基于3D打印技术的个性化骨折模型对骨合成固定生物力学性能的影响研究

《European Journal of Trauma and Emergency Surgery》：Impact of fracture morphology on the biomechanical stability of osteosynthetic fixation

本研究聚焦于解决传统骨折模型在生物力学测试中的局限性问题，通过对比传统截骨模型与个性化骨折模型，深入探究骨折形态对骨合成固定生物力学性能的影响，为优化骨合成固定方法提供重要依据，研究成果发表于《European Journal of Trauma and Emergency Surgery》。

　　骨折是临床上常见的创伤性疾病，其治疗后的稳定性和愈合效果一直是医学研究的重点。传统的生物力学测试多采用标准化的平面骨折模型，然而，这种模型无法准确模拟真实骨折的复杂几何形态和力学特性，导致实验结果与临床实际存在偏差。为了克服这一局限性，德国BG创伤诊所穆尔瑙（BG Unfallklinik Murnau）和帕拉塞尔苏斯医科大学萨尔茨堡（Paracelsus Medical University Salzburg）的研究人员开展了一项创新性研究，利用3D打印和模具技术，基于CT扫描数据生成个性化的股骨远端骨折模型，并与传统截骨模型进行对比，深入探究骨折形态对骨合成固定生物力学性能的影响。研究结果表明，个性化骨折模型在模拟真实骨折的生物力学行为方面具有显著优势，为优化骨合成固定方法、提高临床治疗效果提供了重要的理论依据，该研究发表于《European Journal of Trauma and Emergency Surgery》。

研究背景

骨折的治疗目标是恢复骨骼的稳定性和功能，而骨合成固定方法的生物力学性能是影响治疗效果的关键因素之一。传统的生物力学测试通常采用标准化的平面骨折模型，通过截骨手术制造出规则的骨折面。然而，这种模型无法准确模拟真实骨折的复杂几何形态和力学特性，例如骨折碎片的不规则形状、骨折线的曲折程度以及骨折间隙的存在与否等。这些因素在实际临床中对骨折的稳定性和愈合过程有着重要影响。因此，开发一种能够更准确模拟真实骨折的生物力学模型，对于优化骨合成固定方法、提高临床治疗效果具有重要意义。

研究方法

研究人员首先从一名男性患者的CT扫描数据中提取真实的股骨远端骨折（AO/OTA 33 A3）模型，利用3D打印和模具技术制造出个性化的骨折模型和完整的股骨模型。这些模型由聚氨酯和多种添加剂组成，其皮质骨和松质骨的力学性能已经通过机械验证，与人类股骨相当。随后，研究人员将这些个性化股骨模型分为四组，每组8个样本：截骨且无间隙（OC）、截骨且有5毫米间隙（OG）、个性化骨折且无间隙（RC）以及个性化骨折且有5毫米间隙（RG）。所有样本均采用7孔股骨远端锁定加压钢板（LCP DF）进行固定，由经验丰富的外科医生操作。固定后的样本在轴向和扭转加载下进行动态测试，模拟生理条件，并通过3D光学运动系统跟踪骨折碎片的运动。

研究结果

轴向刚度

轴向刚度测试结果显示，骨折间隙的存在与否对轴向刚度有显著影响。对于有间隙的模型（OG和RG），在骨折间隙闭合后，轴向刚度显著增加（p<0.001）。具体而言，OG模型在间隙闭合后刚度增加了267%，而RG模型增加了215%。这表明，骨折间隙的闭合使得骨合成固定结构从单纯的钢板承载转变为整体结构承载。在无间隙的模型（OC和RC）中，OC模型的轴向刚度比RC模型高出约24%（p<0.001），这可能是由于OC模型的光滑截骨边缘允许更紧密的接触，而RC模型的真实骨折边缘则存在微小的位移。

扭转刚度

扭转刚度测试结果显示，不同骨折模型之间的扭转刚度存在显著差异。具有截骨间隙的模型（OG）在所有组中扭转刚度最低，且在正向和负向扭转之间没有显著差异（p=0.563）。相比之下，具有真实骨折边缘的模型（RC和RG）表现出明显的扭转方向不对称性。RC模型在正向扭转时的刚度比负向扭转高出约70%（p<0.001），而RG模型在正向扭转时的刚度比负向扭转高出约99%（p<0.001）。这种方向不对称性反映了真实骨折的自然锁定特性，这种特性在平面截骨模型中是不存在的。

骨折碎片运动

通过3D光学运动系统对骨折碎片的运动进行分析，结果显示，间隙闭合的模型（OC和RC）在轴向和扭转方向上的骨折碎片运动显著减少。具体而言，OC模型在轴向运动上比OG模型减少了约93%，RC模型比RG模型减少了约80%。在扭转运动方面，OC模型比OG模型减少了约94%，RC模型比RG模型减少了约81%。这些结果表明，骨折间隙的闭合显著提高了骨合成固定结构的稳定性，减少了骨折碎片的运动。

研究结论与讨论

本研究通过对比传统截骨模型和个性化骨折模型，深入探讨了骨折形态对骨合成固定生物力学性能的影响。研究结果表明，个性化骨折模型在模拟真实骨折的生物力学行为方面具有显著优势，尤其是在扭转刚度和骨折碎片运动方面。这种优势主要归因于个性化骨折模型的复杂几何形态和自然锁定特性，这些特性能够更好地模拟真实骨折的力学环境，从而为优化骨合成固定方法提供重要的理论依据。此外，研究还强调了在生物力学测试中考虑骨折形态的重要性，指出传统的平面截骨模型可能无法准确反映真实骨折的生物力学特性，因此在临床应用中需要更加谨慎地选择和设计骨合成固定方法。未来的研究可以进一步探索不同骨折类型和治疗方案下的生物力学性能，以期为临床治疗提供更全面的指导。