肩鎖關(guān)節(jié)固定系統(tǒng)的力學(xué)性能研究

宋展昭，陳 君，孫培峰，胡 健，李洪鵬，吳 冰，王以進(jìn)

實(shí)驗(yàn)研究

肩鎖關(guān)節(jié)固定系統(tǒng)的力學(xué)性能研究

宋展昭，陳 君，孫培峰，胡 健，李洪鵬，吳 冰，王以進(jìn)

目的測(cè)定自行研制的肩鎖關(guān)節(jié)固定系統(tǒng)的力學(xué)性能。方法肩鎖關(guān)節(jié)固定系統(tǒng)采用鈦合金設(shè)計(jì)制造，由肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板和T形螺桿兩部分組成。分別測(cè)定該系統(tǒng)的各種力學(xué)性能。結(jié)果肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板疲勞極限強(qiáng)度為428.0 Mpa,拉伸強(qiáng)度極限為578.0 MPa，屈服極限為462.4 MPa，延伸率為19.4%；彎曲強(qiáng)度為182.0 MPa，彎曲橈度為8.7 mm，最大彎曲力矩為14.0 Nm；最大扭矩為236.0 Nm，最大扭角為4.4°。T形螺桿彎曲強(qiáng)度為582.4 MPa，彎曲橈度為11.6 mm，最大彎曲力矩為13.8 Nm；剪切強(qiáng)度為320.0 MPa，剪切變形4.1 mm，最大剪切力為7 256 N。結(jié)論自行設(shè)計(jì)的肩鎖關(guān)節(jié)固定系統(tǒng)的各種力學(xué)數(shù)據(jù)能夠滿足人體肩鎖關(guān)節(jié)的生理承載要求。

肩鎖關(guān)節(jié)；骨板；肩脫位；力學(xué)

隨著交通事故等意外傷害的增加，肩鎖關(guān)節(jié)創(chuàng)傷已成為近年來(lái)骨科臨床常見的損傷之一。對(duì)于肩鎖關(guān)節(jié)創(chuàng)傷，傳統(tǒng)治療手段多樣[1]，但都存在一些問題和不足，手術(shù)失敗的病例時(shí)有發(fā)生。為尋求更為安全、便捷、有效的固定方法，我們自行研制肩鎖關(guān)節(jié)固定系統(tǒng)（acromioclavicular fixation system，AFS），并進(jìn)行相關(guān)的材料力學(xué)性能和疲勞力學(xué)性能測(cè)試，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 材料和方法

1.1 AFS的組成及固定方法

1.1.1 組成 如圖1～2所示，AFS由肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板和T形螺桿兩部分組成。鋼板長(zhǎng)74 mm，粗大端寬20 mm，矩形孔4.9 mm×5.9 mm，鎖定孔直徑2.5 mm，另一端12 mm，螺釘孔直徑4 mm。T型螺桿長(zhǎng)約28 mm，T型柄厚2 mm，寬12 mm，矩形桿4.9 mm×5.9 mm，螺紋桿長(zhǎng)8 mm，無(wú)螺紋桿長(zhǎng)3 mm。所有材料均由鈦合金（由寶雞市泰特有色金屬有限公司提供，牌號(hào)BM0705/12）制成，主要化學(xué)成分為FC 0.16%，C 0.02%，N 0.01%，H 0.002%，O 0.22%?？估瓘?qiáng)度580 MPa，伸長(zhǎng)率25%，彎曲度110°。

圖1 鋼板實(shí)物圖

圖2 T型螺桿實(shí)物圖

圖3 AFS固定術(shù)中圖片

圖4 AFS固定術(shù)后X線片

1.1.2 固定方法 脫位的肩鎖關(guān)節(jié)獲得復(fù)位后，將鋼板安裝于鎖骨的外側(cè)端，推壓鋼板和鎖骨使肩鎖關(guān)節(jié)復(fù)位，將鋼板外端的橢圓孔置于肩峰中部（距前面邊緣約1.0 cm，距內(nèi)側(cè)肩峰關(guān)節(jié)面約0.6～0.8 cm）。在鋼板的橢圓型孔處做一標(biāo)記，取下鋼板，在標(biāo)記處改用矩型骨刀開一個(gè)前后走行的矩型骨槽，將槽內(nèi)骨屑清除干凈，取肩鎖關(guān)節(jié)固定鋼板的T型螺桿，經(jīng)矩形孔植入肩峰下，確定T型桿的橫桿進(jìn)入肩峰下之后，將T型螺桿旋轉(zhuǎn)90°，使橫桿和骨槽垂直。裝上鋼板，助手維持肩鎖關(guān)節(jié)復(fù)位狀態(tài)，術(shù)者安裝T型桿上的螺帽。將螺帽適當(dāng)旋緊，分別將鋼板在鎖骨上的螺孔以螺釘固定。最后擰緊螺帽和螺釘，將螺帽的鎖定鋼片擠壓住T型桿的固定螺帽。AFS固定的術(shù)中圖片和術(shù)后X線片見圖3～4。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)（ZWIK-100HFP-5100和ZWIK/ROELL 2010，德國(guó)），主要技術(shù)指標(biāo)：頻率范圍50～300 Hz，載荷100 N～100 kN，試驗(yàn)軟件Viberwin；WDW微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)（長(zhǎng)春科新廠）；YJ-29靜動(dòng)態(tài)數(shù)顯電阻應(yīng)變儀（華東電子儀器廠）；KG-101數(shù)顯光柵位移傳感器；DPX-XY自動(dòng)儀表儀（上海自動(dòng)化儀表一廠）；WYJ-S1微型力傳感器；MF-30應(yīng)變式傳感器。實(shí)驗(yàn)鋼板2枚（A，B），T型螺桿1枚。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 疲勞實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)分別在加載條件、力載頻率等力學(xué)環(huán)境條件下檢測(cè)肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板的疲勞極限和疲勞壽命。采用等幅加載模式，載荷為半正旋波。

1.3.2 彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn) 對(duì)肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板進(jìn)行彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，在溫度為25°C、濕度為70%的環(huán)境下對(duì)T形螺桿進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度測(cè)試。先制作專用夾具，然后將所有試件安裝在特殊夾具內(nèi)，安裝儀表及傳感器后進(jìn)行各類靜力學(xué)試驗(yàn)，加載速率為1.4 mm/min。加載由0直至被破壞為止。

2 結(jié)果與分析

2.1 肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板的力學(xué)性能

2.1.1 疲勞極限和疲勞壽命

（1）測(cè)試結(jié)果（表1～2）。

疲勞試驗(yàn)曲線經(jīng)歷僵持階段、壓縮彎曲階段、持平階段、裂紋擴(kuò)展階段等5個(gè)階段。整個(gè)疲勞曲線中，持平階段大部分時(shí)間在0.28×106～0.75× 106歷程，占全歷程的50%以上。鋼板上的開孔加載了裂孔的擴(kuò)展，故時(shí)間僅占全歷程的20%，隨之?dāng)嗔哑茐?。由于直型肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板為由大到小呈彎曲型，故選擇彎曲振動(dòng)力學(xué)模式，加載時(shí)力學(xué)環(huán)境相同，孔洞處裂紋擴(kuò)展加速最終導(dǎo)致斷裂。2根直型肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板施加彎曲疲勞試驗(yàn)達(dá)到其疲勞極限時(shí)的循環(huán)次數(shù)為0.75×106次和0.76×106次，即2根鋼板的疲勞壽命均值為0.775× 106次，如果上肢運(yùn)動(dòng)（如抓舉提重）的頻率為每天80次，則該鋼板的疲勞壽命可達(dá)20年，即使考慮安全系數(shù)也可達(dá)到18年。根據(jù)2根肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板試驗(yàn)得到的疲勞極限強(qiáng)度分別為427.0 MPa和429.0 MPa，強(qiáng)度值基本一致，平均428.0 MPa。

表1 肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板的疲勞測(cè)試結(jié)果

表2 肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板的疲勞破壞級(jí)別

（2）理論估計(jì)。

①?gòu)钠谠囼?yàn)中可以看出，直型解剖鋼板的開孔引起鋼板高度應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞裂紋加速擴(kuò)展而斷裂。彈性理論[2]中孔的應(yīng)力集中公式為Kδ=Kd/βεα（Kd為孔洞應(yīng)力集中系數(shù)，Φ4～Φ5孔洞的Kd為3.89；β為鋼板結(jié)構(gòu)系數(shù)，板材為0.85，棒材為0.82；εα為孔洞與板材比例尺寸參數(shù)影響系數(shù)，可從曲線中查找）。本次鋼板設(shè)計(jì)為直型鋼板，開孔后其材料強(qiáng)度下降50%～60%，必定導(dǎo)致鋼板的提前破壞。由于肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板受力狀態(tài)比較復(fù)雜，應(yīng)力集中較為明顯，因此往往會(huì)提早發(fā)生斷裂破壞。

②根據(jù)斷裂力學(xué)理論[2-4]，鋼板的疲勞壽命計(jì)算公式

式中C，n為材料常數(shù)，鈦合金C=7.16×10-11，n=3～4，a為裂紋長(zhǎng)度，△δ系材料疲勞強(qiáng)度，M為裂紋形狀參數(shù)（可用表查找）。根據(jù)上述計(jì)算公式，從曲線圖表中計(jì)算直型肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板的疲勞壽命N為0.60×106。理論數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，相差約8%～10%，基本上吻合。

再?gòu)闹毙图珂i關(guān)節(jié)鋼板的疲勞極限計(jì)算公式

式中ξ為材料尺寸影響因子，根據(jù)本鋼板設(shè)計(jì)特點(diǎn)，從曲線中得出其數(shù)值為4.60×1012；E為鈦合金材料彈性模量；δs為材料的屈服極限強(qiáng)度。計(jì)算得到鋼板的疲勞極限為342.0 MPa。理論數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較相差8%～10%，基本上吻合。

從該解剖鋼板斷裂的宏觀和微觀角度，結(jié)合理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可推斷引起鋼板斷裂的主要原因是疲勞應(yīng)力高度集中，斷口也在孔洞處，加上材質(zhì)、工藝、孔洞等諸多因素的影響，導(dǎo)致鋼板疲勞強(qiáng)度的下降。

2.1.2 拉伸材料力學(xué)特性 鋼板拉伸強(qiáng)度極限為578.0 MPa，屈服極限為462.4 MPa，延伸率為19.4%，軸向拉伸載荷達(dá)到16 185 N，其拉伸材料力學(xué)性能已達(dá)到人體肩鎖關(guān)節(jié)承載的能力要求。

2.1.3 彎曲力學(xué)性質(zhì) 對(duì)肩鎖關(guān)節(jié)解剖鋼板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲力學(xué)試驗(yàn)，彎曲強(qiáng)度為182.0 MPa，彎曲橈度為8.7 mm，最大彎曲力矩為14.0 Nm，其彎曲力學(xué)性能滿足人體肩關(guān)節(jié)的承載能力要求。

2.1.4 旋轉(zhuǎn)力學(xué)性質(zhì) 最大扭矩為236.0 Nm，最大扭角為4.4°，其扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能符合人體肩關(guān)節(jié)的承載能力要求。

2.2 T形螺桿的力學(xué)性能

2.2.1 彎曲強(qiáng)度試驗(yàn) T形螺桿的彎曲強(qiáng)度為582.4 MPa，彎曲橈度為11.60 mm，最大彎曲力矩為13.8 Nm（圖5）。其彎曲力學(xué)性能滿足人體肩關(guān)節(jié)的承載能力要求。

2.2.2 剪切強(qiáng)度試驗(yàn) 在特殊的剪切夾具內(nèi)，T形螺桿的剪切強(qiáng)度為320.0 MPa，剪切變形4.15 mm，最大剪切力為7 256 N（圖6）。T形螺桿的剪切強(qiáng)度已達(dá)到人體肩鎖關(guān)節(jié)的承載能力要求。

3 討論

圖5 T型螺桿彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試曲線

圖6 T形螺桿剪切強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試曲線

肩鎖關(guān)節(jié)由肩峰和鎖骨的外端構(gòu)成，屬微動(dòng)關(guān)節(jié)，近40%的成人肩鎖關(guān)節(jié)內(nèi)有不完全的軟骨盤。關(guān)節(jié)的穩(wěn)定因素包括靜力系統(tǒng)穩(wěn)定和動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定兩個(gè)方面。其中靜力系統(tǒng)穩(wěn)定源于關(guān)節(jié)囊、關(guān)節(jié)囊增厚形成的肩鎖韌帶以及由喙突到鎖骨的喙鎖韌帶；而動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定的力量大部分來(lái)自跨關(guān)節(jié)的肌肉，主要有斜方肌和三角肌等[5]。肩鎖關(guān)節(jié)、胸鎖關(guān)節(jié)、肩胛胸壁連接作為肩胛帶的重要組成部分，共同配合肱盂關(guān)節(jié)完成人類上肢靈活復(fù)雜的生理功能。當(dāng)上肢外展上舉時(shí)，上述3個(gè)關(guān)節(jié)完成約80°的旋轉(zhuǎn)，以保證肩關(guān)節(jié)上舉180°。一旦肩鎖關(guān)節(jié)脫位，除上肢的上舉功能受到明顯影響外，患肢力量亦大幅減弱，體力勞動(dòng)者將喪失正常的工作能力。

肩鎖關(guān)節(jié)固定是目前手術(shù)治療肩鎖關(guān)節(jié)脫位的常見手段之一[6-8]，但在內(nèi)固定器材的研發(fā)和臨床應(yīng)用中仍然存在缺陷?？耸厢樆蚩耸厢槒埩т摻z固定有一定的技術(shù)要求，經(jīng)驗(yàn)不足者使用時(shí)較易發(fā)生內(nèi)固定失敗[9]。肩鎖鉤板在某些情況下可能對(duì)肩鎖韌帶的全面修復(fù)造成影響，同時(shí)可能引起創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎而影響肩關(guān)節(jié)外展功能，進(jìn)而繼發(fā)崗上肌腱損傷，誘發(fā)肩關(guān)節(jié)功能異常，甚至造成脫鉤而導(dǎo)致手術(shù)失敗[10-11]。

本實(shí)驗(yàn)所測(cè)試的肩鎖關(guān)節(jié)固定系統(tǒng)克服上述臨床常用固定器材的缺點(diǎn)，不進(jìn)入肩鎖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)腔內(nèi)，未影響關(guān)節(jié)囊和肩鎖韌帶的全面修復(fù)，不會(huì)誘發(fā)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，不影響肱骨頭的活動(dòng)，亦不會(huì)造成內(nèi)固定系統(tǒng)的斷裂、松動(dòng)和脫鉤等情況的發(fā)生。該系統(tǒng)的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，它可以滿足上臂18～20年生理活動(dòng)的應(yīng)力承載要求，其強(qiáng)度可見一斑，而在正常情況下肩鎖關(guān)節(jié)損傷修復(fù)只需8～12周，充分說明該系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù)符合肩鎖關(guān)節(jié)脫位手術(shù)對(duì)內(nèi)固定器材的要求。

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（本文編輯 白朝暉）

Study on mechanics of an acromioclavicular fixation system

SONG Zhanzhao,CHEN Jun,SUN Peifeng,HU Jian,LI Hongpeng,WU Bing,WANG Yijin.The First Department of Orthopaedics,The 401th Hospital of PLA, Qingdao,Shandong 266071,China

Objective To evaluate the mechanical properties of acromioclavicular fixation system (AFS) designed by ourselves.Method AFS included two parts,an anatomical acromioclavicular plate and a T-shape bolt,all manufactured with titanium alloy.The mechanical properties of AFS were evaluated.Results Fatigue limit intensity of the anatomical acromioclavicular plate was 428.0 MPa with tensile limit intensity 578.0 MPa, yield limit 462.4 MPa,percentage of elongation 19.4%,bending strength 182.0 MPa,maximum bending deflection 8.7 mm,maximum bending moment 14.0 Nm,maximum torsional moment 236.0 Nm,and maximum torsional angle 4.4°.Bending intensity of T-shaped bolt was 582.4 MPa with bending deflection 11.6 mm, maximum bending moment 13.8 Nm,shearing intensity 320.0 MPa，shearing deformation 4.1 mm and maximum shearing force 7 256 N.Conclusion The mechanical properties of AFS will meet with the physical loading requirement of human acromioclavicular joint.

Acromioclavicular joint;Bone plates;Shoulder dislocation;Mechanics

R684.71，R687.33

A

1674-666X(2011)01-0060-04

2010-12-25；

2011-02-03）