骨质疏松性肱骨近端骨折 PMMA 骨水泥强化螺钉钢板固定的有限元分析

王伟斌，袁欣华，扶青松，韩欣攸 （中国科学院大学宁波华美医院，浙江 宁波 315010）

【摘要】 目的：借助有限元分析的方法探讨肱骨近端聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）骨水泥 强化螺钉钢板固定对骨质疏松性肱骨近端骨折内固定稳定性的影响。

方法：制作肱骨近端 2 部分骨折伴干骺端骨缺损 的不稳定肱骨近端骨折数字化模型，分别建立肱骨近端骨水泥强化螺钉钢板固定及普通螺钉钢板固定的有限元模型， 分析螺钉周围松质骨应力、整体刚度、钢板最大应力及螺钉最大应力。

结果：肱骨近端骨水泥强化螺钉钢板固定的头端 6 枚螺钉周围松质骨最大应力分别为：1 号钉 1．07 MPa，2 号钉 0．43 MPa，3 号钉 1．16 MPa，4 号钉 0．34 MPa，5 号钉 1．99 MPa， 6 号钉 1．57 MPa， 普通螺钉钢板固定为：1 号钉 2．68 MPa，2 号钉 0．67 MPa，3 号钉 4．37 MPa，4 号钉 0．75 MPa，5 号钉 3．30 MPa、6 号钉 2．47 MPa。两组模型的整体刚度分别为：骨水泥结构 448 N ／ mm、普通结构 434 N ／ mm。钢板的最大应 力均出现在结合孔：骨水泥结构 701 MPa、普通结构 420 MPa。螺钉的最大应力均出现在 4 号钉的尾端：骨水泥结构 284 MPa、普通结构 240．8 MPa。

结论：通过有限元分析的方法证实肱骨近端 PMMA 骨水泥强化螺钉钢板固定骨质疏松 性肱骨近端骨折能有效减少螺钉周围松质骨应力，增强骨折术后初始稳定性，从而防止螺钉穿出及肱骨头塌陷的 发生。

【关键词】 肱骨近端骨折；骨水泥；螺钉强化；有限元分析

   肱骨近端骨折约占所有骨折的 5％，占肱骨骨折 的 45％［1］ 。主要发生于老年骨质疏松人群。目前存在 多种手术 方 法 ，包 括 髓 内 、髓 外 固 定 和 肩 关 节 置 换［2－3］ 。手术内固定的主要目的在于提供良好的初始 稳定性，便于早期功能锻炼。但是骨质疏松患者的螺 钉把持力明显下降，导致内固定的初始稳定性下 降［4］ 。随着锁定钢板在肱骨近端的广泛应用，内固定 初始稳定性有所提升，但仍有 13％的内固定失效 率［5－6］ 。多项生物力学实验证明肱骨近端骨水泥强化 螺钉钢板固定能有效提升初始稳定性［7－9］ 。一项临床 研究也同样证实， 肱骨近端骨水泥强化螺钉钢板固 定能减少术后早期复位丢失及螺钉穿出［10］ 。但目前 尚无相关有限元研究。本文拟通过有限元分析的方法， 探讨肱骨近端聚甲基丙烯酸 甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA） 骨水泥强化螺钉钢板固定对 骨质疏松性肱骨近端骨折内固定 稳定性的影响， 进一步证明其在 提高内固定初始稳定性方面的作 用，为临床应用提供参考。

1、资料与方法 

1. 1 CT 三维重建肱骨近端模型获取选 择 1 名 65 岁 女 性 ， 体 重 55 kg，影像检查及临床排除畸形， 无创伤及手术史， 行肩关节薄层 CT 扫描， 将 CT 扫描图像数据导 入 Mimics 21．0 软件中， 确定坐标 轴方向，并且根据 CT 灰度值提取 目标骨轮廓。对该模型经过包覆 （warped） 以 及 光 滑 （smoothed） 处 理， 获得 STL 格式文件的几何模 型。为了在通用三维建模软件 UG 中使上述人体肱骨模型与钛合金 钢板模型相配合，因此需要将 STL 格式文件的点云模型在 Geomagic Studio 进行转换，并导出 STP 格式 的三维几何模型。见图 1。

1. 2 建立肱骨近端骨折内固定 的有限元模型 

1. 2. 1 钛合金锁定钢板、螺钉及 骨水泥结构网格模型 手术中所 使用的钛合金钢板为曲面结构， 并带有锁定螺纹。正常钛合金螺 钉为实心钉（直径 3．5 mm），但注 射骨水泥的钛合金螺钉为空心结构（外径 3．5 mm，内径 1．7 mm，距离末端 2 mm 处有 3 个侧向开孔）。实心钉头端距关节面 5～7 mm，长度 为偶数；空心钉长度在正常实心钉长度的基础上再 短 4 mm。设 置 骨 水 泥 结 构 为 半 径 4．5 mm、 高 度 6．8 mm 的圆柱体结构，体积 0．5 ml，由于骨水泥与骨 小梁紧密结合， 因此可视骨水泥与骨骼接触区域在 变形时有相同的位移，分析时将骨水泥处理成如 图 2 中所示的结构。为了获得良好的网格质量，在有 限元网格前处理软件 Hypermesh2020 中划分网格。锁定钢板、 钛合金螺钉以及骨水泥结构的有限元网 格图见图 2。

1. 2. 2 整体装配示意图以及材料属性 制作肱骨 近端二部分不稳定性骨折，外科颈处缺损 1 cm［11］ 。复位后钢板螺钉内固定。为了后续有限元分析材料赋 值方便，将骨折处以上部分视为松质骨区域，将骨折 处以下部分视为皮质骨区域。有限元分析中皮质骨 和松质骨模型见图 3。

   由于需要定量分析骨水泥强化对肱骨近端术后 提升的影响，选定不同钢钉作为对比分析，比较不同 部位施加骨水泥结构后模型应力的变化。增加骨水 泥结构的钛合金钢钉位置见图 4， 各个部件的材料 参数以及网格类型见表 1［12］ 。

2. 2 钢板及螺钉最大应力

   通过观察两个结构中钢板及螺钉的应力云图， 发现钢板应力均集中在结合孔的部位， 其中骨水泥 结构的钢板最大应力为 701 MPa， 普通结构的钢板 最大应力为 420 MPa。对所有螺钉的最大应力进行 分析发现，2 个结构中 4 号钉尾部的应力最大，其中 骨水泥结构中 4 号钉最大应力为 284 MPa， 普通结 构中 4 号钉最大应力为 240．8 MPa。两种结构的整体 应力云图见图 7、图 8。

2. 3 不同位置螺钉周围松质骨应力分析 

   为了比较增加骨水泥结构螺钉和普通螺钉支撑 下的肱骨近端螺钉附近的应力大小，对①－⑥号螺钉 钉位置附近的松质骨应力做了汇总（图 9），为了方 便在后处理中提取与螺栓接触的肱骨内部结构的应 力， 在有限元计算时增加了厚度为 0．001 mm 的蒙 皮， 同时在结果提取时统一设定应力云图的上下限 数值以便于相互比较。

   图 9 中：1 号位置处骨水泥结构周围松质骨最 大应力只有 1．07 MPa， 而普通螺钉周围松质骨最大 应力为 2．68 MPa， 骨水泥结构的增强使得该位置处 松质骨最大应力减小了 60．1％。2 号位置处骨水泥结 构周围松质骨最大应力为 0．43 MPa， 而普通螺钉的 周围松质骨最大应力为 0．67 MPa， 骨水泥结构的增强使得该位置处松质骨最大应力减小了 35．8％。3 号 位 置 处 骨 水 泥 结 构 的 周 围 松 质 骨 最 大 声 应 力 为 1．16 MPa， 而普通螺钉的周围松质骨最大应力为 4．37 MPa， 骨水泥结构的增强使得该位置处松质骨 最大应力减小了 73．4％。4 号位置处骨水泥结构的周 围松质骨最大应力为 0．34 MPa， 而普通螺钉的周围 松质骨最大应力为 0．75 MPa， 骨水泥结构的增强使 得该位置处松质骨最大应力减小了 54．7％。由于 5 号位置处螺钉没有骨水泥， 但是 1～4 号螺钉骨水 泥依然对 5 号区域的周围松质骨最大应力产生影 响， 比较骨水泥结构的螺钉和普通结构螺钉的周围 松质骨最大应力， 可以发现骨水泥结构的周围松质 骨最大应力只有 1．99 MPa， 而普通螺钉的周围松质 骨最大应力为 3．30 MPa， 骨水泥结构的增强使得该 位置处周围松质骨最大应力减小了 39．7％。同样，对 于 6 号位置而言， 骨水泥结构的周围松质骨最大应 力只有 1．57 MPa， 而普通螺钉的周围松质骨最大应 力为 2．47 MPa， 骨水泥结构的增强使得该位置处周 围松质骨最大应力减小了 36．4％。见表 2。

3 讨论 

   尽管肱骨近端骨折的内固定方式不断发展，但 肱骨头螺钉的牢固锚定仍是这些内固定方式的薄弱 环节，也是导致内固定失效的主要原因［7］ 。目前增加内固定术后的初始稳定性的方法主要有以下几种：肱骨距螺钉，空腔骨替代物或自体骨填充，髓内腓骨 植入及螺钉头端骨水泥强化［14－15］ 。肱骨距螺钉能有 效增强肱骨近端的内侧支撑， 但部分患者可能因为 骨骼较小或者术者内固定放置问题导致肱骨距螺钉 无法植入或者无法植入至正确位置［16］ 。肱骨近端骨 折常与骨质疏松相关， 骨折后肱骨头骨质压缩导致 头下形成巨大空腔，影响稳定性。不同的学者应用不 同的材料对空腔进行填充，包括硫酸钙骨水泥、磷酸 钙骨水泥、PMMA 以及自体髂骨，均能有效提升肱骨 近端骨折的稳定性，但是存在植入困难、影响骨折愈 合等问题。髓内植入腓骨能有效增强肱骨近端骨折 内固定术后的初始稳定性， 而且在骨折愈合后能进 一步增强局部的稳定性， 但是很多医院无法获取腓 骨以及价格昂贵的问题导致该方法推广困难。

    肱骨近端螺钉头端骨水泥强化固定的使用不需要改变原有手术的操作流程， 仅需更换部分螺钉为 空心螺钉然后进行骨水泥强化即可， 是一个比较简 便的办法。2012 年 UNGER 等［9］ 通过 12 对共 24 件 新鲜冷冻肱骨近端标本制作肱骨近端 3 部分骨折伴 干骺端 1 cm 骨缺损不稳定骨折模型。作者将标本分 成普通螺钉钢板固定组及骨水泥强化螺钉钢板固定 组，分别进行整体弯曲测试及轴向旋转测试。结果发 现骨水泥强化螺钉钢板组的最大整体弯曲应力及最 大轴向旋转应力均较对照组高， 而且存在统计学意 义。2013 年 KATHREIN 等［11］ 通过新型肩关节生物力 学测试仪对 6 对新鲜冷冻肱骨近端进行测试， 同样 证实使用骨水泥强化螺钉钢板固定肱骨近端骨折较 普通螺钉钢板固定有更大的抗弯曲能力。本文通过 建立肱骨近端 2 部分骨折伴干骺端 1 cm 骨缺损的 不稳定肱骨近端骨折有限元模型， 对螺钉周围松质 骨最大应力进行分析， 可以看到骨水泥结构中所有 6 枚螺钉的周围松质骨最大应力均较普通结构有不 同程度的减少。即使 2 枚没有进行骨水泥强化的螺 钉周围骨质也因为其他螺钉的稳定性增强， 而应力 相对减少。螺钉周围松质骨最大应力减少，说明在受 同等力情况下螺钉对周围松质骨的破坏减少， 能有 效减少螺钉的松动、 稳定肱骨头， 从而减少螺钉穿 出、肱骨头塌陷内翻的发生，提高肱骨近端骨折内固 定术后的初始稳定性。这样的实验结果也在临床研 究中得到证实。2018 年 KATTHAGEN 等［10］ 回顾性分 析 24 例应用肱骨近端骨水泥强化螺钉钢板内固定 治疗的肱骨近端骨折， 发现 24 例均未发生螺钉穿 出。作者进一步通过性别、年龄及骨折类型匹配24 例应用普通肱骨近端钢板螺钉治疗的肱骨近端 骨折， 对两组病例进行对比分析发现普通螺钉钢板 固定组的螺钉穿出率在 16．6％， 明显高于骨水泥强 化螺钉钢板组。2019 年 SIEBENBURGER 等［17］ 回顾 性分析 55 例进行手术治疗的肱骨近端骨折， 其中 39 例进行了螺钉骨水泥强化。骨水泥强化固定组的 总体并发症发生率为 12．8％， 普通螺钉固定组的总 体并发症发生率为 16．3％。其中骨水泥强化固定组 内固定失效为 5．1％，普通螺钉固定组为 10．9％。

   通过对整体结构钢度的分析发现骨水泥螺钉强 化固定组较普通螺钉固定组有略微的提升。因为有 限元分析中螺钉和骨界面是固定的， 因此结构的整 体刚度主要来自钢板， 所有两组结构的刚度没有太 大的差别。不过这也证实肱骨近端空心螺钉的使用 并没有降低钢板螺钉固定的整体强度。另外通过对 钢板的整体应力分析发现钢板应力集中部位位于结 合孔的位置， 这也是临床研究中发现最容易出现钢 板断裂的位置， 间接证实了本实验有限元模型的准 确性。

   综上所述， 本研究通过有限元的方法证实 PMMA 骨水泥强化螺钉钢板固定骨质疏松性肱骨近端 骨折能有效减少螺钉对周围骨质的应力， 从而减少 术后螺钉穿出、肱骨头塌陷等相关并发症，提升肱骨 近端骨折术后的疗效。但临床应用效果需要进一步 大样本的随机对照研究进行证实。

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