鎂合金鋼板內(nèi)固定治療脛骨中段骨折的有限元分析

徐景超, 張雁儒,2, 楊 越, 李 昊, 李潔潔, 余進(jìn)偉

鎂合金鋼板內(nèi)固定治療脛骨中段骨折的有限元分析

徐景超1, 張雁儒1,2*, 楊 越1, 李 昊3, 李潔潔3, 余進(jìn)偉4

（1.河南理工大學(xué) 骨科研究所, 河南 焦作 454001; 2.寧波大學(xué) 醫(yī)學(xué)院, 浙江 寧波 315211; 3.河南理工大學(xué) 醫(yī)學(xué)院, 河南 焦作 454001; 4.河南理工大學(xué)第一附屬醫(yī)院, 河南 焦作 454002）

運(yùn)用有限元分析法, 評價(jià)鎂合金、鈦合金、不銹鋼3種不同材料在治療脛骨干骨折的力學(xué)性能差異. 以Dicom格式導(dǎo)入Mimics 20.0軟件中建立脛骨三維模型, 并運(yùn)用Geomagic與Solidwork軟件制作脛骨骨折內(nèi)固定模型, 將上述模型導(dǎo)入Workbench 2020軟件中, 賦予材料屬性, 給予軸向載荷、扭轉(zhuǎn)載荷2種加載模式, 分析3種材料的應(yīng)力和位移. 在600N軸向加載模式下, 鈦合金內(nèi)固定應(yīng)力為(117.42±0.07)MPa, 位移為(0.73±0.11)mm; 鎂合金內(nèi)固定應(yīng)力為(117.11±0.04)MPa, 位移為(0.82±0.08)mm; 不銹鋼內(nèi)固定應(yīng)力為(117.53±0.03)MPa, 位移為(0.62±0.13)mm. 在30N·mm扭轉(zhuǎn)加載模式下, 鈦合金內(nèi)固定應(yīng)力為(174.50±0.33)MPa, 位移為(0.75±0.07)mm; 鎂合金內(nèi)固定應(yīng)力為(168.75±0.15)MPa, 位移為(0.82±0.16)mm; 不銹鋼內(nèi)固定應(yīng)力為(176.23±0.51)MPa, 位移為(0.61±0.13)mm. 結(jié)果表明: 2種不同加載模式下3種不同材料的內(nèi)固定結(jié)果數(shù)值差異不大, 鎂合金內(nèi)固定與鈦合金內(nèi)固定、不銹鋼內(nèi)固定力學(xué)性能相似, 而鎂合金更親和人體, 可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)醫(yī)用金屬材料用以治療脛骨中段骨折.

脛骨中段骨折; 鎂合金; 鈦合金; 不銹鋼; 有限元分析; 內(nèi)固定

近年來, 臨床上常用于治療骨折患者的內(nèi)固定金屬材料通常為不銹鋼和鈦合金[1-2], 但由于這2種材料的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人體骨的彈性模量, 因此易產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng), 導(dǎo)致骨折的愈合緩慢, 甚至引起骨折周圍組織炎癥反應(yīng)[3-4]. 鎂合金同上述2種材料相比具有與人體骨相似的彈性模量(鎂合金44.8GPa, 皮質(zhì)骨12.1GPa), 因而能減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)的產(chǎn)生. 鎂元素是人體必需的定量元素, 鎂合金植入人體內(nèi)能被人體緩慢吸收, 可避免內(nèi)固定物需要二次取出給患者帶來的損傷[5-7].

本研究采用有限元分析法進(jìn)行脛骨骨折的力學(xué)分析, 以脛骨干骨折為例, 驗(yàn)證不同材料(鎂合金、鈦合金、不銹鋼)之間的力學(xué)性能差異, 并根據(jù)有限元分析結(jié)果探討鎂合金在臨床中代替?zhèn)鹘y(tǒng)醫(yī)用材料治療脛骨中段骨折的可行性.

1 材料與方法

1.1 模型建立

隨機(jī)選取1例下肢的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 20.0軟件中, 運(yùn)用軟件中閾值分割功能, 將脛骨分離單獨(dú)保存. 將上述脛骨文件以STL格式導(dǎo)出至Geomagic studio 12軟件, 運(yùn)用該軟件中網(wǎng)格醫(yī)生、光滑、自動擬面等功能修復(fù)和整理脛骨表面數(shù)據(jù), 通過偏移功能偏移4mm制作松質(zhì)骨模型, 分別保存2個(gè)模型并以Step格式導(dǎo)出. 將Step文件導(dǎo)入至Solidwork軟件, 以冠狀面為基準(zhǔn)面, 脛骨平臺近端至遠(yuǎn)端80mm處切除3mm模擬制作脛骨骨折模型, 同時(shí)制作內(nèi)固定模型, 使之完全貼合脛骨干. 采用軟件內(nèi)組合功能裝配脛骨模型與內(nèi)固定物, 并以Step格式將文件導(dǎo)出備用. 由于螺釘?shù)穆菁y會增加模型的計(jì)算量, 且對結(jié)果影響較小, 故可忽略螺釘?shù)穆菁y.

1.2 參數(shù)設(shè)置

將脛骨Step格式文件導(dǎo)入至Ansys workbench 2020軟件, 設(shè)置脛骨骨折模型的材料屬性與網(wǎng)格劃分, 脛骨骨折模型網(wǎng)格尺寸為3.0mm, 內(nèi)固定模型網(wǎng)格尺寸為3.5mm. 材料屬性與網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)參數(shù)分別見表1和表2.

表1 材料參數(shù)

表2 單元節(jié)點(diǎn)

1.3 邊界及約束條件

將脛骨骨折模型遠(yuǎn)端底部設(shè)定為完全約束, 在脛骨平臺給予600N軸向力以及30N·mm扭轉(zhuǎn)力. 螺釘遠(yuǎn)端與骨的約束條件為摩擦, 摩擦系數(shù)為0.2, 螺釘與接骨板的約束條件為綁定. 接骨板與皮質(zhì)骨的約束條件為摩擦, 摩擦系數(shù)為0.2, 骨與骨的摩擦系數(shù)為0.3.

1.4 觀察指標(biāo)

觀察鎂合金、鈦合金、不銹鋼3種材料內(nèi)固定模型在2種不同加載模式下的應(yīng)力分布與形變, 以及骨折模型應(yīng)力的分布與形變.

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 15.0軟件對研究數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果

2.1 軸向加載模式下內(nèi)固定的應(yīng)力和形變

在軸向600N加載模式下, 3種不同材料的內(nèi)固定物的應(yīng)力峰值與形變位移結(jié)果見表3和圖1～ 3. 從表3和圖1～3可知, 內(nèi)固定物的應(yīng)力與材料的彈性模量成正比, 形變與材料的彈性模量成反比, 其中不銹鋼的應(yīng)力最大, 其次為鈦合金, 鎂合金最小, 但差異較小, 無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(>0.05). 在不同材料內(nèi)固定形變中, 鎂合金位移最大, 其次為鈦合金, 不銹鋼位移最小, 3種材料的位移差異較大, 具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(<0.05).

表3 軸向加載模式下3種不同材料內(nèi)固定物應(yīng)力和位移比較

圖1 3種不同材料內(nèi)固定軸向加載應(yīng)力云圖

圖2 3種不同材料內(nèi)固定物軸向加載形變云圖

圖3 3種不同材料骨折模型軸向加載應(yīng)力分布云圖

表4 扭轉(zhuǎn)加載模式下3種不同材料內(nèi)固定物應(yīng)力和位移比較

圖4 3種不同材料內(nèi)固定扭轉(zhuǎn)應(yīng)力云圖

圖5 3種不同材料內(nèi)固定扭轉(zhuǎn)形變位移云圖

圖6 3種不同材料骨折模型扭轉(zhuǎn)形變位移云圖

2.2 扭轉(zhuǎn)加載模式下內(nèi)固定的應(yīng)力和形變

在30N·mm扭矩加載模式下, 3種不同材料內(nèi)固定與軸向加載結(jié)果見表4和圖4～6. 從表4和圖4～6可知, 不銹鋼內(nèi)固定的應(yīng)力最大, 其次為鈦合金, 鎂合金應(yīng)力最小. 位移則是鎂合金最大, 鈦合金其次, 不銹鋼最小.

3 討論

脛骨骨折是常見的下肢骨折, 臨床針對大多數(shù)脛骨骨折都選擇采用金屬接骨板內(nèi)固定進(jìn)行治療, 其臨床效果表現(xiàn)較好[1]. 目前臨床使用接骨板金屬材料多數(shù)為鈦合金(彈性模量102GPa)、不銹鋼(彈性模量210GPa)等剛度較大材料, 骨的彈性模量為10～18GPa, 過大的彈性模量會使應(yīng)力集中于接骨板而不易傳達(dá)至骨折端, 從而引發(fā)應(yīng)力遮擋效應(yīng), 造成接骨板松動、二次骨折等問題[8-9].

骨折愈合是一個(gè)極其復(fù)雜的生物學(xué)過程, 良好的力學(xué)環(huán)境能有效提高骨折的愈合率. 同時(shí)在良好的力學(xué)環(huán)境下, 骨折端的微動對骨的愈合不可缺失, 骨折的微動可以刺激成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞的代謝, 微動宜在0.2～2.0mm之間, 超過2.0mm則不利于骨的愈合[10-12].

隨著醫(yī)用金屬材料的發(fā)展, 鎂合金漸漸被使用, 鎂合金的彈性模量與人體皮質(zhì)骨相似, 不易引起應(yīng)力遮擋效應(yīng)的出現(xiàn), 而且鎂是人體必需的定量元素, 隨著骨折的愈合鎂合金接骨板會被逐漸吸收, 無需二次手術(shù)取出, 有助于患者術(shù)后康復(fù). 已有研究表明[13-15], 鎂合金不僅能夠促進(jìn)骨的形成, 還可以有效降低骨折周圍組織炎癥產(chǎn)生的概率[16-17]. Weng等[18]和Willbold等[19]通過軸向加載模式對比了不同醫(yī)用金屬材料應(yīng)力分布, 得出鎂合金應(yīng)力分布比鈦合金更加均勻, 即鎂合金在擁有良好降解速率的前提下更符合內(nèi)固定的要求, 但是該研究目前尚未使用骨骼模型, 因此得出的結(jié)果不能有力證明鎂合金在骨骼固定中更加具有優(yōu)勢. 張余等[20]運(yùn)用有限元法評價(jià)了鎂合金與鈦合金在寰樞椎復(fù)位內(nèi)固定鋼板中力學(xué)性能的差異, 得出了鎂合金經(jīng)口咽前路寰樞椎復(fù)位內(nèi)固定鋼板(Transoralpharyngeal Atlantoaxial Reduction Plate, TARP)系統(tǒng)效果更好,但是該研究模型TARP系統(tǒng)只作用于椎骨,不能證明長骨骨折情況下鎂合金內(nèi)固定是否同樣具有優(yōu)勢.

本研究以脛骨中段骨折模型為研究對象, 其結(jié)果顯示鎂合金在脛骨平臺承受600N(完全負(fù)重)的軸向載荷下應(yīng)力與鈦合金、不銹鋼類似, 無顯著性差異(>0.05). 但是在形變位移上鎂合金與鈦合金、不銹鋼差異較大, 這是由材料的金屬特性所決定, 且3種不同材料的內(nèi)固定微動范圍在2.0mm以內(nèi), 不會對骨折的愈合造成影響. 在脛骨骨折模型上端承受30N·mm扭矩加載模式下鎂合金與鈦合金、不銹鋼的表現(xiàn)差異不大, 在統(tǒng)計(jì)學(xué)上無顯著性差異(>0.05).

雖然鈦合金和不銹鋼接骨板的應(yīng)力及微動情況均好于鎂合金接骨板, 但是三者差異較小, 且其結(jié)果也與鈦合金和不銹鋼材料彈性模量較高有關(guān). 綜合考慮骨折端的微動、接骨板強(qiáng)度、應(yīng)力遮擋的產(chǎn)生率以及術(shù)后康復(fù)等因素, 認(rèn)為在治療脛骨中段骨折內(nèi)固定的醫(yī)用金屬材料中鎂合金優(yōu)于鈦合金和不銹鋼. 此外, 本研究結(jié)果只是通過有限元法分析鎂合金、鈦合金和不銹鋼內(nèi)固定在脛骨干骨折力學(xué)性能上的差異, 且由于有限元分析模型設(shè)定偏理想化, 與人體實(shí)際結(jié)構(gòu)會有些許差異(韌帶、肌肉、鎂合金降解等因素), 因此鎂合金材料在醫(yī)用金屬材料中是否具有優(yōu)勢還有待進(jìn)一步研究.

[1] Lan C B, Wu Y, Guo L L, et al. Effects of cold rolling on microstructure, texture evolution and mechanical properties of Ti-32.5Nb-6.8Zr-2.7Sn-0.3O alloy for biomedical applications[J]. Materials Science and Engineering: A, 2017, 690:170-176.

[2] Owaid M N, Ibraheem I J. Mycosynthesis of nanoparticles using edible and medicinal mushrooms[J]. European Journal of Nanomedicine, 2017, 9(1):5-23.

[3] Limmahakhun S, Oloyede A, Sitthiseripratip K, et al. Stiffness and strength tailoring of cobalt chromium graded cellular structures for stress-shielding reduction[J]. Materials & Design, 2017, 114:633-641.

[4] Taheri A M, Saedi S, Turabi A S, et al. Mechanical and shape memory properties of porous Ni50.1Ti49.9alloys manufactured by selective laser melting[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2017, 68: 224-231.

[5] 袁廣銀, 牛佳林. 可降解醫(yī)用鎂合金在骨修復(fù)應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2017, 53(10):1168-1180.

[6] Li G Y, Zhang L, Wang L, et al. Dual modulation of bone formation and resorption with zoledronic acid-loaded biodegradable magnesium alloy implants improves osteoporotic fracture healing: Anandstudy[J]. Acta Biomaterialia, 2018, 65:486-500.

[7] Berglund I S, Dirr E W, Ramaswamy V, et al. The effect of Mg-Ca-Sr alloy degradation products on human mesenchymal stem cells[J]. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 2018, 106(2):697-704.

[8] 劉國光. 不同固定方法治療167例脛骨骨折的病例對照研究[J]. 中外醫(yī)學(xué)研究, 2017, 15(6):115-116.

[9] Ai J, Kan S L, Li H L, et al. Anterior inferior plating versus superior plating for clavicle fracture: A meta- analysis[J]. BMC Musculoskeletal Disorders, 2017, 18(1): 159.

[10] 周凱華, 陶星光, 梁會, 等. 基于有限元分析比較碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合板與鈦制鋼板固定脛骨中段骨折的效果[J]. 中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志 2020, 35(10): 1028-1032.

[11] Mitkovic M, Milenkovic S, Micic I, et al. Results of the femur fractures treated with the new selfdynamisable internal fixator (SIF)[J]. European Journal of Trauma and Emergency Surgery: Official Publication of the European Trauma Society, 2012, 38(2):191-200.

[12] Bottlang M, Lesser M, Koerber J, et al. Far cortical locking can improve healing of fractures stabilized with locking plates[J]. The Journal of Bone and Joint Surgery American Volume, 2010, 92(7):1652-1660.

[13] 袁廣銀, 章曉波, 牛佳林, 等. 新型可降解生物醫(yī)用鎂合金JDBM的研究進(jìn)展[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2011, 21(10):2476-2488.

[14] 鄭玉峰, 顧雪楠, 李楠, 等. 生物可降解鎂合金的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 中國材料進(jìn)展, 2011, 30(4):30-43; 29.

[15] Dziuba D, Meyer-Lindenberg A, Seitz J M, et al. Long- termdegradation behaviour and biocompatibility of the magnesium alloy ZEK100 for use as a bio- degradable bone implant[J]. Acta Biomaterialia, 2013, 9(10):8548-8560.

[16] Wu Y F, Wang Y M, Zhao D W, et al.study of microarc oxidation coated Mg alloy as a substitute for bone defect repairing: Degradation behavior, mechanical properties, and bone response[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2019, 181:349-359.

[17] Wong C C, Wong P C, Tsai P H, et al. Biocompatibility and osteogenic capacity of Mg-Zn-Ca bulk metallic glass for rabbit tendon-bone interference fixation[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2019, 20(9):2191.

[18] Weng W J, Biesiekierski A, Li Y C, et al. A review of the physiological impact of rare earth elements and their uses in biomedical Mg alloys[J]. Acta Biomaterialia, 2021, 130:80-97.

[19] Willbold E, Gu X N, Albert D, et al. Effect of the addition of low rare earth elements (lanthanum, neodymium, cerium) on the biodegradation and biocompatibility of magnesium[J]. Acta Biomaterialia, 2015, 11:554-562.

[20] 張余, 馬立敏, 藍(lán)國波, 等. 鎂合金與鈦合金經(jīng)口咽前路寰樞椎復(fù)位內(nèi)固定鋼板治療寰樞椎脫位的三維有限元分析[J]. 中華創(chuàng)傷雜志, 2012, 28(10):921-925.

Finite element analysis research of magnesium alloy plate internal fixation for middle tibial fracture

XU Jingchao1, ZHANG Yanru1,2*, YANG Yue1, LI Hao3, LI Jiejie3, YU Jinwei4

( 1.Institute of Orthopedics, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454001, China;2.School of Medicine, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 3.School of Medicine, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454001, China; 4.Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital ofHenan Polytechnic University, Jiaozuo 454002, China )

The present study was designed to evaluate the mechanical properties of magnesium alloy, titanium alloy and stainless steel in the treatment of tibial shaft fracture by using finite element analysis method. A case of high-definition tibia CT data was selected and imported into Mimics 20.0 software in Dicom format. A three-dimensional model of tibia was established. Both Geomagic and Solidwork software packages were used to make internal fixation model of tibia fracture. The model was then imported into Workbench 2020 software with the material attributes specified. Two loading modes, the axial and torsional loading, were given to analyze the stress and displacement of the two materials. Under 600 N axial loading mode, the internal fixed stress of titanium alloy was (117.42±0.07) MPa and the displacement was (0.73±0.11) mm. The internal fixed stress of magnesium alloy was (117.11±0.04) MPa and the displacement was (0.82±0.08) mm. The internal fixed stress of stainless steel was (117.53±0.03) MPa and the displacement was (0.62±0.13) mm. The internal fixed stress of titanium alloy was (174.50±0.33) MPa and the displacement was (0.75±0.07) mm under the torsional loading mode of 30 N·mm. The internal fixed stress of magnesium alloy was (168.75±0.15) MPa and the displacement was (0.82±0.16) mm. The internal fixed stress of stainless steel was (176.23±0.51) MPa and the displacement was (0.61±0.13) mm. The results of internal fixation of three groups of different materials under two different loading modes were not significantly different. The results show that the mechanical properties of magnesium alloy internal fixation are similar to those of traditional titanium alloy internal fixation and stainless steel internal fixation. Moreover, magnesium alloy is better for the human body and may replace the traditional medical metal materials in the treatment of mid-segment tibial fracture.

middle tibial fracture; magnesium alloy; titanium alloy; stainless steel; finite element analysis; internal fixation

2021?10?27.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

河南省科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目（201402003）.

徐景超（1996－）, 男, 河南周口人, 講師, 主要研究方向: 骨科植入材料. E-mail: 1251621511@qq.com

通信作者:張雁儒（1970－）, 男, 河南西華人, 教授, 主要研究方向: 創(chuàng)傷骨科. E-mail: zyr@hpu.edu.cn

R608

A

1001-5132（2022）04-0109-06

（責(zé)任編輯 史小麗）