肩锁关节固定系统的力学性能研究

宋展昭，陈 君，孙培峰，胡 健，李洪鹏，吴 冰，王以进

实验研究

肩锁关节固定系统的力学性能研究

宋展昭，陈 君，孙培峰，胡 健，李洪鹏，吴 冰，王以进

目的测定自行研制的肩锁关节固定系统的力学性能。方法肩锁关节固定系统采用钛合金设计制造，由肩锁关节解剖钢板和T形螺杆两部分组成。分别测定该系统的各种力学性能。结果肩锁关节解剖钢板疲劳极限强度为428.0 Mpa,拉伸强度极限为578.0 MPa，屈服极限为462.4 MPa，延伸率为19.4%；弯曲强度为182.0 MPa，弯曲桡度为8.7 mm，最大弯曲力矩为14.0 Nm；最大扭矩为236.0 Nm，最大扭角为4.4°。T形螺杆弯曲强度为582.4 MPa，弯曲桡度为11.6 mm，最大弯曲力矩为13.8 Nm；剪切强度为320.0 MPa，剪切变形4.1 mm，最大剪切力为7 256 N。结论自行设计的肩锁关节固定系统的各种力学数据能够满足人体肩锁关节的生理承载要求。

肩锁关节；骨板；肩脱位；力学

随着交通事故等意外伤害的增加，肩锁关节创伤已成为近年来骨科临床常见的损伤之一。对于肩锁关节创伤，传统治疗手段多样[1]，但都存在一些问题和不足，手术失败的病例时有发生。为寻求更为安全、便捷、有效的固定方法，我们自行研制肩锁关节固定系统（acromioclavicular fixation system，AFS），并进行相关的材料力学性能和疲劳力学性能测试，现报告如下。

1 材料和方法

1.1 AFS的组成及固定方法

1.1.1 组成 如图1～2所示，AFS由肩锁关节解剖钢板和T形螺杆两部分组成。钢板长74 mm，粗大端宽20 mm，矩形孔4.9 mm×5.9 mm，锁定孔直径2.5 mm，另一端12 mm，螺钉孔直径4 mm。T型螺杆长约28 mm，T型柄厚2 mm，宽12 mm，矩形杆4.9 mm×5.9 mm，螺纹杆长8 mm，无螺纹杆长3 mm。所有材料均由钛合金（由宝鸡市泰特有色金属有限公司提供，牌号BM0705/12）制成，主要化学成分为FC 0.16%，C 0.02%，N 0.01%，H 0.002%，O 0.22%。抗拉强度580 MPa，伸长率25%，弯曲度110°。

图1 钢板实物图

图2 T型螺杆实物图

图3 AFS固定术中图片

图4 AFS固定术后X线片

1.1.2 固定方法 脱位的肩锁关节获得复位后，将钢板安装于锁骨的外侧端，推压钢板和锁骨使肩锁关节复位，将钢板外端的椭圆孔置于肩峰中部（距前面边缘约1.0 cm，距内侧肩峰关节面约0.6～0.8 cm）。在钢板的椭圆型孔处做一标记，取下钢板，在标记处改用矩型骨刀开一个前后走行的矩型骨槽，将槽内骨屑清除干净，取肩锁关节固定钢板的T型螺杆，经矩形孔植入肩峰下，确定T型杆的横杆进入肩峰下之后，将T型螺杆旋转90°，使横杆和骨槽垂直。装上钢板，助手维持肩锁关节复位状态，术者安装T型杆上的螺帽。将螺帽适当旋紧，分别将钢板在锁骨上的螺孔以螺钉固定。最后拧紧螺帽和螺钉，将螺帽的锁定钢片挤压住T型杆的固定螺帽。AFS固定的术中图片和术后X线片见图3～4。

1.2 实验设备和材料

高频疲劳试验机（ZWIK-100HFP-5100和ZWIK/ROELL 2010，德国），主要技术指标：频率范围50～300 Hz，载荷100 N～100 kN，试验软件Viberwin；WDW微机控制电子万能实验机（长春科新厂）；YJ-29静动态数显电阻应变仪（华东电子仪器厂）；KG-101数显光栅位移传感器；DPX-XY自动仪表仪（上海自动化仪表一厂）；WYJ-S1微型力传感器；MF-30应变式传感器。实验钢板2枚（A，B），T型螺杆1枚。

1.3 实验方法

1.3.1 疲劳实验 应用高频疲劳试验机分别在加载条件、力载频率等力学环境条件下检测肩锁关节解剖钢板的疲劳极限和疲劳寿命。采用等幅加载模式，载荷为半正旋波。

1.3.2 弯曲、拉伸、扭转试验 对肩锁关节解剖钢板进行弯曲、拉伸和扭转试验，在温度为25°C、湿度为70%的环境下对T形螺杆进行弯曲强度和剪切强度测试。先制作专用夹具，然后将所有试件安装在特殊夹具内，安装仪表及传感器后进行各类静力学试验，加载速率为1.4 mm/min。加载由0直至被破坏为止。

2 结果与分析

2.1 肩锁关节解剖钢板的力学性能

2.1.1 疲劳极限和疲劳寿命

（1）测试结果（表1～2）。

疲劳试验曲线经历僵持阶段、压缩弯曲阶段、持平阶段、裂纹扩展阶段等5个阶段。整个疲劳曲线中，持平阶段大部分时间在0.28×106～0.75× 106历程，占全历程的50%以上。钢板上的开孔加载了裂孔的扩展，故时间仅占全历程的20%，随之断裂破坏。由于直型肩锁关节解剖钢板为由大到小呈弯曲型，故选择弯曲振动力学模式，加载时力学环境相同，孔洞处裂纹扩展加速最终导致断裂。2根直型肩锁关节解剖钢板施加弯曲疲劳试验达到其疲劳极限时的循环次数为0.75×106次和0.76×106次，即2根钢板的疲劳寿命均值为0.775× 106次，如果上肢运动（如抓举提重）的频率为每天80次，则该钢板的疲劳寿命可达20年，即使考虑安全系数也可达到18年。根据2根肩锁关节解剖钢板试验得到的疲劳极限强度分别为427.0 MPa和429.0 MPa，强度值基本一致，平均428.0 MPa。

表1 肩锁关节解剖钢板的疲劳测试结果

表2 肩锁关节解剖钢板的疲劳破坏级别

（2）理论估计。

①从疲劳试验中可以看出，直型解剖钢板的开孔引起钢板高度应力集中，导致疲劳裂纹加速扩展而断裂。弹性理论[2]中孔的应力集中公式为Kδ=Kd/βεα（Kd为孔洞应力集中系数，Φ4～Φ5孔洞的Kd为3.89；β为钢板结构系数，板材为0.85，棒材为0.82；εα为孔洞与板材比例尺寸参数影响系数，可从曲线中查找）。本次钢板设计为直型钢板，开孔后其材料强度下降50%～60%，必定导致钢板的提前破坏。由于肩锁关节解剖钢板受力状态比较复杂，应力集中较为明显，因此往往会提早发生断裂破坏。

②根据断裂力学理论[2-4]，钢板的疲劳寿命计算公式

式中C，n为材料常数，钛合金C=7.16×10-11，n=3～4，a为裂纹长度，△δ系材料疲劳强度，M为裂纹形状参数（可用表查找）。根据上述计算公式，从曲线图表中计算直型肩锁关节解剖钢板的疲劳寿命N为0.60×106。理论数值与实验结果比较，相差约8%～10%，基本上吻合。

再从直型肩锁关节钢板的疲劳极限计算公式

式中ξ为材料尺寸影响因子，根据本钢板设计特点，从曲线中得出其数值为4.60×1012；E为钛合金材料弹性模量；δs为材料的屈服极限强度。计算得到钢板的疲劳极限为342.0 MPa。理论数值与实验结果比较相差8%～10%，基本上吻合。

从该解剖钢板断裂的宏观和微观角度，结合理论与实验结果分析，可推断引起钢板断裂的主要原因是疲劳应力高度集中，断口也在孔洞处，加上材质、工艺、孔洞等诸多因素的影响，导致钢板疲劳强度的下降。

2.1.2 拉伸材料力学特性 钢板拉伸强度极限为578.0 MPa，屈服极限为462.4 MPa，延伸率为19.4%，轴向拉伸载荷达到16 185 N，其拉伸材料力学性能已达到人体肩锁关节承载的能力要求。

2.1.3 弯曲力学性质 对肩锁关节解剖钢板进行三点弯曲力学试验，弯曲强度为182.0 MPa，弯曲桡度为8.7 mm，最大弯曲力矩为14.0 Nm，其弯曲力学性能满足人体肩关节的承载能力要求。

2.1.4 旋转力学性质 最大扭矩为236.0 Nm，最大扭角为4.4°，其扭转力学性能符合人体肩关节的承载能力要求。

2.2 T形螺杆的力学性能

2.2.1 弯曲强度试验 T形螺杆的弯曲强度为582.4 MPa，弯曲桡度为11.60 mm，最大弯曲力矩为13.8 Nm（图5）。其弯曲力学性能满足人体肩关节的承载能力要求。

2.2.2 剪切强度试验 在特殊的剪切夹具内，T形螺杆的剪切强度为320.0 MPa，剪切变形4.15 mm，最大剪切力为7 256 N（图6）。T形螺杆的剪切强度已达到人体肩锁关节的承载能力要求。

3 讨论

图5 T型螺杆弯曲强度试验测试曲线

图6 T形螺杆剪切强度试验测试曲线

肩锁关节由肩峰和锁骨的外端构成，属微动关节，近40%的成人肩锁关节内有不完全的软骨盘。关节的稳定因素包括静力系统稳定和动力系统稳定两个方面。其中静力系统稳定源于关节囊、关节囊增厚形成的肩锁韧带以及由喙突到锁骨的喙锁韧带；而动力系统稳定的力量大部分来自跨关节的肌肉，主要有斜方肌和三角肌等[5]。肩锁关节、胸锁关节、肩胛胸壁连接作为肩胛带的重要组成部分，共同配合肱盂关节完成人类上肢灵活复杂的生理功能。当上肢外展上举时，上述3个关节完成约80°的旋转，以保证肩关节上举180°。一旦肩锁关节脱位，除上肢的上举功能受到明显影响外，患肢力量亦大幅减弱，体力劳动者将丧失正常的工作能力。

肩锁关节固定是目前手术治疗肩锁关节脱位的常见手段之一[6-8]，但在内固定器材的研发和临床应用中仍然存在缺陷。克氏针或克氏针张力带钢丝固定有一定的技术要求，经验不足者使用时较易发生内固定失败[9]。肩锁钩板在某些情况下可能对肩锁韧带的全面修复造成影响，同时可能引起创伤性关节炎而影响肩关节外展功能，进而继发岗上肌腱损伤，诱发肩关节功能异常，甚至造成脱钩而导致手术失败[10-11]。

本实验所测试的肩锁关节固定系统克服上述临床常用固定器材的缺点，不进入肩锁关节关节腔内，未影响关节囊和肩锁韧带的全面修复，不会诱发创伤性关节炎的发生，不影响肱骨头的活动，亦不会造成内固定系统的断裂、松动和脱钩等情况的发生。该系统的力学性能测试结果表明，它可以满足上臂18～20年生理活动的应力承载要求，其强度可见一斑，而在正常情况下肩锁关节损伤修复只需8～12周，充分说明该系统的力学参数符合肩锁关节脱位手术对内固定器材的要求。

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（本文编辑 白朝晖）

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）