不銹鋼接骨板和骨釘斷裂失效分析

龔桂仙 吳立新 張友登

(武鋼研究院 湖北 武漢:430080)

0 引言

不銹鋼接骨板和骨釘是醫(yī)用外科手術(shù)中用于固定斷骨的醫(yī)用植入器械,植入人體待斷骨基本愈合后再手術(shù)取出。由于人體的體重、運(yùn)動(dòng)等因素使得接骨板和骨釘?shù)氖芰η闆r非常復(fù)雜,所以該植入物斷裂失效時(shí)有發(fā)生。為了找出該組件斷裂失效的原因,利用光學(xué)金相顯微鏡和電子探針等分析手段,對(duì)植入患者體內(nèi)三個(gè)月后發(fā)生斷裂的不銹鋼接骨板和骨釘進(jìn)行了相關(guān)的觀察和分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料

檢驗(yàn)材料取自發(fā)生在患者體內(nèi)斷裂的不銹鋼接骨板(全稱為直型加壓接骨板)和骨釘(全稱為骨髓內(nèi)釘)。其中接骨板規(guī)格型號(hào)為5mm×14mm× 160mm,外側(cè)為凸面,內(nèi)側(cè)為凹面,其上有8個(gè)加壓型長(zhǎng)孔;骨釘規(guī)格型號(hào)為Ф8mm×360mm。

2 實(shí)驗(yàn)方法

首先分別在不銹鋼接骨板和骨釘斷裂件上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,然后在斷裂部位取斷口試樣,用電子探針對(duì)經(jīng)超聲波清洗后的斷口進(jìn)行二次電子像觀察,最后在斷裂部位取金相樣經(jīng)磨制拋光后用王水浸蝕在光學(xué)金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 接骨板

(1)宏觀觀察:斷裂發(fā)生在接骨板一端靠近斷骨端的一個(gè)孔洞,其位置偏離孔的中心線,見圖1。

圖1 接骨板斷裂試樣宏觀特征(箭頭所示處為斷裂部位)

(2)化學(xué)成分:經(jīng)成分分析復(fù)驗(yàn),接骨板的主要化學(xué)成分見表1。由表可見,接骨板Cr、Ni、Mo元素的含量均符合 GB4234-94(外科植入物用不銹鋼)標(biāo)準(zhǔn)[1]中對(duì)00Cr18Ni15Mo3N不銹鋼的要求。

表1 化學(xué)成分(wt%)

(3)斷口觀察:接骨板孔兩側(cè)的斷口較平齊,無塑性變形。用電子探針二次電子像觀察,低倍率下可見斷裂面上有明顯的放射狀條紋,根據(jù)條紋的指向初步判斷,裂紋起源于接骨板外側(cè)螺釘孔邊緣(記為A區(qū)),見圖2和3。側(cè)向觀察外側(cè)原始表面,孔洞附近有裂紋(圖4),裂紋出現(xiàn)的部位正好對(duì)應(yīng)于A區(qū)。

圖2 接骨板孔兩側(cè)斷口宏觀形貌

圖3 圖3斷口局部放大(A區(qū)為裂源)

圖4 孔洞附近裂紋特征

(4)金相觀察:直接磨制接骨板斷口面進(jìn)行顯微觀察,與斷口A區(qū)相對(duì)應(yīng)的螺釘孔邊緣存在尺寸粗大的疏松孔隙和微裂紋,見圖5。

試樣組織為奧氏體,晶粒度為8.5級(jí),見圖6。其中A區(qū)組織變形嚴(yán)重。

圖5 接骨板螺釘孔邊緣疏松孔隙、微裂紋

圖6 接骨板組織

3.2 骨釘

(1)宏觀觀察:骨釘斷裂試樣宏觀形貌見圖7。

圖7 骨釘斷裂試樣宏觀特征

(2)化學(xué)成分:經(jīng)成分分析復(fù)驗(yàn),骨釘?shù)闹饕瘜W(xué)成分見表2。由表可見,骨釘Cr、Ni、Mo元素的含量均符合GB4234-94(外科植入物用不銹鋼)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)00Cr18Ni14Mo3不銹鋼的要求。

表2 化學(xué)成分(wt/%)

(3)斷口觀察:斷口放大后的宏觀形貌見圖8。斷口上有放射狀條紋,根據(jù)條紋的走向初步判斷,斷裂起源于骨釘一端邊緣(圖8所示的B區(qū))。該部位由于磨損嚴(yán)重,斷口微觀形貌模糊不清,但仍可觀察到數(shù)條微裂紋。側(cè)向觀察棱邊,小側(cè)面不光滑,有許多毛刺和微裂紋,微裂紋多起源于毛刺處,見圖9。觀察與之對(duì)稱的另一端小側(cè)面則較光滑,無毛刺和裂紋。

圖8 骨釘匹配斷口放大后的宏觀形貌

圖9 棱邊小側(cè)面毛刺和裂紋

(4)金相觀察:直接磨制骨釘斷口面觀察,對(duì)應(yīng)圖8所示的B區(qū)(裂源區(qū))存在微裂紋,裂紋起源于毛刺處,附近無夾雜物,亦無氧化特征,見圖10。

骨釘?shù)娘@微組織為奧氏體+呈鏈狀分布的鐵素體,晶粒度9.5級(jí),見圖11。B區(qū)組織變形嚴(yán)重,微裂紋沿金屬流線擴(kuò)展。

圖10 骨釘微裂紋(裂紋起源于毛刺處)

圖11 骨釘組織

4 分析討論

4.1 接骨板

綜合上述檢測(cè)結(jié)果,可知不銹鋼接骨板材質(zhì)為00Cr18Ni15Mo3N,其金相組織、晶粒度及主要元素含量符合GB4234-94標(biāo)準(zhǔn)要求。但接骨板一端靠近斷骨端的一個(gè)孔洞邊緣存在疏松孔隙和微裂紋,斷裂起源于該缺陷處,可見它是造成接骨板斷裂的主要原因。

接骨板在使用過程中,不僅要承受靜止的應(yīng)力,還受到循環(huán)載荷的作用,其中近斷骨端第一個(gè)孔處應(yīng)力最大。因此,在疏松孔隙和微裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中,裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展最終導(dǎo)致接骨板斷裂。

4.2 骨釘

不銹鋼骨釘材質(zhì)為00Cr18Ni14Mo3,主要元素含量符合GB4234-94標(biāo)準(zhǔn)要求。骨釘一端棱邊小側(cè)面存在毛刺,該缺陷易引起應(yīng)力集中,當(dāng)受到應(yīng)力作用時(shí),由毛刺處萌生的微裂紋擴(kuò)展即造成骨釘斷裂。毛刺的產(chǎn)生與鋼質(zhì)無關(guān),它是在制造骨釘時(shí)形成的瑕疵。

骨釘組織為奧氏體和呈鏈狀分布的鐵素體, GB4234-94標(biāo)準(zhǔn)要求不應(yīng)有游離鐵素體相存在,鐵素體的出現(xiàn)會(huì)降低骨釘?shù)膹?qiáng)度,加速骨釘?shù)臄嗔选?/p>

5 結(jié)語

不銹鋼直型加壓接骨板孔洞邊緣存在疏松孔隙和微裂紋,在應(yīng)力作用下裂紋沿此處萌生并擴(kuò)展,最終導(dǎo)致接骨板斷裂。

而不銹鋼骨髓內(nèi)釘一端棱邊小側(cè)面存在的毛刺是造成骨釘斷裂的主要原因,該毛刺是在制造骨釘時(shí)形成的,同時(shí)組織中存在的游離鐵素體也加速了骨釘?shù)臄嗔选?/p>

[1] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB4234-94外科植入物用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)[S]. 1994.