《Frontiers in Chemistry》：Advances in functional nanomaterials and piezoelectric biomaterials for personalized intramedullary fixation: addressing age-related orthopedic challenges
股骨骨折是全球重大骨科负担，尤其在老年和骨质疏松人群中，其与高发病率、死亡率及医疗费用密切相关。髓内固定作为一种将金属钉置入髓腔以稳定骨折骨的治疗方法，因其可通过微创方式实现负荷分担式稳定，仍是临床金标准。然而，由于患者个体解剖差异、年龄相关骨骼重塑以及传统植入物有限的生物活性，种植体-骨不匹配、皮质撞击、固定不稳定、感染及骨整合延迟等问题持续影响长期疗效。本综述全面概述了股骨峡部形态、年龄依赖性解剖重塑及其对个性化髓内固定的意义，重点介绍了旨在改善植入物性能和骨再生的功能生物材料的最新进展。代表性策略包括生物活性陶瓷涂层（如钛酸钡和羟基磷灰石）、压电陶瓷、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚L-乳酸（PLLA）等电活性聚合物、纳米结构涂层、抗菌界面、多功能复合支架及超声响应平台。这些材料已被证明能够通过提供骨-种植体界面的生化、拓扑和机电刺激，调节成骨细胞增殖与分化、增强骨整合、调节炎症反应、抑制细菌定植并加速骨愈合。此外，本综述还讨论了新兴技术，包括增材制造、人工智能辅助种植体设计、数字孪生建模、形状自适应材料及患者特异性固定策略，这些技术共同为精准骨科治疗提供了新机遇。通过整合股骨解剖学、生物力学、材料化学、纳米技术和压电生物工程学的最新进展，本综述凸显了智能化和多功能髓内固定系统的发展，该系统可改善种植体整合、促进骨再生，并满足老龄化人口日益增长的临床需求。
1 引言
股骨骨折是世界上最严重的骨科损伤之一，造成巨大的临床、社会经济和公共卫生负担。由于人口老龄化和骨质疏松症患病率增加，髋部和股骨骨折的全球发病率持续上升，全球每年发生超过160万例髋部骨折，预计到2050年将超过600万例。这些损伤与高发病率、死亡率、长期住院、丧失独立生活能力以及每年数十亿美元的医疗支出相关，尤其是在老年人群中。因此，优化骨折固定和改善长期功能结局已成为现代骨科实践的主要优先事项（Park等，2024；Wu等，2021）。髓内钉因其微创入路、良好的负荷分担生物力学特性和持续高愈合率，仍是大多数股骨干骨折的金标准治疗方法（Rosa等，2019）。然而，种植体-骨不匹配、皮质撞击、力线不良、固定不稳定和延迟愈合等并发症持续影响临床预后，尤其在老年和骨质疏松患者中更为突出（Dong等，2024）。越来越多的证据表明，这些并发症不仅源于手术或材料相关因素，还源于标准化种植体设计无法充分适应股骨髓腔复杂的三维解剖变异性（Rosso等，2025）。
决定髓内固定成功的一个关键因素在于股骨的复杂几何形态，特别是髓腔和股骨峡部，它们是种植体锚定和负荷传递的关键区域（Cui等，2025）。传统种植体设计在很大程度上假设了简化的圆柱形或圆形髓腔几何形态，而忽视了股骨形态的真实三维变异性。高分辨率计算机断层扫描和三维重建技术的最新进展揭示，股骨峡部呈现更复杂的椭圆形构型，具有因人而异并随生命周期变化的明确长轴和短轴尺寸（Ma等，2026）。这种解剖复杂性在决定种植体适配性、稳定性和骨-种植体界面应力分布方面起着决定性作用。传统上，髓内钉由金属生物材料制成，如316L不锈钢、钛及钛合金（Ti-6Al-4V）和钴铬（Co-Cr）合金，因为它们具有优异的机械强度、耐腐蚀性、疲劳耐久性、耐磨性和长期临床可靠性（Makuochukwu和Ilemona，2026；Wang等，2024）。尽管有这些优势，但其相对于皮质骨的高弹性模量常导致应力遮挡、生理性负荷传递受损、骨整合不足以及种植体相关并发症。此外，植入后这些金属装置暴露于由体液、炎症介质、免疫细胞、波动pH值、氧化应激和持续机械负荷组成的复杂生理微环境中，传统材料在很大程度上仅作为被动结构支撑，不能主动调节生物反应或适应患者特异性解剖变异（Ghiban等，2016）。为克服这些局限性，越来越多的关注已转向下一代骨科生物材料，包括羟基磷灰石（Ca
10(PO
4)
6(OH)
2）和生物活性玻璃涂层、抗菌金属纳米颗粒（Ag、Cu、Zn）、聚L-乳酸（PLLA）和聚己内酯（PCL）等可生物降解聚合物、包括聚偏氟乙烯（PVDF）在内的电活性聚合物、钛酸钡（BaTiO
3）等压电陶瓷，以及多功能纳米复合涂层（Chen和Wang，2026；Liang等，2024）。这些先进材料提供生物活性、抗菌性能、骨诱导能力、可控治疗递送和机电刺激，共同增强骨整合和骨再生（Deng等，2025）。随着衰老，这些功能优势变得越来越重要，因为股骨发生持续的结构重塑，其特征是皮质变薄、骨内膜扩张、股骨曲率改变和骨质量下降，进一步增加了种植体-骨不匹配和固定失败的风险。
除几何因素外，股骨随年龄增长持续进行结构重塑，受到皮质变薄、骨内膜扩张和整体股骨曲率变化的影响（Chen Y.等，2026）。这些年龄相关转变不仅改变股骨峡部沿骨干的空间位置，还改变其横截面几何形态，在老年人中逐渐从更椭圆形向相对圆形轮廓转变。这种动态解剖演变对固定几何形态的种植体提出了重大挑战，尤其是在骨质量已经受损的老年和骨质疏松患者中。因此，种植体设计与患者解剖之间的不匹配成为固定不稳定和术后并发症的主要潜在诱因（Zhou等，2024）。
为克服与传统髓内固定系统相关的局限性，材料化学和纳米技术的最新进展为将骨科种植体从被动机械支撑转变为生物交互治疗平台引入了新机遇。功能性表面改性、生物活性陶瓷涂层、抗菌纳米结构、成骨界面和刺激响应材料已显示出增强种植体-骨相互作用、改善骨整合、减少感染相关并发症和促进骨再生的巨大潜力（Hu等，2023；Lin等，2025；Xu C.等，2025；Yang X.等，2024）。这些新兴策略为不仅解决种植体固定的机械挑战，还解决衰老和受损骨骼环境的生物学限制提供了途径。
在本综述中，我们对控制股骨髓内固定系统性能的相互关联的解剖、生物力学和材料相关因素进行了全面和批判性的讨论。本文不仅总结了近期进展，还考察了股骨解剖变异性、年龄相关骨骼重塑、种植体设计限制和骨-种植体相互作用如何共同导致临床挑战，包括种植体-骨不匹配、皮质撞击、应力集中、固定不稳定、延迟愈合和种植体失败。此外，我们讨论了传统金属种植体的演变，并强调了新兴功能纳米材料、生物活性涂层和智能种植体技术如何重塑骨科固定的未来。特别关注压电生物材料作为一类有前景的功能性骨科材料，能够将生理活动期间产生的机械刺激转化为模拟骨天然机电环境的局部电信号。与传统主要提供结构支撑的种植体材料不同，压电平台通过促进成骨分化、增强矿化、改善骨整合、调节炎症反应和加速组织再生来提供主动生物学调节。压电陶瓷、聚合物、纳米纤维材料、复合系统和超声响应电活性平台的最新发展进一步扩大了其在下一代骨科应用中的潜力，特别是在再生能力降低的老年人群中。通过整合解剖学知识、骨科生物力学、先进功能纳米材料和压电生物工程学，本综述为推进智能骨科种植体建立了多学科框架。最终，精准解剖学与多功能材料设计的融合可能实现从传统固定装置向适应性再生平台的转变，该平台能够改善种植体相容性、加速骨愈合、减少并发症，并为不同患者群体提供个性化治疗结果（方案1）。
方案1 本综述的关键主题示意图，包括股骨峡部形态与衰老、传统髓内钉的局限性、功能材料策略、使能技术以及个性化固定的未来展望。
1.1 文献筛选策略
本文以叙述性综述形式展开，旨在对个性化髓内固定、功能纳米材料和压电生物材料在骨科应用中的最新进展进行全面和批判性的概述。通过检索主要科学数据库（包括PubMed、Web of Science和Scopus）识别相关文献。主要考虑近十年左右的出版物，在需要解释基本概念、材料演化和临床发展时纳入早期里程碑式研究。检索词包括“股骨骨折”、“髓内钉”、“股骨峡部”、“种植体-骨不匹配”、“骨科生物材料”、“纳米结构涂层”、“生物活性材料”、“压电生物材料”和“刺激响应种植体”等组合。根据与解剖特征、种植体生物力学、材料设计、生物学反应和下一代骨科固定新兴策略的相关性对选定研究进行评估。这种方法能够在保持叙述性综述概念框架的同时整合多学科证据。
2 股骨峡部的形态特征及其临床意义
股骨峡部代表髓腔最狭窄区域，是髓内固定的关键解剖标志。由于该区域通常提供种植体与周围骨骼之间的主要机械界面，其形态强烈影响种植体适配性、负荷传递、旋转稳定性和整体固定性能（Yang等，2021）。尽管具有临床重要性，传统髓内钉设计历来基于简化的几何假设，未充分反映股骨髓腔的解剖复杂性和变异性。计算机断层扫描、三维成像和解剖建模的近期进展已显著提高对股骨髓腔形态的理解（Chethan，2018）。这些研究表明，股骨峡部的几何形态表现出相当大的个体间变异性，并受性别、年龄、骨骼尺寸、种族和整体股骨形态等因素影响。此外，越来越多的证据表明，峡部的横截面形状不能总是由简单圆形几何充分表示，突出了旨在适应广泛患者群体的标准化种植体设计的局限性。
股骨峡部形态还与股骨的其他解剖特征密切相关，包括股骨长度、髓腔尺寸、皮质厚度和前弓曲率（Zhang R. y.等，2021）。这些关系具有临床重要性，因为它们影响种植体插入、钉体对线、应力分布以及皮质撞击、力线不良和固定不稳定等并发症风险。此外，年龄相关骨骼重塑和骨质疏松可逐渐改变股骨几何形态，为实现老年患者最佳种植体-骨贴合度带来额外挑战（Fontenla等，2026）。因此，全面了解股骨峡部形态对于改进种植体设计和手术规划至关重要。认识解剖变异性为制定患者特异性固定策略、解剖适应性种植体和能够更好适应临床实践中遇到的不同形态特征的下一代骨科系统奠定了重要基础。
2.1 股骨峡部的解剖结构及生物力学功能
在髓内固定手术中，股骨峡部作为股骨髓腔最狭窄部分，是关键解剖标志（Rivas等，2025）。由于其髓腔直径较小，峡部是髓内钉与周围皮质骨之间的主要接触区域，显著提高种植体稳定性、负荷传递和旋转控制（Shi等，2025）。充分固定通常被认为依赖于髓内钉成功嵌入峡部，特别是在需要远端稳定的长骨骨折病例中。除手术意义外，股骨峡部对于生理负荷沿股骨干的生物力学分布至关重要。皮质壳和髓质结构在行走、爬楼梯和负重等活动过程中传递股骨内产生的应力（Xu W.等，2025）。峡部的几何特征影响骨折固定后的应力分布模式、种植体-骨相互作用和整体力学性能。因此，准确的峡部形态表征对于改进种植体设计和减少手术问题至关重要。
过去，股骨峡部常被定义为大致呈圆形的髓腔狭窄。这种简化描述影响了大多数市售髓内钉（通常具有圆形横截面几何形态）的设计理念（Heinecke等，2025）。然而，来自先进成像和三维重建方法的越来越多数据表明，股骨峡部的形态远比先前认为的复杂。髓腔形态、直径、曲率和位置的变化可能极大影响种植体适配性和固定结果（Li等，2025）。
随着骨科手术转向个体化治疗方法，理解这些解剖特征变得越来越重要。除了个体间变异性外，现代种植体系统还必须考虑可能改变骨折修复机械环境的年龄相关骨形态变化。因此，全面评估股骨峡部结构对于创建下一代髓内固定方法至关重要。
2.2 用于股骨形态定量评估的三维重建技术
CT和数字重建技术的进展革新了股骨解剖学研究（Liang和Liew，2025）。投影误差、图像放大以及无法精确描述骨骼结构三维复杂性是过时放射摄影测量的常见限制。另一方面，高分辨率CT结合专用重建软件可实现皮质骨和松质骨结构的精确可视化和定量评估（da Silva等，2025）。近期研究采用三维重建技术评估广泛的股骨参数，包括股骨长度、颈干角、前倾角、皮质厚度分布和前弓曲率。这些方法提供高度可重复的测量结果，并能详细分析使用传统成像方式难以量化的解剖特征。此外，数字重建可在任何所需位置对股骨进行虚拟切片，特别适用于描述股骨峡部。
影像和解剖特征的最新进展揭示，股骨髓腔是一个复杂且高度可变的结构，受股骨长度、曲率、皮质厚度和峡部形态等因素影响（Zhao X.等，2026）。累积证据表明，传统种植体设计中使用的简化几何假设不能充分反映这种解剖多样性，可能导致种植体-骨不匹配和固定相关并发症。因此，对股骨形态更全面的理解对于制定个性化和解剖适应性髓内固定策略变得越来越重要（Zhu等，2026）。如图1所示，现代基于三维计算机断层扫描的重建技术能够实现股骨解剖的精确可视化、定量形态测量和患者特异性术前规划，从而为精准骨科干预提供坚实的解剖基础（Zheng等，2025）。
图1（A-D）基于三维计算机断层扫描的股骨形态定量评估和术前规划的代表性工作流程。（E-I）该图展示了股骨近端三维重建、外侧α角测量、解剖标志识别以及凸轮型股骨髋臼撞击综合征靶向股骨成形术区域的定量勾画。这些重建技术展示了三维成像表征股骨几何形态并支持患者特异性骨科精确规划的能力。经Orthopaedic Surgery许可改编。版权所有?，Wiley（Zheng等，2025）。
2.3 股骨髓腔和峡部的年龄相关重塑
股骨髓腔的年龄相关结构重塑在决定髓内固定系统的力学环境和长期性能方面起着关键作用（Xu M.等，2026）。基于三维计算机断层扫描的形态计量分析的最新进展显著提高了对股骨近端解剖及其对骨科种植体设计影响的理解（Abdul-Hafez等，2026）。多项研究表明，三维成像能够精确表征股骨髓腔、皮质结构和峡部形态，提供传统X线片无法可靠获得的解剖信息。这些方法在评估患者特异性解剖、优化种植体选择和减少髓内固定过程中的种植体-骨不匹配方面变得越来越重要（Welling等，2026）。一个代表性示例如图2所示，改编自Veldman等人的研究，他们使用三维CT重建来量化极高龄个体的股骨近端外部解剖和内部髓腔形态。他们的分析表明，常用的外部解剖参数，包括颈干角、内外侧偏距和股骨小转子与股骨头中心之间的距离，与内部髓腔几何形态仅显示弱相关性。这些发现表明，仅靠外部股骨形态无法可靠预测负责种植体适配性、固定稳定性和负荷传递的内部髓腔特征，强调了术前规划中患者特异性三维形态评估的重要性（Veldman等，2025）。
图2 股骨近端评估的形态计量参数示意图。（A）外部解剖参数及用于内部几何测量的横截面位置。（B）在每个横截面水平评估的内部形态计量参数。FHC，股骨头中心；LT，小转子；FHD，股骨头直径；NSA，颈干角；ML-offset，内外侧偏距；LT-FHC，小转子与股骨头中心之间距离；P20，位于小转子近端20mm的横截面水平；Isthmus，对应股骨峡部的横截面水平。经Journal of Orthopaedics许可改编。版权所有?，Elsevier（Veldman等，2025）。
这些观察结果的临床相关性得到几项独立研究的支持。Maton等人报道，股骨近端形态，特别是与所谓香槟酒杯股骨相对应的高皮质指数，与无水泥全髋关节置换术后透亮线的发生显著相关，突出了皮质结构对种植体骨整合和长期稳定性的影响（Maton等，2024）。同样，Wang等人证明，顺行髓内钉术中医源性粉碎最常发生在股骨峡部，并与显著更高的骨折不愈合率相关，强调了该解剖区域在种植体插入过程中的生物力学重要性（Wang J.-H.等，2022）。此外，Xu等人确定高龄和髓内钉不稳定是股骨干骨折不愈合的独立预测因子，进一步支持年龄相关解剖和力学改变显著影响固定成功的观点（Xu M.等，2026）。总之，这些研究表明，股骨髓腔不应被视为均匀的圆柱形结构，而应被视为受年龄、性别、皮质结构和骨质量影响的高度异质性解剖系统。这种变异性直接影响种植体-骨贴合度、应力分布和固定稳定性，强化了对解剖适应性种植体设计和能够适应患者特异性骨骼形态的先进功能生物材料的需求。表1代表了已发表的关于年龄相关股骨重塑、股骨髓腔形态及其对骨科种植体性能影响的文献。总的来说，这些研究表明，患者特异性解剖变异、皮质结构和骨骼老化显著影响种植体适配性、骨整合、固定稳定性和骨折愈合，支持个性化髓内固定策略的发展。
表1 研究设计与人群、影像学或评估方法、主要发现和临床意义。Veldman等（2025）：对90个极高龄股骨（80-105岁）的回顾性形态计量分析，采用三维CT重建和横截面形态计量分析，发现内部股骨髓腔形态与外部股骨近端解剖相关性差，观察到皮质厚度和髓腔几何形态存在显著的性别相关差异，表明外部解剖标志不能可靠预测内部髓腔形态，支持患者特异性术前规划和种植体设计。Maton等（2024）：对122例行无水泥全髋关节置换术患者的回顾性分析，使用Dorr分型、皮质指数、髓腔展开比和髓腔-距骨峡部比进行放射学评估，发现高皮质指数（>0.62）即“香槟酒杯”股骨与术后透亮线显著相关，突显股骨近端形态对种植体骨整合和长期固定稳定性的影响。Wang J.-H.等（2022）：对211例接受顺行髓内钉治疗的股骨干骨折的回顾性研究，采用临床和放射学评估，医源性粉碎发生约21%的病例，主要位于股骨峡部，并显著增加骨折不愈合率，确定股骨峡部是钉体插入过程中生物力学脆弱区域，强调种植体-骨相容性的重要性。Xu M.等（2026）：对144例股骨干骨折的回顾性病例对照研究，采用多变量logistic回归和预测列线图，高龄、髓内钉不稳定、骨折移位、延迟负重和多发骨折是不愈合的独立预测因子，证明年龄相关骨骼改变和机械不稳定显著影响髓内固定后的骨折愈合。Rollet（2025）：对年龄相关股骨重塑的综述，采用形态学和生物力学综合分析，衰老以进行性骨内膜扩张、皮质变薄、骨质量恶化和负荷承载特征改变为特征，代表研究股骨形态、年龄相关重塑及其对髓内固定和骨科种植体性能临床意义的研究。
骨内膜扩张是骨骼老化最一致的表现之一，其特征是髓腔进行性扩大伴皮质变薄和结构支撑减少。与骨质疏松相关的骨质量恶化一起，这些变化改变了种植体周围的生物力学环境，增加了种植体-骨不匹配的可能性，并导致固定不稳定和骨折愈合延迟（Rollet，2025；Xu M.等，2026）。这些观察进一步强调，成功的髓内固定不仅取决于种植体设计，还取决于对年龄依赖性股骨重塑和患者特异性解剖变异的全面理解。
3 传统髓内钉系统当前的挑战和局限性
由于微创性、改善的生物力学稳定性和允许早期活动的特点，髓内钉仍是治疗股骨干骨折的金标准。尽管在种植体设计和手术技术方面经过数十年发展，术后并发症包括种植体力线不良、前侧皮质撞击、皮质穿孔、延迟愈合、种植体失败和固定不稳定仍然持续存在（?avka和Ba?kovi?，2026）。许多问题源于股骨的固有解剖多样性，传统髓内钉设计有时不能充分适应这种多样性。如方案2所示，股骨峡部在几何形态、曲率和位置方面存在显著变异。髓腔结构随年龄而变化。这些发现对标准化种植体能够适应广泛解剖结构的长期假设提出质疑。因此，对现有髓内固定系统进行严格评估是必要的，以识别导致种植体相关问题的解剖和生物力学因素，并明确未来骨科器械的设计标准。本节审查传统髓内钉系统的主要局限性，重点关注种植体-骨不匹配、年龄依赖性解剖变化以及个性化和适应性固定技术的未满足需求。
方案2 该示意图展示了传统髓内钉系统的解剖和生物力学限制，强调了传统髓内钉系统的现存问题。
方案3 未来个性化智能髓内固定系统的路线图，整合基于形态的种植体设计、人工智能、数字孪生建模、先进功能材料和增材制造。
3.1 当代髓内钉的演变和设计原则
除了机械固定外，髓内钉的长期性能还受植入后立即建立的复杂生理微环境影响。种植体植入启动一系列生物学事件，涉及蛋白质吸附、血小板活化、炎症细胞募集、巨噬细胞极化、血管生成以及随后的成骨细胞介导的骨形成（Uehara等，2026）。这些早期细胞-材料相互作用的性质强烈影响骨整合、纤维组织形成和长期种植体稳定性。传统金属种植体尽管具有优异的力学性能，但通常作为生物学被动材料发挥作用，主动调节局部细胞和生化环境的能力有限（Xu B.等，2026）。此外，其相对较高的弹性模量可能诱导应力遮挡，并减少正常骨重塑所需的生理机械刺激。
为解决这些局限性，相当多的关注已集中在表面工程和功能涂层上，这些方法能够在不损害结构完整性的情况下增强生物学性能。代表性策略包括用于改善骨-种植体结合的羟基磷灰石（Ca
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4)
6(OH)
2）和生物活性玻璃涂层、用于促进成骨细胞粘附的二氧化钛（TiO
2）纳米管表面、掺入银（Ag）、铜（Cu）或锌（Zn）纳米颗粒以减少种植体相关感染的抗菌涂层，以及用于可控治疗递送的多功能聚合物或陶瓷涂层（Chen B.等，2026；Yang Z.等，2026）。最近，压电陶瓷，特别是钛酸钡（BTO），已成为有前景的涂层材料，因为它们将生理性机械负荷转化为局部电刺激，模拟骨的内源性生物电环境（Gamagedara等，2026）。这种机电效应增强成骨分化、促进骨整合、调节炎症反应并加速骨再生，从而将传统髓内钉从被动固定装置转变为生物活性治疗平台。这些进展为将功能材料整合到骨科种植体中提供了科学依据，并为后续讨论先进生物活性和刺激响应材料策略的章节建立了概念桥梁。
3.2 股骨解剖变异性引起的种植体-骨不匹配
当代髓内钉系统最基本的局限性之一在于标准化种植体几何形态与人类股骨髓腔高度可变形态之间的不匹配（Eveson等，2026）。尽管髓内钉旨在通过髓腔贴合实现骨内膜固定，但其结构配置主要基于泛化的解剖假设，可能无法完全捕捉股骨几何形态的个体间和年龄相关变异。已发表的形态计量研究表明，股骨峡部不能总是被充分表示为均匀的圆柱形结构，可能呈现椭圆形横截面形态（Sánchez等，2026）。这种与圆形的偏差对种植体适配性具有重要意义，因为大多数市售钉体设计为以圆形横截面为主（Elleuch等，2026）。因此，固定可能通过局部点接触或线接触而非均匀表面接触发生，增加了骨-种植体界面应力集中的可能性。
3.3 前侧皮质撞击、皮质穿孔和二次骨折风险
前侧皮质撞击是与股骨髓内钉相关的临床上最显著的并发症之一，特别是当种植体几何形态不能完全匹配天然股骨前弓时（Van-Breukelen-García等，2026）。已发表的解剖和生物力学研究表明，股骨曲率的变化可影响钉体与髓腔之间的对线（Puls等，2026）。当种植体曲率不能充分匹配患者特异性解剖时，前侧皮质表面可能发生局部应力集中，可能导致皮质刺激、重塑，或在严重情况下导致皮质穿孔。在老年患者中这些风险可能进一步增加，因为皮质变薄和结构阻力降低使股骨更容易受到机械应力的影响。
3.4 股骨曲率和峡部位置对钉体对线和负荷传递的影响
髓内钉系统的生物力学性能受种植体轨迹与股骨干天然曲率之间几何关系的强烈影响。先前的解剖和生物力学研究报道了股骨曲率和股骨峡部纵向位置存在相当大的个体间变异性（Taghipour和Vakili-Tahami，2026）。这种变异性可影响种植体对线、负荷传递以及沿股骨干的机械应力分布（Liu等，2025）。当种植体不能充分适应这些解剖特征时，可能发生非均匀接触和改变的弯矩，可能促进骨折部位微动和延迟愈合。
3.5 年龄相关形态变化作为种植体失败的驱动因素
股骨形态的年龄相关改变越来越被认为是影响髓内钉性能的重要因素（Tara等，2026）。已发表的研究报道了随着衰老，皮质厚度、髓腔结构和解剖标志空间分布发生进行性变化。在老年和骨质疏松人群中，皮质变薄和骨内膜重塑可能改变骨与种植体之间的机械相互作用，可能降低固定稳定性并增加对种植体相关并发症的易感性（Lentrodt，2026；Wang和Cao，2026）。这些观察结果表明，老年患者的种植体失败可能不仅受材料或手术因素影响，还受年龄依赖性股骨解剖变化的影响。因此，在选择和设计髓内固定系统时，应考虑患者特异性解剖评估。
3.6 老年和骨质疏松患者髓内固定的挑战
老年和骨质疏松人群中的髓内固定在传统骨折管理考虑之外还呈现出一系列独特的生物力学和临床挑战（Sain等，2026）。在这些患者中，年龄相关骨骼重塑与骨矿物质密度降低、皮质完整性受损和负荷分布能力改变叠加，共同为髓内钉固定创造了机械脆弱的环境。骨质疏松骨的特征是皮质厚度减少和孔隙率增加，这显著降低了其承受种植体插入和术后负荷引起的局部应力集中的能力（Lee等，2026）。因此，即使髓内钉正确定位，股骨皮质结构能力的降低也可能限制种植体与骨之间的有效负荷传递（Zhao X.等，2026）。这种情况增加了循环负荷条件下微骨折、种植体下沉和进行性松动的可能性。
股骨形态计量研究的新证据进一步突显了这些挑战。最近研究年龄相关股骨重塑的研究提示髓腔几何形态的进行性改变，包括横截面形状、皮质分布和髓腔扩张的变化，这可能影响髓内固定的力学环境（Zhang R. y.等，2021）。在骨质疏松人群中，由于加速的骨内膜吸收和皮质恶化，这些变化通常更为显著，导致髓腔几何形态改变和种植体-骨界面机械约束降低（Rolvien和Amling，2022）。因此，峡部区域的内在稳定效应可能减弱，降低标准髓内固定策略的有效性。股骨髓腔几何形态的年龄相关改变，包括最狭窄髓腔区域位置和尺寸的变化，可能影响种植体几何形态与皮质接触部位之间的关系（Parsley等，2020）。这种错位可能损害远端固定稳定性，特别是在不考虑患者特异性解剖变异而应用标准钉体长度和锁定配置的情况下。
此外，骨质疏松患者骨质量降低加剧了钉体插入过程中医源性并发症的风险（Kadoura，2019）。此外，老年患者骨质量受损增加了术中插入过程中的并发症风险，并降低了后续生物适应和重塑的能力。髓腔形态改变、皮质强度降低和再生能力受损的综合效应导致高危人群延迟愈合和固定失败。这些挑战突显了改进术前评估、个性化种植体策略和能够同时解决老化骨中机械相容性和生物学需求的先进固定系统的必要性。
3.7 个性化和适应性髓内固定系统未满足的临床需求
尽管髓内钉设计和手术技术取得了实质性进展，持续存在的并发症继续突显种植体工程与患者特异性股骨解剖之间的根本差距（Gurzì等，2024）。本形态计量分析的总体发现，特别是股骨峡部的椭圆形构型、其年龄相关远侧迁移以及几何偏心率进行性降低，强调了标准化固定系统在适应解剖多样性方面的局限性。当前髓内钉系统主要基于平均解剖模型，假设相对均匀的髓腔几何形态以及近端标志与峡部区域之间的固定空间关系（Manon等，2024）。然而，如本研究所证明的，股骨形态表现出由年龄相关重塑和曲率、髓腔形状及纵向定位的个体间差异驱动的持续变异性。这些变异直接影响种植体适配性、对线和负荷传递效率，但在传统种植体设计框架中未得到充分解决。
因此，仍然存在对能够适应患者特异性解剖条件而非依赖静态几何假设的髓内固定系统的关键未满足临床需求（Junior和Trajanovic，2022）。特别是，圆形种植体横截面与椭圆形股骨髓腔之间的不匹配，以及峡部随年龄增长的远侧迁移，需要重新评估种植体几何形态的定义和优化方式（Wang N.等，2025）。没有这种适应性，皮质撞击、次优固定和机械失败的风险固有地升高，特别是在老年和骨质疏松人群中。此外，现有种植体系统缺乏对动态术中、术后条件的响应性，如骨质量、皮质厚度和曲率不匹配的变化（Dobrot?等，2024）。这种刚性限制了在不同患者群体中实现最佳生物力学整合的能力。因此，对纳入患者特异性设计原则、适应性几何形态和多功能性能能力的下一代髓内系统的需求日益增长。功能材料科学、计算建模和增材制造的新兴进展为解决这些局限性提供了有希望的途径（Sadoghi等，2026）。然而，将这些技术转化为临床可行解决方案需要从标准化种植体设计向形态学引导、生物适应性和机械响应性固定策略的范式转变。
因此，本节确定的未满足临床需求为开发基于先进功能材料的方法提供了直接基础，将在后续章节中作为克服传统髓内钉系统固有局限性的潜在解决方案进行讨论。
4 改善髓内钉性能的功能材料策略
传统髓内钉系统的局限性激发了人们对功能材料的日益关注，这些材料可增强骨科种植体的生物学和力学性能。通过整合生物活性、抗菌、适应性和刺激响应功能，这些先进材料提供了改善骨整合、减少种植体相关并发症、加速骨折愈合以及更好地适应传统种植体设计常未能充分解决的患者特异性解剖变异的新机会。
4.1 用于增强骨整合和骨-种植体整合的表面工程方法
成功的髓内固定不仅取决于机械稳定性，还取决于骨-种植体界面的有效生物学整合（Rosa等，2017）。传统金属种植体通常表现出有限的生物活性，这可能延迟骨整合并损害长期固定效果。因此，表面工程策略被开发用于修饰种植体表面、增强细胞反应、促进骨形成和改善种植体稳定性，而不改变器械的整体力学性能。植入后，种植体表面与周围生物环境之间的初始相互作用在决定固定的长期成功方面起着决定性作用（Liu等，2020）。蛋白质吸附、细胞粘附、炎症反应和随后的骨重塑都受表面化学、形貌、粗糙度和润湿性的高度影响（Batool等，2021）。不利的表面环境可能导致成骨细胞附着不足、纤维组织形成或骨长入不足，最终降低种植体稳定性并增加松动或固定失败的风险。这些挑战在老年和骨质疏松患者中尤为突出，因为骨再生能力受损和骨质量下降已损害种植体锚定。因此，大量努力致力于设计能够主动促进成骨活性同时保持机械完整性的种植体表面。现代表面修饰方法旨在创建能够加速骨形成、加强骨-种植体整合和改善长期临床结果的生物活性界面（Dong等，2020）。在这些方法中，纳米形貌修饰、微/纳米分级结构和生物活性陶瓷涂层已成为骨科应用中研究最广泛的策略之一。
4.1.1 纳米形貌表面修饰
髓内种植体的生物学反应受其表面特征强烈影响。传统金属钉体表面通常是生物惰性的，为细胞附着和组织整合提供的信号有限（Biggs等，2010）。纳米形貌表面修饰已成为模拟天然细胞外基质纳米级特征的有效策略，从而增强种植体与周围骨组织之间的相互作用（Karazisis等，2017）。通过在种植体表面引入纳米图案、纳米管、纳米棒或纳米
