《Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery》：From load-bearing to load-sharing: contact-driven transitions in locked plate constructs
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锁定钢板内固定术作为内固定器发挥作用，然而载荷诱导的钢板-骨接触和骨块-骨块接触——从承重到载荷分担的关键转变——仍未得到充分表征。本研究量化了它们在轴向载荷下对结构刚度、钢板应变和断端间运动的影响。使用钛锁定加压钢板（LCP）固定的环氧-玻璃模拟骨测试了27
锁定钢板内固定术作为内固定器发挥作用，然而载荷诱导的钢板-骨接触和骨块-骨块接触——从承重到载荷分担的关键转变——仍未得到充分表征。本研究量化了它们在轴向载荷下对结构刚度、钢板应变和断端间运动的影响。使用钛锁定加压钢板（LCP）固定的环氧-玻璃模拟骨测试了27种配置，变化骨折间隙（3-9 mm）、工作长度（49-121 mm）和钢板-骨距离（0-3 mm）。数字图像相关（DIC）用于测量应变和运动。接触事件通过力-位移响应中的特征转变手动识别，并得到钢板表面应变进展相应变化的支持。几何参数主导初始刚度（125-442 N/mm），在抬高配置中，初始刚度随钢板抬高和工作长度增加而降低。在高达600 N的载荷范围内，27种配置中有16种显示出与接触事件相关的非线性转变：骨块-骨块接触导致骨折间隙处刚度显著增加和应变停滞，而钢板-骨接触与接触部位上方的局部钢板表面应变停滞相关，同时骨折间隙处的应变继续增加。断端间运动在接触后停滞，证实了接触依赖性的载荷传递转变。响应面回归解释了初始刚度方差的81.9%和轴向断端间运动方差的89.6%，确定了与几何参数和选定交互项相关的特异性结果。总之，载荷依赖性接触事件与结构刚度、钢板表面应变进展和断端间运动的明显转变相关，补充了观察到的几何参数与初始力学行为之间的关联。
锁定钢板内固定术是治疗复杂骨折的重要方法，尤其适用于骨质疏松性骨折和干骺端区域，其角度稳定性和对钢板-骨加压的依赖性降低使其作为内固定器发挥作用。经典骨折固定概念区分承重型与载荷分担型结构：承重植入物承担大部分载荷，而载荷分担结构允许植入物与骨之间分配载荷，从而实现骨折部位可控变形。锁定加压钢板（LCP）在桥接配置中主要呈承重行为，但在生理载荷下，钢板变形可能导致骨折间隙闭合，进而引发钢板-骨接触和骨块-骨块接触，使结构向载荷分担转变。然而，这类接触事件的发生、顺序及其力学后果尚未被系统研究。既往研究多关注骨折间隙（FG）、工作长度（WL）和钢板-骨距离（PBD）等几何参数，但这些参数与力学结果的关系在不同研究中存在矛盾，提示可能存在接触相关的非线性机制。为此，研究人员通过系统变化FG、WL和PBD，在轴向加载下量化接触事件对结构刚度、钢板应变和断端间运动的影响，以建立理解载荷传递转变的机制框架。该研究发表于《Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery》。
为开展研究，研究人员使用了标准化实验装置：采用环氧-玻璃纤维复合管（Krülit 750）模拟皮质骨，其弹性模量（20.47 GPa）与人体皮质骨相当。使用钛合金锁定加压钢板（LCP 4.5/5.0，12孔）固定，骨折间隙设置为3、6、9 mm，工作长度通过螺钉位置调整为49、85、121 mm，钢板-骨距离通过定制夹具设为0、1、3 mm，共27种配置。每种配置独立组装一个试件，在伺服电机测试系统（Instron ElectroPuls E3000）上进行准静态轴向加载，载荷从10 N逐步增加至600 N。采用数字图像相关（DIC）系统测量钢板表面应变和断端间运动（IFM）。接触事件通过力-位移曲线中的特征斜率转变手动识别，并辅以钢板应变进展进行验证。统计采用二阶响应面回归模型，分析几何参数与初始刚度及轴向IFM的关联。
结果部分包括以下六个方面：
初始结构刚度：27种配置的初始刚度范围为125.4±0.2至441.8±4.3 N/mm。响应面模型解释了81.9%的方差（R2=0.819）。工作长度（p=0.017）和钢板-骨距离（p<0.001）及PBD二次项（p=0.002）显著关联，而骨折间隙无显著独立关联。直接接触（PBD0）的刚度高于抬高配置，且PBD0到PBD1的刚度下降明显，PBD1到PBD3变化较小。在抬高配置中，工作长度增加导致刚度降低，但在直接接触时无统一趋势。
接触发生与顺序：16/27配置在600 N内检测到接触事件，接触类型包括孤立骨块接触、孤立钢板-骨接触以及顺序接触（两个或三个接触转变）。首次接触载荷为80至590 N。接触仅在抬高配置中出现，顺序接触多见于PBD1以及工作长度85或121 mm。骨折间隙大小与接触载荷无单调关系。
接触诱导的刚度转变：力-位移曲线在接触前呈现初始线性段，随后部分配置出现斜率逐渐降低的板弯曲主导行为。骨块-骨块接触导致斜率显著增加，而钢板-骨接触引起斜率部分增加，但通常仍低于初始刚度。顺序接触产生多个斜率转变，反映结构支撑条件的逐步变化。
断端间运动：600 N时轴向IFM范围为1.9至9.8 mm。响应面模型解释了89.6%的方差（R2=0.896）。骨折间隙（p=0.0016）、PBD（p<0.001）、PBD二次项（p=0.027）和FG×PBD交互项（p=0.039）显著。直接接触配置的IFM最小，接触发生后位移进展出现停滞或部分减少。
骨折间隙处最大钢板应变：最大主应变随骨折间隙增大而增加，FG3为0.13–0.29%，FG6为0.29–0.44%，FG9为0.39–0.72%。骨块-骨块接触后应变不再随载荷增加，而钢板-骨接触并不一致地降低应变。
接触相关的应变转变：以代表性配置为例，无接触配置的应变曲线随载荷均匀分布，呈近似线性载荷-应变关系。骨块-骨块接触在约400 N发生后，骨折间隙处应变达到平台，尽管载荷继续增加，应变不再增长。钢板-骨接触则导致接触部位上方的局部应变停滞，但骨折间隙处应变仍继续增加。
讨论部分强调，接触事件是承重向载荷分担转变的离散力学标志。骨块接触使刚度显著增大并停止钢板应变，表明载荷直接经骨传递；钢板-骨接触改变局部弯曲轮廓，缩短有效工作长度，这可能是既往工作长度效应矛盾的原因。研究局限性包括模拟骨不能完全模拟人体骨的异质性和各向异性，每种配置仅一个独立试件、技术重复而非独立重复，载荷仅限轴向准静态600 N，接触识别依赖手动判断。此外，接触状态并非独立实验因素，无法进行因果推断。
结论部分：本研究证明，锁定钢板内固定术的力学行为并非仅由几何参数决定。骨块-骨块接触导致骨折间隙处应变停滞，提示向载荷分担固定转变；钢板-骨接触引起接触部位局部应变停滞而骨折间隙应变继续增加。这些接触依赖性转变在力-位移、断端间运动和应变分布中一致出现。载荷诱导的接触事件与桥接结构中载荷传递行为的显著改变相关，但在生物力学测试中解释刚度与应变时需考虑这些事件，其独立贡献和临床相关性需专门设计的研究进一步验证。
