异体骨接骨板联合不同螺钉治疗股骨干骨折有限元分析

吴泽海，王永清，董黎敏，周星衡，叶金铎，李毅，毕红宾

(1.天津理工大学机械工程学院，天津 300384；2.天津市第四中心医院骨一科，天津 300140)

骨折的治疗原则为复位、固定、早期功能锻炼[1]。在需要进行内固定治疗的患者中，选择合适的内固定物相当重要，否则极易导致治疗失败。金属内固定物在骨科临床应用较广，但其应力遮挡作用、二次手术取出内固定物等问题一直未得到很好解决[2-4]。为克服其缺点，从20世纪60年代起国外就开始研究可吸收内固定材料[5]。可吸收材料是指在体内可以在一定时间内分解或降解，并由体内代谢排出体外的一类材料[6]。可吸收材料由于具有不需二次手术，不会在人体形成长期存在的异物等优点，近年来得到了许多研究人员的重视。同种异体骨与自体骨强度接近，兼备植骨与固定双重功能，具备自体骨的优势，不需要供骨区，不需要二次手术取出[7]。基于以上情况，设想用两块同种异体骨接骨板嵌合固定股骨干骨折，然后用可吸收螺钉固定，但其强度是否满足内固定的要求尚需验证。本文试图分别用可吸收螺钉和钛合金螺钉固定同种异体骨接骨板，通过有限元的方法分析对比两种固定方式的强度和应力分布情况，为同种异体骨接骨板用可吸收螺钉固定进一步安全、有效及科学性的应用提供依据。

1 资料与方法

1.1 模型建立 选一32 岁健康成年男性，身高1.74 m，经检查排除股骨病变后，进行股骨CT扫描，仪器由天津第四中心医院提供。扫描电压120 kV，电流200 mA，扫描层厚1 mm，扫描层数200层，并将扫描的数据以DICOM格式进行存储。将CT图像在Mimics[8]中进行处理后，以点云格式将股骨三维模型导入逆向工程软件Geomegic Studio10.0[9]之中进行光滑处理，得到股骨几何模型。在proe5.0中建立骨板模型，先拉伸长150 mm，宽20 mm，高3 mm的长方体，然后与股骨骨干进行布尔运算，得到与股骨骨干配合良好的接骨板。可吸收螺钉与钛合金螺钉均采用外径为4.5 mm的螺钉。同时导入接骨板、螺钉和股骨几何模型，在proe5.0中按照术中的处理要求模拟股骨骨干骨折状况，将股骨中段切除10 mm模拟横断骨折，以此消除骨折面接触对结果的影响[10]。然后在股骨的前方内外侧装上接骨板，再将螺钉几何模型安装在接骨板上(切口两端各有3颗螺钉)。这样就建立了“股骨-接骨板-螺钉”内固定系统仿真模型。为方便述说，将螺钉和接骨板标号(见图1)，从proe5.0中导出整个模型，以x_t格式加以保存。

注：1～6：螺钉；7：右侧接骨板；8：股骨；9：左侧接骨板；10：模拟横断骨折

图1 “股骨—接骨板—螺钉”内固定系统仿真模型

1.2 模型网格划分 将上述x_t格式的内固定系统仿真模型导入ansys12.0中，对模型进行网格划分。由于计算骨松质承受载荷对结果影响不足1%[11]，在保持精度的情况下，为了减少计算时间，本实验忽略骨松质的作用。考虑模型形状复杂，采用八节点的四面体单元“solid45”为有限元单元的类型。同时，考虑到螺钉与接骨板、螺钉与骨头之间无相对运动，所以将螺钉与接骨板、螺钉与骨头的接触关系设置为粘接。在网格划分之前，参照以往文献[12-16]，选择有关结构的材料力学参数对材料进行赋值(见表1)。网格划分之后，股骨共包括408 378个单元，接骨板共有11 922个单元，6根螺钉为30 430个单元，整个模型的单元为408 378个单元，模型见图2。

表1 单元类型和材料属性设置

图2 有限元模型

1.3 边界及加载

1.3.1 添加约束 选择股骨远端底面，对面上所有的节点进行三向平移和三向旋转约束。

1.3.2 加载 为方便加载，在股骨转子中心部位建立一个节点，定义为mass21[16]单元，然后跟转子上其他受力节点耦合，形成刚性区域，最后在单元节点上进行垂直压缩、弯曲、扭转三种形式的加载。垂直载荷大小为700 N[17]，虽然与体内股骨复杂的受力情况不同，但能与临床观测的断钉时载荷接近[18]；弯曲载荷及扭转载荷大小均为15 N·m[19，20]。

2 结 果

分析结果显示，用可吸收螺钉固定的接骨板在700 N轴向压力加载下，股骨干外侧中下1/3处应力集中最为明显，最大应力为36.3 Mpa；在15 N·m弯曲载荷加载下，最大应力为23.6 Mpa；在15 N·m扭转载荷加载下，最大应力为31.3 Mpa。用钛合金螺钉固定的接骨板在700 N轴向压力加载下，最大应力为36.2 Mpa；在15 N·m弯曲载荷加载下，最大应力为23.5 Mpa；在15 N·m扭转载荷加载下，最大应力为46.9 Mpa(见图3～8)。详细资料见表2～3。

3 讨 论

骨科可吸收材料最早于1984年用于临床，这种材料制造的骨折内固定植入物，随着骨折的愈合和时间的延长，植入物逐渐地降解成对人体无害的小分子，最终被排出体外，免除了再次手术的痛苦。临床意义如下：可吸收螺钉内，不需要第二次手术取出，不干扰磁影像，无毒性，无不良反应，是内固定的好材料。本研究成功建立了完整的股骨三维模型，以及两种不同螺钉固定同种异体骨接骨板治疗股骨干骨折的三维有限元模型，并对完整股骨及全双皮质固定治疗股骨骨折的模型进行相关有限元分析。

图3 可吸收螺钉固定模型700 N压缩载荷下股骨整体Von mises应力云图

图4 钛合金螺钉固定模型700 N压缩载荷下股骨整体Von mises应力云图

图5 可吸收螺钉固定模型15 N·m弯曲载荷下股骨整体Von mises应力云图

图6 钛合金螺钉固定模型15 N·m弯曲载荷下股骨整体Von mises应力云图

图7 可吸收螺钉固定模型15 N·m扭转载荷下股骨整体Von mises应力云图

图8 钛合金螺钉固定模型15 N·m扭转载荷下股骨整体Von mises应力云图

组 别700 N轴向压缩可吸收螺钉钛合金螺钉15 N·m弯曲载荷可吸收螺钉钛合金螺钉15 N·m扭转载荷可吸收螺钉钛合金螺钉1号螺钉3.677.865.2610.005.1511.502号螺钉3.016.895.319.615.4112.903号螺钉3.977.645.2310.005.0617.204号螺钉3.357.575.139.145.4522.805号螺钉3.608.155.309.705.5624.906号螺钉3.758.927.4713.005.7517.60

3.1 结果分析 从表2可以看出6根可吸收螺钉在三种不同载荷下的最大主应力均小于钛合金螺钉，最大主应力为5.56 Mpa，小于可吸收螺钉的极限强度40 Mpa。从表3可以看出，分别用可吸收螺钉和钛合金螺钉固定的接骨板在轴向压力加载和弯曲载荷加载下，两者的最大主应力相差不大；在扭转载荷作用下，用钛合金螺钉固定的接骨板应力稍大。在三种不同载荷下，两种不同螺钉固定接骨板，股骨整体受力差别不大；接骨板在轴向压力和弯曲载荷加载下，最大主应力也很接近，这一点与彭亮等[21]经过研究得出股骨各向性在双腿站立情况下表现不明显的结论相同。

表3 接骨板在三种不同载荷下的最大主应力(Mpa)

3.2 存在的不足与展望 本研究建模时未对松质骨进行模拟，没有重建髋关节周围肌肉群，所以得到的实验结果也与实际存在一定的偏差。其次，本实验测试的是同种异体骨板及其固定的即时强度，如在活体中，还存在骨板吸收重建和骨折处骨痂形成的生物学变化，生物力学随之变化[7]。下一步计划通过重建髋关节周围肌肉群及对骨痂的弹性模量连续取值，从而研究不同骨愈合期的应力、应变情况，并进行体外力学试验对比分析。

可吸收螺钉适应于同种异体骨接骨板的固定，与钛合金螺钉相比，一定程度上可以减少应力遮挡。

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