切换至 "中华医学电子期刊资源库"

中华肩肘外科电子杂志 ›› 2025, Vol. 13 ›› Issue (01) : 6 -15. doi: 10.3877/cma.j.issn.2095-5790.2025.01.002

科研创新

仿生杠杆结构在骨折诊疗中的创新研究与应用
王昱傑1, 张殿英1,()   
  1. 1. 100044 北京大学人民医院创伤骨科 国家创伤医学中心 “创伤救治与神经再生”教育部重点实验室
  • 收稿日期:2024-10-31 出版日期:2025-02-05
  • 通信作者: 张殿英
  • 基金资助:
    北京大学人民医院研究与发展基金(RDZH2024-01)北京大学人民医院研究与发展基金(RDZH2023-02)国家自然科学基金(82472456)

Scientific Research Innovation Innovative research and application of biomimetic lever structures in fracture diagnosis and treatment

Yujie Wang, Dianying Zhang()   

  • Received:2024-10-31 Published:2025-02-05
  • Corresponding author: Dianying Zhang
引用本文:

王昱傑, 张殿英. 仿生杠杆结构在骨折诊疗中的创新研究与应用[J/OL]. 中华肩肘外科电子杂志, 2025, 13(01): 6-15.

Yujie Wang, Dianying Zhang. Scientific Research Innovation Innovative research and application of biomimetic lever structures in fracture diagnosis and treatment[J/OL]. Chinese Journal of Shoulder and Elbow(Electronic Edition), 2025, 13(01): 6-15.

仿生杠杆-重建平衡理论的提出使得研究人员对于全身骨骼的力学结构认识及仿生内固定的创新开发提供了全新的思路。在肱骨近端,悬臂-杠杆重建-不稳定理论指出,由于肱骨近端的省力杠杆结构,任何形式的内固定均无法达到完全稳定的固定效果,患者难以进行早期主动功能锻炼。锁骨及长骨骨折内固定术后同样能够简化为各种类型的杠杆系统,以阐释不同骨折线位置与内固定选择间的关系。依据股骨近端的骨小梁结构提出的杠杆-重建平衡理论充分说明了股骨近端骨折中应重建生理状态下的压力、张力骨小梁以使得内固定支点接近生理性支点,据此理论开发的仿生内固定产品股骨近端仿生髓内钉系统、股骨近端外侧壁仿生钉、股骨近端全仿生钉及股骨颈型仿生髖关节假体等与传统产品相比在生物力学实验及临床研究中均表现出了显著优势。

图1 股骨近端结构图 图A:股骨近端应力传导的骨小梁走向;图B:股骨近端杠杆结构示意图 注:红色箭头为动力,红色虚线为动力臂,黑色点为支点,蓝色箭头为阻力,蓝色虚线为阻力臂;图片由 BioRender 绘制
图2 新型股骨近端内固定系统 图A:PFLBN 示意图;图B:PFTBN 示意图 注:PFLBN 为股骨近端外侧壁仿生钉;PFTBN 为股骨近端全仿生钉
表1 股骨转子间骨折内固定术后分型
[1]
Frost HM.Wolff's Law and bone's structural adaptations to mechanical usage: an overview for clinicians [J].Angle Orthod,1994, 64(3): 175-188.
[2]
Do JH, Kim YS, Lee SJ, et al.Influence of fragment volume on stability of 3-part intertrochanteric fracture of the femur: a biomechanical study [J].Eur J Orthop Surg Traumatol, 2013, 23(4): 371-377.
[3]
张殿英, 郁凯, 杨剑, 等.“杠杆-支点平衡”理论——对股骨转子间骨折治疗的新认识 [J].中华创伤杂志, 2020, 36(7):647-651.
[4]
Orwig DL, Chan J, Magaziner J.Hip fracture and its consequences:differences between men and women [J].Orthop Clin North Am,2006, 37(4): 611-622.
[5]
Nawathe S, Nguyen BP, Barzanian N, et al.Cortical and trabecular load sharing in the human femoral neck [J].J Biomech, 2015, 48(5): 816-822.
[6]
Jang IG, Kim IY.Computational simulation of simultaneous cortical and trabecular bone change in human proximal femur during bone remodeling [J].J Biomech, 2010, 43(2): 294-301.
[7]
Nawathe S, Akhlaghpour H, Bouxsein ML, et al.Microstructural failure mechanisms in the human proximal femur for sideways fall loading [J].J Bone Miner Res, 2014, 29(2): 507-515.
[8]
张殿英."杠杆-支点重建"理论重新认识股骨转子间骨折内固定的过去和未来 [J].中华创伤骨科杂志, 2020, 22(10): 841-845.
[9]
张殿英, 张晓萌, 郁凯, 等.重视骨折固定与骨内、外在因素的关系 [J/CD].中华肩肘外科电子杂志, 2018, 6(2): 81-84.
[10]
望月智之.肩袖撕裂的解剖分层与治疗 [J/CD].中华肩肘外科电子杂志, 2016, 4(4): 256.
[11]
Cole BJ, Elattrache NS, Anbari A.Arthroscopic rotator cuff repairs:an anatomic and biomechanical rationale for different suture-anchor repair configurations [J].Arthroscopy, 2007, 23(6): 662-669.
[12]
Alidousti H, Giles JW, Emery RJH, et al.Spatial mapping of humeral head bone density [J].J Shoulder Elbow Surg, 2017, 26(9): 1653-1661.
[13]
王烨明, 魏万富.肱骨近端骨量分布特点的研究进展 [J].中国矫形外科杂志, 2021, 29(16): 1487-1490.
[14]
Hertel R, Hempfing A, Stiehler M, et al.Predictors of humeral head ischemia after intracapsular fracture of the proximal humerus [J].J Shoulder Elbow Surg, 2004, 13(4): 427-433.
[15]
张殿英.“悬臂-杠杆重建-不稳定”理论——肱骨近端骨折治疗的新理念 [J/CD].中华肩肘外科电子杂志, 2021, 9(4):289-292.
[16]
张殿英, 寇玉辉, 王艳华, 等.一种适用于肩袖缺失伴大结节骨折的同心变径肩关节假体, CN221308508U [P/OL].
[17]
张一翀, 王艳华, 张立佳,等.杠杆重建平衡理论分析锁骨骨折术后内固定失效的原因 [J/CD].中华肩肘外科电子杂志, 2021,9(4): 310-317.
[18]
Asadollahi S, Bucknill A.Acute medial clavicle fracture in adults: a systematic review of demographics, clinical features and treatment outcomes in 220 patients [J].J Orthop Traumatol, 2019, 20(1):24.
[19]
O'neill BJ, Hirpara KM, O'briain D, et al.Clavicle fractures: a comparison of five classification systems and their relationship to treatment outcomes [J].Int Orthop, 2011, 35(6): 909-914.
[20]
张殿英.基于杠杆重建理论对长骨干骨折内固定治疗的新认识[J].中华骨科杂志, 2022, 42(5): 265-271.
[21]
Li XP, Zhang P, Zhu SW, et al.All-cause mortality risk in aged femoral intertrochanteric fracture patients [J].J Orthop Surg Res,2021, 16(1): 727.
[22]
Chen XK, Xiong J, Liu YJ, et al.A rare complication of pelvic perforation by an excessive medial slide of the helical blade after treatment of an intertrochanteric fracture with proximal femoral nail anti-rotation: A case report and literature review [J].Chin J Traumatol, 2022, 25(2): 118-121.
[23]
Cheung CL, Ang SB, Chadha M, et al.An updated hip fracture projection in Asia: The Asian Federation of Osteoporosis Societies study [J].Osteoporos Sarcopenia, 2018, 4(1): 16-21.
[24]
Jamal AB, Hasan Khan MN, Sadiq M.Intertrochanteric Hip Fractures And Vitamin D Deficiency; A Significant Association [J].J Ayub Med Coll Abbottabad, 2021, 33(2): 257-261.
[25]
Hao Z, Wang X, Zhang X.Comparing surgical interventions for intertrochanteric hip fracture by blood loss and operation time: a network meta-analysis [J].J Orthop Surg Res, 2018, 13(1):157.
[26]
Nyholm AM, Palm H, Malchau H, et al.Lacking evidence for performance of implants used for proximal femoral fractures - A systematic review [J].Injury, 2016, 47(3): 586-594.
[27]
Sambandam SN, Chandrasekharan J, Mounasamy V, et al.Intertrochanteric fractures: a review of fixation methods [J].Eur J Orthop Surg Traumatol, 2016, 26(4): 339-353.
[28]
熊晨, 张立佳, 葛蒙, 等.基于杠杆平衡重建理论分析动力髋螺钉固定股骨转子间骨折的失效原因 [J].中华创伤骨科杂志,2022, 24(6): 515-521.
[29]
张晓萌, 郁凯, 王艳华, 等.股骨转子间骨折术后内固定失效特点及其原因分析 [J].中华创伤杂志, 2021, 37(5): 429-436.
[30]
张殿英, 郁凯, 赵晓涛,等.股骨近端仿生力臂重建支撑防旋髓内钉系统, CN209529309U [P/OL].
[31]
Wang Y, Chen W, Zhang L, et al.Finite Element Analysis of Proximal Femur Bionic Nail (PFBN) Compared with Proximal Femoral Nail Antirotation and InterTan in Treatment of Intertrochanteric Fractures [J].Orthop Surg, 2022, 14(9):2245-2255.
[32]
巩少康.不同髓内固定方式应用于股骨粗隆间骨折的有限元分析 [D].郑州:河南大学, 2023.
[33]
Shen X, Guo H, Chen G, et al.Finite element analysis of proximal femur bionic nail for treating intertrochanteric fractures in osteoporotic bone [J].Comput Methods Biomech Biomed Engin,2024: 1-12.
[34]
Yang Y, Tong Y, Cheng X, et al.Comparative study of a novel proximal femoral bionic nail and three conventional cephalomedullary nails for reverse obliquity intertrochanteric fractures: a finite element analysis [J].Front Bioeng Biotechnol,2024, 12: 1393154.
[35]
王宇钏, 程晓东, 朱燕宾,等.股骨近端仿生髓内钉远端不同锁定方式固定股骨转子间骨折的生物力学研究 [J].中华创伤骨科杂志, 2024, 26(2): 138-142.
[36]
张艳, 张一翀, 张殿英.股骨近端仿生髓内钉与股骨近端防旋髓内钉固定治疗老年股骨转子间骨折的效果比较 [J].中华创伤骨科杂志, 2024, 26(6): 487-492.
[37]
扈延龄, 张成栋, 宫海峰,等.股骨近端仿生髓内钉与第三代Gamma 钉固定治疗老年股骨转子间骨折的近期疗效比较 [J].中华创伤骨科杂志, 2024, 26(6): 467-472.
[38]
林栋, 陈长青, 王升,等.股骨近端仿生髓内钉与股骨近端防旋髓内钉固定治疗老年股骨转子间骨折的早期疗效比较 [J].中华创伤杂志, 2022, 38(11): 1027-1035.
[39]
李祖涛, 殷剑, 肖伟,等.股骨近端仿生髓内钉与股骨近端防旋髓内钉固定治疗老年股骨转子间骨折的近期疗效比较 [J].中华创伤骨科杂志, 2022, 24(6): 528-532.
[40]
王雨辰, 俞伟忠, 吴国明,等.两种股骨近端髓内钉固定股骨粗隆间骨折比较 [J].中国矫形外科杂志, 2023, 31(4): 300-304.
[41]
梁浩, 段文禹, 范小龙,等.股骨近端仿生与防旋转髓内钉固定的荟萃分析 [J].中国矫形外科杂志, 2024, 32(16): 1480-1485.
[42]
凌峰, 常锐.牵引器联合PFBN 仿生髓内钉治疗股骨转子间骨折短期疗效观察 [J].济宁医学院学报, 2023, 46(1): 30-33.
[43]
贾川, 俞伟忠, 王雨辰,等.股骨近端仿生髓内钉与InterTAN 髓内钉治疗老年股骨粗隆间骨折的疗效比较 [J].实用临床医药杂志, 2023, 27(21): 88-91.
[44]
Fu H, Hu L, Zou F, et al.A Comparative Study of the Early Postoperative Outcome of Three Intramedullary Fixation Modalities in the Treatment of Intertrochanteric Fractures of the Femur in the Elderly [J].J Musculoskelet Neuronal Interact, 2024, 24(3):310-317.
[45]
Yang D, Wang Q, Luan Z, et al.[Effectiveness of proximal femur bionic nail for intertrochanteric fracture in the elderly] [J].Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi, 2023, 37(10):1198-1204.
[46]
Duan W, Liang H, Fan X, et al.Research Progress on the Treatment of Geriatric Intertrochanteric Femur Fractures with Proximal Femur Bionic Nails (PFBNs) [J].Orthop Surg, 2024, 16(10): 2303-2310.
[47]
Yu X, Wang H, Duan X, et al.Intramedullary versus extramedullary internal fixation for unstable intertrochanteric fracture, a metaanalysis [J].Acta Orthop Traumatol Turc, 2018, 52(4): 299-307.
[48]
Kashigar A, Vincent A, Gunton MJ, et al.Predictors of failure for cephalomedullary nailing of proximal femoral fractures [J].Bone Joint J, 2014, 96-b(8): 1029-1034.
[49]
Chen P, Fan Z, Xu N, et al.A biomechanical investigation of a novel intramedullary nail used to salvage failed internal fixations in intertrochanteric fractures [J].J Orthop Surg Res, 2023, 18(1):632.
[50]
Meinberg EG, Agel J, Roberts CS, et al.Fracture and Dislocation Classification Compendium-2018 [J].J Orthop Trauma, 2018, 32 Suppl 1: S1-S170.
[51]
张世民, 余斌.AO/OTA-2018 版股骨转子间骨折分类的解读与讨论 [J].中华创伤骨科杂志, 2018, 20(7): 583-587.
[52]
张殿英.基于杠杆-支点平衡理论重新认识股骨近端外侧壁的作用 [J].中华创伤杂志, 2022, 38(6): 481-486.
[53]
张殿英, 姜保国, 王艳华,等.一种股骨近端骨折仿生外侧壁的髓内钉系统, CN115624377A [P/OL].
[54]
张殿英, 姜保国, 王艳华,等.一种新型的股骨近端全仿生髓内钉内固定系统, CN115624378A [P/OL].
[55]
张殿英.基于杠杆重建平衡理论的股骨转子间骨折内固定术后稳定性分型探索 [J].中华创伤骨科杂志, 2024, 26(6): 461-466.
[56]
Chen X, Tang M, Zhang X, et al.A Novel Internal Fixation Design for the Treatment of AO/OTA-31A3.3 Intertrochanteric Fractures:Finite Element Analysis [J].Orthop Surg, 2024, 16(7): 1684-1694.
[57]
张晓萌, 王艳华, 姬云, 等.股骨转子间骨折内固定术后初始负重稳定性的研究 [J].中华骨科杂志, 2024, 44(7): 492-498.
[58]
张殿英.基于杠杆支点重建理论股骨颈骨折内固定的治疗策略[J].中华骨科杂志, 2021, 41(12): 737-743.
[59]
刘以俊, 芦浩, 张殿英.不同OTA/AO 分型股骨颈骨折内固定术后并发症特点及原因分析 [J].中华创伤杂志, 2021, 37(4):333-338.
[60]
Cheng X, Yang Y, Zhu J, et al.Finite element analysis of basicervical femoral neck fracture treated with proximal femoral bionic nail [J].J Orthop Surg Res, 2023, 18(1): 926.
[61]
Ding K, Zhu Y, Zhang Y, et al.Proximal femoral bionic nail-a novel internal fixation system for the treatment of femoral neck fractures:a finite element analysis [J].Front Bioeng Biotechnol, 2023, 11:1297507.
[62]
Hasan K, Shankar S, Sharma A, et al.Hip surgery and its evidence base: progress over a decade? [J].J Orthop Traumatol, 2016, 17(4):291-295.
[63]
Kheir MM, Drayer NJ, Chen AF.An Update on Cementless Femoral Fixation in Total Hip Arthroplasty [J].J Bone Joint Surg Am,2020, 102(18): 1646-1661.
[64]
张殿英.基于杠杆重建平衡理论对保留股骨颈型髋关节置换的回顾与展望 [J].中华骨科杂志, 2022, 42(18): 1191-1196.
[65]
Zhang X, Wang Y, Zhang L, et al.Biomechanical Properties of Bionic Collum Femoris Preserving Hip Prosthesis: A Finite Element Analysis [J].Orthop Surg, 2023, 15(4): 1126-1135.
[66]
Ding Z, Wang J, Wang Y, et al.Bionic reconstruction of tension trabeculae in short-stem hip arthroplasty: a finite element analysis[J].BMC Musculoskelet Disord, 2023, 24(1): 89.
[67]
张晓萌, 王艳华, 张立佳,等.仿生表面髋关节假体生物力学性能的有限元分析 [J].中华骨科杂志, 2021, 41(24): 1795-1802.
[68]
张殿英, 刘念, 马信龙,等.一种方便置换的仿生型表面髋关节假体, CN113397767A [P/OL].
[1] 刘圆, 夏琪鹏, 徐洪涛, 程建和, 王建平, 冯皓, 周江军, 赵敏. 新型组合式锁定钢板治疗股骨髓内钉术后骨不连[J/OL]. 中华关节外科杂志(电子版), 2025, 19(01): 102-108.
[2] 王友良, 杜基朋措, 杨忠, 陈凯. 膝关节镜辅助与常规手术治疗胫骨平台骨折的疗效对比[J/OL]. 中华关节外科杂志(电子版), 2025, 19(01): 39-45.
[3] 董佩龙, 李志云, 朱波涛, 王兆东, 唐晓波. 后交叉韧带胫骨止点骨折两种手术方式疗效比较[J/OL]. 中华关节外科杂志(电子版), 2024, 18(06): 800-807.
[4] 谭飞, 王静, 曾健康, 李嘉欢, 李培杰, 汪昕, 乔永杰, 叶铄, 周胜虎. 顺行髓内钉与不同逆行技术治疗第5掌骨颈骨折[J/OL]. 中华关节外科杂志(电子版), 2024, 18(06): 742-750.
[5] 沈建成, 阮安民, 刘壮. 两种关节评分联用评价两种手术治疗老年股骨粗隆间骨折[J/OL]. 中华关节外科杂志(电子版), 2024, 18(03): 329-336.
[6] 欧梁, 齐麒, 胡伟伟, 卢敏, 黄彦昌, 黄维琛, 匡建军. 股骨颈动力交叉钉系统与其它内固定治疗股骨颈骨折对比[J/OL]. 中华关节外科杂志(电子版), 2024, 18(01): 92-105.
[7] 刘瀚忠, 黄生辉, 万俊明, 李家春, 舒涛. 髌上入路和髌旁外侧入路髓内钉治疗胫骨骨折疗效比较[J/OL]. 中华关节外科杂志(电子版), 2023, 17(06): 795-801.
[8] 周钰涵, 李阳, 史浩冉, 赵晨成, 段广斌. 肱骨近端骨折的临床治疗进展[J/OL]. 中华肩肘外科电子杂志, 2025, 13(01): 56-61.
[9] 王晓梅, 刘宇, 董金磊, 刘凡孝, 王成龙, 李连欣. 单一前方入路内固定对肱骨近端骨折合并肱骨头后脱位的疗效分析[J/OL]. 中华肩肘外科电子杂志, 2024, 12(04): 319-325.
[10] 丁镇涛, 邢博涵, 曲洋, 王泊江, 张培训. 老年肱骨近端骨折的围手术期治疗策略[J/OL]. 中华肩肘外科电子杂志, 2024, 12(04): 292-294.
[11] 单磊, 周君琳. 同期修复肩袖撕裂结合锁定钢板治疗老年肱骨近端骨折的特点及疗效分析[J/OL]. 中华肩肘外科电子杂志, 2024, 12(03): 211-215.
[12] 乐佳迪, 蔡乐益, 陈思源, 鲁建鹏, 陈龙. 肱骨近端骨折经微创钢板接骨术治疗术后的放射学测量与肩关节功能关系[J/OL]. 中华肩肘外科电子杂志, 2024, 12(01): 61-68.
[13] 窦海伟, 哈巴西·卡肯, 艾尼瓦尔·达毛拉, 米尔阿里木·木尔提扎, 赵巍, 它依尔江·举来提, 王利. 基于多准则决策的半髋关节置换术与PFNA治疗外侧壁粉碎股骨转子间骨折风险-效益评价[J/OL]. 中华老年骨科与康复电子杂志, 2025, 11(01): 14-21.
[14] 杨鹏, 刘冲. PFNA治疗老年股骨转子间骨折后隐匿性失血及其危险因素的横断面研究[J/OL]. 中华老年骨科与康复电子杂志, 2023, 09(05): 301-306.
[15] 江起庭, 姚翔, 何兵, 邱福平, 程健, 王斌, 杨玲玲. 双“8”字捆绑联合双克氏针在陈旧性骨性锤状指中的临床应用[J/OL]. 中华临床医师杂志(电子版), 2024, 18(01): 24-29.
阅读次数
全文


摘要