有限元方法比較不同直徑外固定系統(tǒng)自攻螺釘材料的抗旋轉(zhuǎn)生物力學(xué)性能研究

鄭軼，殷一紅，龐清江

有限元方法比較不同直徑外固定系統(tǒng)自攻螺釘材料的抗旋轉(zhuǎn)生物力學(xué)性能研究

鄭軼，殷一紅，龐清江

目的通過三維有限元方法比較不同直徑外固定系統(tǒng)自攻螺釘材料的抗旋轉(zhuǎn)生物力學(xué)性能。方法通過有限元分析實驗，建立三維有限元模型，比較臨床常用的不同直徑不同金屬材料（鈦合金、不銹鋼、鐵、鋁合金、銅合金及鎂合金）的自攻螺釘鉆入骨皮質(zhì)時螺釘和脛骨的抗旋轉(zhuǎn)應(yīng)力大小及變形大小。結(jié)果當(dāng)施加扭矩載荷（2N·m），等效云圖結(jié)果顯示順時針力矩載荷施加時應(yīng)力載荷最集中，總體形變最大的部位均位于螺釘?shù)尼斘?。各種金屬的應(yīng)力載荷無明顯差別，而總變形量差別較大，鎂合金、鋁合金的變形量大于銅合金、鈦合金、不銹鋼和鐵。螺釘?shù)膽?yīng)力載荷最大處和螺釘?shù)闹睆綇? mm增加到3.5 mm時，應(yīng)力峰值差異最大的金屬材料是不銹鋼和鐵（46.2%），其次為銅合金（45.9%）和鈦合金（45.8%），而變形最顯著的是鋁合金（63.3%）和鎂合金（61.7%）；而螺釘?shù)闹睆綇?.5mm增加到4mm，螺釘應(yīng)力峰值下降率相似。當(dāng)施加相同的扭矩載荷（2N·m）時，不同的金屬材料表現(xiàn)出相似的特性，隨著螺釘直徑的增加，應(yīng)力峰值下降，而總變形量也出現(xiàn)下降的趨勢。結(jié)論銅合金的生物力學(xué)性能與鈦合金相似，而鎂合金和鋁合金由于相對質(zhì)軟，但質(zhì)輕，是否適宜成為外固定材料需要細(xì)胞毒性，生物相容性等實驗進(jìn)一步檢驗。

螺釘；有限元；抗旋轉(zhuǎn)；外固定系統(tǒng)；生物力學(xué)

下肢爆裂性骨折在野戰(zhàn)環(huán)境或者地震等自然災(zāi)害中比較常見，現(xiàn)場處置較為棘手，而野戰(zhàn)便攜式外固定器為常用的治療手段之一[1-3]。目前臨床上常用的外固定器螺釘?shù)牟馁|(zhì)為不銹鋼或者鈦合金[4]。鈦合金因其具有強(qiáng)度高，耐腐蝕，生物組織相容性佳，抗疲勞等優(yōu)勢，臨床應(yīng)用廣泛。作者通過有限元實驗，通過建立三維有限元模型，比較不同直徑金屬材料（鈦合金、不銹鋼、鐵、鋁合金、銅合金及鎂合金）的自攻螺釘鉆入骨皮質(zhì)時抗旋轉(zhuǎn)生物力學(xué)性能比較研究，為遴選出其他可能適宜的金屬外固定材料提供生物力學(xué)數(shù)據(jù)。報道如下。

1　資料與方法

1.1建立模型CT圖像：1名21歲的健康男性志愿者，身高172 cm，體質(zhì)量68kg。經(jīng)X線檢查排除骨質(zhì)疏松、腫瘤等器質(zhì)性病變，對脛骨行層厚0.625 mm層厚的連續(xù)CT掃描，得到DICOM格式的圖片500張。選取脛骨結(jié)節(jié)下5 cm開始的脛骨干圖片 75張導(dǎo)入 Mimics14.0軟件（Materialise，Belgium）。

1.2三維模型建立根據(jù)骨組織的CT值設(shè)定灰度閾值，通過蒙板編輯，空腔填充等方法對掃描圖像進(jìn)行逐層填充。通過對模型的光順，縮減三角面片及包裹等功能進(jìn)一步完善脛骨模型，并導(dǎo)入Geomagic Studio軟件擬合曲面。

參照常用的外固定架螺釘?shù)某叽?，螺釘?shù)拈L度為120 mm，螺釘?shù)闹睆絽⒄粘Ｓ玫臉?biāo)準(zhǔn)為3、3.5及4 mm等3種規(guī)格，運用Pro/E軟件進(jìn)行截面繪制并拉伸，并導(dǎo)入脛骨干模型進(jìn)行裝配。

1.3不同金屬材料的有限元分析

1.3.1材料屬性在有限元分析軟件AnsysWorkbench中的材料屬性模塊，利用材料屬性附加功能，添加皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的材料屬性,皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的彈性模量和泊松比見文獻(xiàn)[5]。見表1。

1.3.2劃分網(wǎng)格利用AnsysWorkbench的自動劃分網(wǎng)格功能，對脛骨自攻螺釘?shù)难b配體進(jìn)行網(wǎng)格劃分（封三彩圖2～5），劃分得到的體網(wǎng)格數(shù)量和生成的節(jié)點（表2）。

1.3.3約束、載荷及邊界條件脛骨與螺釘?shù)倪B接設(shè)定為完全綁定連接，模擬實際應(yīng)用情況，將脛骨的兩端固定，在螺釘?shù)奈捕耸┘? N·m的順時針方向的力矩載荷進(jìn)行加載。

1.3.4觀測指標(biāo)通過 Ansys Workbench軟件的自動運算，觀察有限元求解器中的Total Deformation（總變形量）和Von-misesStress的應(yīng)力云變化，通過觀察螺釘和脛骨不同區(qū)域不同顏色的變化來定性判斷應(yīng)力集中的位置和應(yīng)力大小。

2　結(jié)果

2.1等效云圖結(jié)果等效云圖結(jié)果顯示順時針力矩載荷施加時應(yīng)力載荷最集中，總體形變最大的部位均位于螺釘?shù)尼斘玻ǚ馊蕡D6～7）。

2.2不同金屬材料的應(yīng)力和形變的比較結(jié)果 2 N·m順時針扭轉(zhuǎn)載荷的應(yīng)力分布及位移分布見表3。

表1　各種材料的彈性模量和泊松比

表2　脛骨與螺釘?shù)捏w網(wǎng)格和節(jié)點數(shù)量（個）

表3　各種金屬材質(zhì)的螺釘在2 N·m扭矩載荷應(yīng)力載荷最集中，總體形變最大變化　%

3　討論

有限元計算是模擬計算生物力學(xué)的一種重要方法，它的基本原理是通過將求解的區(qū)域劃分為若干單元，而單元之間通過節(jié)點連接，節(jié)點內(nèi)部的待求量，通過總體代數(shù)方程進(jìn)行求解[6]。1972年，Brekelmans和Rybicki將有限元方法應(yīng)用于骨科領(lǐng)域之后，逐漸應(yīng)用與脊柱外科的生物力學(xué)分析，創(chuàng)傷骨科的鋼板螺釘?shù)膽?yīng)力研究及假體設(shè)計，皮膚軟組織的三維有限元分析等[7]。有限元方法可設(shè)置各種條件及工況，可進(jìn)行重復(fù)試驗，材料上僅需臨床的影像學(xué)資料，利用三維有限元軟件分析，突破實體標(biāo)本不易獲得的限制，而且應(yīng)力分析及形變的極值均可實現(xiàn)可視化，直觀化[8-10]。

本研究的實驗結(jié)果顯示，在2 N.m扭矩載荷下，不同材料相同直徑的自攻螺釘?shù)膽?yīng)力載荷相似；而總變形量有明顯差別，鎂合金，鋁合金的總變形量均高于不銹鋼，鈦合金，銅合金和鐵，而銅合金的模擬生物力學(xué)性能與鈦合金相似。不同直徑的外固定材料抗扭轉(zhuǎn)力表明，螺釘?shù)闹睆綇? mm增加到3.5mm時，應(yīng)力峰值變化最大的金屬材料是不銹鋼和鐵（46.2%），其次為銅合金（45.9%）和鈦合金（45.8%），而變形最大的是鋁合金（63.3%）和鎂合金（61.7%），其次為鈦合金（60.2%）和銅合金（59.4%）；而螺釘?shù)闹睆綇?.5 mm增加到4 mm，螺釘應(yīng)力峰值下降率相似，但顯著低于3 mm螺釘應(yīng)力峰值與3.5 mm螺釘應(yīng)力峰值的差值，而總變形量有一定的差異，總變形量差異最大的為鐵（30.7%）和不銹鋼（30.6%），其次為銅合金（28.1%）和鈦合金（27.5%），變化最小的為鋁合金（25.7%）和鎂合金（22.8%）。

銅合金的生物力學(xué)性能與鈦合金相似，是否有待于成為外固定架的材料需要進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)胞毒性試驗等，而鎂合金和鋁合金由于相對質(zhì)軟，但質(zhì)輕，便于廣泛攜帶，是否適宜成為外固定材料需要實體生物力學(xué)的進(jìn)一步檢驗。而本文的不足之處在于脛骨干無肌肉，血管、皮膚等軟組織的包裹，僅為臨床提供生物力學(xué)數(shù)據(jù)，三維有限元分析的結(jié)果尚需結(jié)合體外的生物力學(xué)實體實驗才能應(yīng)用于臨床。

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10.3969/j.issn.1671-0800.2016.02.014

R687.3

A

1671-0800(2016)02-0170-02

2015-03-16

（本文編輯：鐘美春）

寧波市臨床特色重點?？祈椖浚?013-88）；寧波市科技富民惠民項目（2015C50034）

315010寧波，寧波市第二醫(yī)院（鄭軼、龐清江）；寧波市中醫(yī)院（殷一紅）

龐清江，Email:pqjey@ sina.com