異體骨接骨板聯(lián)合不同螺釘治療股骨干骨折有限元分析

吳澤海，王永清，董黎敏，周星衡，葉金鐸，李毅，畢紅賓

(1.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市第四中心醫(yī)院骨一科，天津 300140)

骨折的治療原則為復(fù)位、固定、早期功能鍛煉[1]。在需要進(jìn)行內(nèi)固定治療的患者中，選擇合適的內(nèi)固定物相當(dāng)重要，否則極易導(dǎo)致治療失敗。金屬內(nèi)固定物在骨科臨床應(yīng)用較廣，但其應(yīng)力遮擋作用、二次手術(shù)取出內(nèi)固定物等問(wèn)題一直未得到很好解決[2-4]。為克服其缺點(diǎn)，從20世紀(jì)60年代起國(guó)外就開(kāi)始研究可吸收內(nèi)固定材料[5]。可吸收材料是指在體內(nèi)可以在一定時(shí)間內(nèi)分解或降解，并由體內(nèi)代謝排出體外的一類(lèi)材料[6]?？晌詹牧嫌捎诰哂胁恍瓒问中g(shù)，不會(huì)在人體形成長(zhǎng)期存在的異物等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了許多研究人員的重視。同種異體骨與自體骨強(qiáng)度接近，兼?zhèn)渲补桥c固定雙重功能，具備自體骨的優(yōu)勢(shì)，不需要供骨區(qū)，不需要二次手術(shù)取出[7]。基于以上情況，設(shè)想用兩塊同種異體骨接骨板嵌合固定股骨干骨折，然后用可吸收螺釘固定，但其強(qiáng)度是否滿(mǎn)足內(nèi)固定的要求尚需驗(yàn)證。本文試圖分別用可吸收螺釘和鈦合金螺釘固定同種異體骨接骨板，通過(guò)有限元的方法分析對(duì)比兩種固定方式的強(qiáng)度和應(yīng)力分布情況，為同種異體骨接骨板用可吸收螺釘固定進(jìn)一步安全、有效及科學(xué)性的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 模型建立 選一32 歲健康成年男性，身高1.74 m，經(jīng)檢查排除股骨病變后，進(jìn)行股骨CT掃描，儀器由天津第四中心醫(yī)院提供。掃描電壓120 kV，電流200 mA，掃描層厚1 mm，掃描層數(shù)200層，并將掃描的數(shù)據(jù)以DICOM格式進(jìn)行存儲(chǔ)。將CT圖像在Mimics[8]中進(jìn)行處理后，以點(diǎn)云格式將股骨三維模型導(dǎo)入逆向工程軟件Geomegic Studio10.0[9]之中進(jìn)行光滑處理，得到股骨幾何模型。在proe5.0中建立骨板模型，先拉伸長(zhǎng)150 mm，寬20 mm，高3 mm的長(zhǎng)方體，然后與股骨骨干進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到與股骨骨干配合良好的接骨板?？晌章葆斉c鈦合金螺釘均采用外徑為4.5 mm的螺釘。同時(shí)導(dǎo)入接骨板、螺釘和股骨幾何模型，在proe5.0中按照術(shù)中的處理要求模擬股骨骨干骨折狀況，將股骨中段切除10 mm模擬橫斷骨折，以此消除骨折面接觸對(duì)結(jié)果的影響[10]。然后在股骨的前方內(nèi)外側(cè)裝上接骨板，再將螺釘幾何模型安裝在接骨板上(切口兩端各有3顆螺釘)。這樣就建立了“股骨-接骨板-螺釘”內(nèi)固定系統(tǒng)仿真模型。為方便述說(shuō)，將螺釘和接骨板標(biāo)號(hào)(見(jiàn)圖1)，從proe5.0中導(dǎo)出整個(gè)模型，以x_t格式加以保存。

注：1～6：螺釘；7：右側(cè)接骨板；8：股骨；9：左側(cè)接骨板；10：模擬橫斷骨折

圖1 “股骨—接骨板—螺釘”內(nèi)固定系統(tǒng)仿真模型

1.2 模型網(wǎng)格劃分 將上述x_t格式的內(nèi)固定系統(tǒng)仿真模型導(dǎo)入ansys12.0中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于計(jì)算骨松質(zhì)承受載荷對(duì)結(jié)果影響不足1%[11]，在保持精度的情況下，為了減少計(jì)算時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)忽略骨松質(zhì)的作用。考慮模型形狀復(fù)雜，采用八節(jié)點(diǎn)的四面體單元“solid45”為有限元單元的類(lèi)型。同時(shí)，考慮到螺釘與接骨板、螺釘與骨頭之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以將螺釘與接骨板、螺釘與骨頭的接觸關(guān)系設(shè)置為粘接。在網(wǎng)格劃分之前，參照以往文獻(xiàn)[12-16]，選擇有關(guān)結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)參數(shù)對(duì)材料進(jìn)行賦值(見(jiàn)表1)。網(wǎng)格劃分之后，股骨共包括408 378個(gè)單元，接骨板共有11 922個(gè)單元，6根螺釘為30 430個(gè)單元，整個(gè)模型的單元為408 378個(gè)單元，模型見(jiàn)圖2。

表1 單元類(lèi)型和材料屬性設(shè)置

圖2 有限元模型

1.3 邊界及加載

1.3.1 添加約束 選擇股骨遠(yuǎn)端底面，對(duì)面上所有的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三向平移和三向旋轉(zhuǎn)約束。

1.3.2 加載 為方便加載，在股骨轉(zhuǎn)子中心部位建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)，定義為mass21[16]單元，然后跟轉(zhuǎn)子上其他受力節(jié)點(diǎn)耦合，形成剛性區(qū)域，最后在單元節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行垂直壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)三種形式的加載。垂直載荷大小為700 N[17]，雖然與體內(nèi)股骨復(fù)雜的受力情況不同，但能與臨床觀(guān)測(cè)的斷釘時(shí)載荷接近[18]；彎曲載荷及扭轉(zhuǎn)載荷大小均為15 N·m[19，20]。

2 結(jié) 果

分析結(jié)果顯示，用可吸收螺釘固定的接骨板在700 N軸向壓力加載下，股骨干外側(cè)中下1/3處應(yīng)力集中最為明顯，最大應(yīng)力為36.3 Mpa；在15 N·m彎曲載荷加載下，最大應(yīng)力為23.6 Mpa；在15 N·m扭轉(zhuǎn)載荷加載下，最大應(yīng)力為31.3 Mpa。用鈦合金螺釘固定的接骨板在700 N軸向壓力加載下，最大應(yīng)力為36.2 Mpa；在15 N·m彎曲載荷加載下，最大應(yīng)力為23.5 Mpa；在15 N·m扭轉(zhuǎn)載荷加載下，最大應(yīng)力為46.9 Mpa(見(jiàn)圖3～8)。詳細(xì)資料見(jiàn)表2～3。

3 討 論

骨科可吸收材料最早于1984年用于臨床，這種材料制造的骨折內(nèi)固定植入物，隨著骨折的愈合和時(shí)間的延長(zhǎng)，植入物逐漸地降解成對(duì)人體無(wú)害的小分子，最終被排出體外，免除了再次手術(shù)的痛苦。臨床意義如下：可吸收螺釘內(nèi)，不需要第二次手術(shù)取出，不干擾磁影像，無(wú)毒性，無(wú)不良反應(yīng)，是內(nèi)固定的好材料。本研究成功建立了完整的股骨三維模型，以及兩種不同螺釘固定同種異體骨接骨板治療股骨干骨折的三維有限元模型，并對(duì)完整股骨及全雙皮質(zhì)固定治療股骨骨折的模型進(jìn)行相關(guān)有限元分析。

圖3 可吸收螺釘固定模型700 N壓縮載荷下股骨整體Von mises應(yīng)力云圖

圖4 鈦合金螺釘固定模型700 N壓縮載荷下股骨整體Von mises應(yīng)力云圖

圖5 可吸收螺釘固定模型15 N·m彎曲載荷下股骨整體Von mises應(yīng)力云圖

圖6 鈦合金螺釘固定模型15 N·m彎曲載荷下股骨整體Von mises應(yīng)力云圖

圖7 可吸收螺釘固定模型15 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下股骨整體Von mises應(yīng)力云圖

圖8 鈦合金螺釘固定模型15 N·m扭轉(zhuǎn)載荷下股骨整體Von mises應(yīng)力云圖

組 別700 N軸向壓縮可吸收螺釘鈦合金螺釘15 N·m彎曲載荷可吸收螺釘鈦合金螺釘15 N·m扭轉(zhuǎn)載荷可吸收螺釘鈦合金螺釘1號(hào)螺釘3.677.865.2610.005.1511.502號(hào)螺釘3.016.895.319.615.4112.903號(hào)螺釘3.977.645.2310.005.0617.204號(hào)螺釘3.357.575.139.145.4522.805號(hào)螺釘3.608.155.309.705.5624.906號(hào)螺釘3.758.927.4713.005.7517.60

3.1 結(jié)果分析 從表2可以看出6根可吸收螺釘在三種不同載荷下的最大主應(yīng)力均小于鈦合金螺釘，最大主應(yīng)力為5.56 Mpa，小于可吸收螺釘?shù)臉O限強(qiáng)度40 Mpa。從表3可以看出，分別用可吸收螺釘和鈦合金螺釘固定的接骨板在軸向壓力加載和彎曲載荷加載下，兩者的最大主應(yīng)力相差不大；在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，用鈦合金螺釘固定的接骨板應(yīng)力稍大。在三種不同載荷下，兩種不同螺釘固定接骨板，股骨整體受力差別不大；接骨板在軸向壓力和彎曲載荷加載下，最大主應(yīng)力也很接近，這一點(diǎn)與彭亮等[21]經(jīng)過(guò)研究得出股骨各向性在雙腿站立情況下表現(xiàn)不明顯的結(jié)論相同。

表3 接骨板在三種不同載荷下的最大主應(yīng)力(Mpa)

3.2 存在的不足與展望 本研究建模時(shí)未對(duì)松質(zhì)骨進(jìn)行模擬，沒(méi)有重建髖關(guān)節(jié)周?chē)∪馊海缘玫降膶?shí)驗(yàn)結(jié)果也與實(shí)際存在一定的偏差。其次，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的是同種異體骨板及其固定的即時(shí)強(qiáng)度，如在活體中，還存在骨板吸收重建和骨折處骨痂形成的生物學(xué)變化，生物力學(xué)隨之變化[7]。下一步計(jì)劃通過(guò)重建髖關(guān)節(jié)周?chē)∪馊杭皩?duì)骨痂的彈性模量連續(xù)取值，從而研究不同骨愈合期的應(yīng)力、應(yīng)變情況，并進(jìn)行體外力學(xué)試驗(yàn)對(duì)比分析。

可吸收螺釘適應(yīng)于同種異體骨接骨板的固定，與鈦合金螺釘相比，一定程度上可以減少應(yīng)力遮擋。

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