钉配置的刚性特征一致。CS在钢板端的应变幅度略小，但达到灾难性失效的最大载荷略高。这可能是由于其较高的柔韧性所致。
结论
在测试条件下，使用aCS与更高的失效载荷相关，并且与bLS相比具有更有利于植入物周围的应变分布，表明其可能降低了植入物周围骨折的机械倾向。这对于患有骨质疏松症、接受双膦酸盐治疗、有既往假体周围骨折史、反复跌倒等高风险患者尤为重要。然而，仍需进一步评估倾斜双皮质末端螺钉的效果。
手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本手稿时，作者仅使用ChatGPT（OpenAI）进行英文语言润色。使用该工具后，作者仔细审查并编辑了内容，并对最终版本的手稿负全责。
CRediT作者贡献声明
卢伊斯·普尔斯（Luise Puls）：撰写——初稿撰写、项目管理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。多米尼克·米施勒（Dominic Mischler）：撰写——审阅与编辑、数据可视化、软件开发、项目管理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。利昂内尔·亚诺（Lionel Llano）：方法论设计、实验研究、数据管理、概念构思。彼得·瓦尔加（Peter Varga）：撰写——审阅与编辑、项目监督、软件应用、资源协调、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者未获得任何补偿，也没有其他机构资助或企业支持来支持这项工作，除非有明确记录和披露。本研究得到了AO基金会的协助。
