FNS植入物应力分析和骨应变比较
股骨颈动力交叉钉系统的植入物应力分析和
骨应变比较以及股骨颈骨折固定的现有治疗方案
Dana J. Coombs, Mirko Rocci, This Aebi, David Müller, Michael Bushelow (DePuy Synthes, West Chester, USA, Zuchwil, Switzerland)
结论：
总之，第一项研究表明，虽然较长的股骨颈抗旋螺钉可能会有略微更高的稳定性，但使用尺寸匹配的植入物组件最适合于达到整个植入物内的应力分布。
第二项研究表明，从生物力学的角度来看，在步态负载和侧向跌落负载过程中，FNS的转子下骨折的潜在风险低于CSS和DHS。
目的
据预计，髋部骨折的发生将从目前的400万上升至2050年的630万。在这些髋部骨折中，有50％是股骨颈骨折，这是创伤最严重的老年人损伤之一。1
DePuy Synthes股骨颈动力交叉钉系统（FNS）专门设计用于此类难治性骨折的固定。植入物包括一个1孔或2孔侧板、5.0 mm锁定头螺钉和带互锁股骨颈抗旋螺钉（ARScrew）的股骨颈动力棒。与3个空心螺钉相比，FNS对内翻塌陷（下肢/颈部缩短）的抵抗力至少高100％，对旋转稳定性的抵抗力至少高150％。2,3同时，与滑动髋关节螺钉相比，系统的植入物足迹更少、切口尺寸更小，并且在前15 mm的受控退钉中没有侧向突出。4
本文包括关于FNS的两项研究5：第一项研究是：与股骨颈动力棒相比，使用短5 mm或长5 mm的股骨颈抗旋螺钉的骨和植入物的负载分布。此项研究的目的是确定更长或更短的股骨颈抗旋螺钉是否会导致骨切出风险以及植入物疲劳失效的潜在变化。
第二项研究分析了股骨近端外侧植入物引起的骨应变，并将结果与滑动髋关节螺钉系统以及多个空心螺钉的结果进行了比较。目的是确定使用FNS代替现有两种解决方案时的股骨转子下骨折的风险是否有变化。
研究 ①
图1：Pauwels II型骨折情况下的股骨近端分割（以FNS为例）
方法：通过CT扫描数据的股骨近端分割来定义所有植入物模型的组成部分（来自一名72岁的女性，白种人，身高163 cm，105 kg）。股骨骨折定义为与横截面成50度角（Pauwels II型骨折），位于股骨颈的基底部（图1）。基于CT数据中的Hounsfield单位，使用代表股骨的网格空间映射材料属性定义了有限元模型。6
股骨的负载是根据用于测试髋关节植入物的实际步态负载定义的。7将压缩应变-0.7％用作压缩中的股骨小梁的失效标准。8该应变表明发生骨折，从而可能发生切出。还测量了FNS植入物组件的最大主应力，以预测疲劳性能并对其进行排序。
图2：骨应变量随着股骨颈抗旋螺钉长度的变化
结果：使用低于破坏阈值（-0.7％）的骨应变量，因为这可以提供平均结果，并且可以避免基于应力或应变极低的单个元素或少量局部元素的夸大结果。这一情况可能发生在较小的结构上（例如：螺纹头或较小的接触区域）。该应变量可以指示植入物在骨内移动的潜在风险。
结果表明，低于阈值-0.7％的骨应变量随着股骨颈抗旋螺钉增加5 mm而略微减少（从85 mm股骨颈抗旋螺钉至90 mm股骨颈抗旋螺钉，减少-4.5％），而股骨颈抗旋螺钉缩短5 mm可使骨应变量略微增加（从85 mm股骨颈抗旋螺钉至80 mm股骨颈抗旋螺钉，增加1.1％）。总体结果可参见图2。
在所有设置情况下，最大主应力（在股骨颈接骨板和股骨颈抗旋螺钉中，针对FNS约为450 MPa）低于容许应力应变（690 Mpa）。通过使用改良Goodman疲劳预测模型，计算了容许应力，其中R比率= 10，使用了报告的Ti-6Al-7Nb（TAN）的最小值；旋转梁疲劳（RBF）= 540 MPa，屈服强度（YS）= 690 MPa，极限抗拉强度（UTS）= 1100 MPa。9此项研究是基于骨折的平均步态。实际上，对于术后康复方案，存在一段愈合时间，导致股骨的负载显著降低。
图3：最大主应力随着股骨颈抗旋螺钉长度的变化
此项研究还评价了不同FNS植入物组件（股骨颈接骨板、股骨颈动力棒和股骨颈抗旋螺钉）的最大主应力。分析表明，使用长5 mm的股骨颈抗旋螺钉导致的股骨颈动力棒应力变化最小（ 1.0％），并且针对股骨颈抗旋螺钉的应力增加（ 14.3％）。针对短5 mm的股骨颈抗旋螺钉的结果表明，股骨颈动力棒（ 6.7％）和股骨颈抗旋螺钉（ 13.8％）的应力均增加。在所有设置情况下，股骨颈接骨板上的应力均相似（分别为-1.3％和0.0％）。结果可参见图3
左图4：骨表面应变 - 步态负载
右图5：骨表面应变 - 侧向跌落负载
研究②
方法：研究2使用了来自CT扫描数据的相同几何形状分割、相同的Pauwels II型骨折以及相同的股骨网格的材料映射过程。
对于此项研究，评价了股骨转子下骨折的风险，以比较FNS（带1孔股骨颈接骨板和1枚锁定头螺钉）、FNS（带2孔股骨颈接骨板和2枚锁定头螺钉）、DePuy Synthes动态髋关节螺钉（DHS）系统（包括不锈钢（SST）和Ti6％Al-7％Nb（TAN）），以及DePuy Synthes空心螺钉系统（CSS）（SST和TAN）。考虑到了步态负载和侧向跌落负载10。
在转子下表面，评价的拉伸应变为0.61％，代表拉伸失效标准8，因而表明存在骨折。虽然这一失效标准是针对松质骨定义的，但在第二项研究中已将其用于皮质骨，因为该应变标准仍被视为不同植入物之间进行相对比较的有用指标。
结果：在步态负载和侧向跌落负载过程中，研究表明了位于转子下表面的元件上的最大主应变的最大值。结果清楚表明，CSS包含最大应变。仅使用了50％的侧向负载，因为模型在使用全侧向负载时不会汇聚。结果如图4和图5所示，列表结果见图6。
图6：步态负载和侧向跌落负载过程中的转子下表面的最大主应变
基于步态负载，在股骨转子下表面评价了大于阈值的拉伸应变量（使用0.15％的任意阈值，因为拉伸应变不超过0.61％的阈值）。与FNS和DHS相比，CSS的应变量更大，而FNS的应变量大于DHS。但是，为了评价转子下骨折的潜在风险，最大主应变的最大值与大于阈值的拉伸应变量更相关。
基于50％的侧向跌落负载，在股骨转子下表面评价了大于阈值（0.61％）的拉伸应变量。DHS和CSS的应变量大于FNS。但是，如前所述，为了评价转子下骨折的潜在风险，最大主应变的最大值
与大于阈值的拉伸应变量更相关。拉伸应变量的总结可参见图7。
图7：步态负载> 0.15％应变和50％侧向跌落负载> 0.61％应变的过程中的转子下表面的最大主应变量
结论
总之，第一项研究表明，虽然较长的股骨颈抗旋螺钉可能会有略微更高的稳定性，但使用尺寸匹配的植入物组件最适合于达到整个植入物内的应力分布。
第二项研究表明，从生物力学的角度来看，在步态负载和侧向跌落负载过程中，FNS的转子下骨折的潜在风险低于CSS和DHS。
参考文献
1. Filipov O. Epidemiology and social burden of the femoral neck fractures. Journal of IMAB. 2014; 20(4):516-518.
2. Stoffel K, Zderic I, Gras F, Sommer C, Eberli U, Mueller D, Oswald M, Gueorguiev B. Biomechanical evaluation of the femoral neck system in unstable Pauwels III femoral neck fractures: a comparison with the dynamic hip screw and cannulated screws. J Orthop Trauma. 2017; 31(3):131-137.†
3. DePuy Synthes报告：骨泡沫中的静态切穿旋转试验。2018年。参考编号：0000277853。†
4. DePuy Synthes报告：FNS设计与操作比较。2018年。参考编号：0000274963。†
5. DePuy Synthes报告：FNS与DHS和中空螺钉骨应变和植入物应力的比较。2019年。参考编号：0000285879。†
6. Morgan EF, Bayraktar HH, Keaveny TM. Trabecular bone modulus-density relationships depend on anatomic site. J Biomech. 2003 Jul; 36(7):897-904.
7. Bergmann G, Graichen F, Rohlmann, Bender A, Heinlein B, Duda G.N. Realistic loads for testing hip implants. Bio-Medical Materials and Engineering. 2010 Jan 1; 20(6):381.
8. Morgan EF, Keaveny TM. Dependence of yield strain of human trabecular bone on anatomic site. J Biomech. 2001 May; 34(5):56977.
9. Disegi, J. AO ASIF Titanium 6% Aluminum 7% Niobium Implant Material. 6/93 Rev. 2/00 J3050.
10. Keyak, J.H. Relationships between femoral fracture loads for two load configurations. J Biomech. 2000; 33:499-502.
†台架试验不能代表临床性能。
Item Number：161665-201203
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此项研究是DePuy Synthes申办的研究。部分或全部作者可能是DePuy Synthes或其他Johnson & Johnson公司的雇员。本文尚未在同行评审期刊上发表