超聲波焊接技術應用PDLLA接骨系統固定兔下頜骨骨折的有限元分析

阿依達娜·烏拉爾別克, 阿曼妮薩罕·加帕爾, 凌 彬,2

(1新疆醫科大學第一附屬醫院(附屬口腔醫院)口腔頜面腫瘤外科, 2新疆維吾爾自治區口腔醫學研究所, 烏魯木齊 830054)

口腔頜面部骨折良好愈合的根本條件是精確復位和穩定固定[1]。理想的固定方式不僅需要良好固定骨折斷端并提供初期穩定性,還要避免因內固定而引起的合并癥以及二次手術造成的創傷。1960年,聚乳酸(Ploy lactic acid,PLA)因其較好的機械強度和可生物降解性而首次應用于醫療領域,作為替代鈦合金的首選材料[2]。近年來,隨著高分子可吸收材料的不斷改進和發展,PLA材料已在骨折內固定裝置、縫合材料、組織生長和組織工程支架等多個領域得到應用[3]。PLA有四種異構體,其中外消旋聚乳酸(Ploy D,L lactic acid,PDLLA)比其他三種異構體在強度和降解速率及生物相容性上更具優勢[4]。

超聲波焊接技術(Ultrasound/Ultrasonic welding)是通過超聲產熱并使PDLLA固定釘熔融后,進入骨松質骨小梁結構中,同時固定釘與可吸收固定板也通過超聲熔融結合到一起。曾有學者使用超聲波焊接技術輔助可吸收材料對大鼠脛骨進行固定,發現可吸收固定釘通過超聲產熱熔融后依然具有良好的生物安全性[5]。此外,有國外學者根據植入材料表面形貌分析研究發現,與其他內固定系統表面相比,一種超聲輔助焊接系統,即SonicWeld Rx系統所使用銷釘的表面更光滑,并且由于SonicWeld Rx系統體積更小(即4孔板的體積為14%),因此可以認為超聲焊接系統作為安全的可吸收內固定系統具有強大的潛力,以及良好的幾何形狀和機械性能,可用于固定負載分擔頜面骨折和截骨術[6]。傳統內固定技術往往通過攻絲后將螺釘擰入固定部位中,這不僅要求術區視野清晰,并且對術者要求較高,有時更會出現攻絲滑脫以及斷裂的風險,而超聲波焊接技術操作簡單、易于掌握,并且大大增加了生物可吸收固定釘的初始固定強度,將傳統的螺紋-加壓-摩擦的機械固定方式轉變為三維立體滲透固定方式[7]。

本文中通過建立兔下頜骨骨折三維有限元模型,模擬超聲波焊接技術及傳統內固定技術輔助外消旋聚乳酸(PDLLA)進行兔下頜骨內固定,通過模擬彎曲實驗以及咬合實驗對兩種不同固定方式下可吸收板、可吸收固定釘以及下頜骨位移及應力情況進行分析,現報道如下。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及手術過程健康成年新西蘭大白兔,雄性,2～4月齡,體重3.0～3.5 kg。制取兔下頜骨并造骨折模型:速眠新Ⅱ(0.05 mg/kg)、舒泰50(0.12 mL/kg),混合肌注,麻醉生效后動物采取側臥位,于耳緣靜脈注射20 mL空氣致死,下頜骨及頸部區域備皮,洗手,碘伏消毒術區,鋪巾,著手術衣,距下頜骨下偏內緣依次切開皮膚、皮下組織,逐層切開暴露骨面,取出完整下頜骨標本,于頦孔后1 cm處造骨折模型,固定后使用生理鹽水沖洗,關閉術區,將兔下頜骨處標本表面覆蓋生理鹽水紗布,零下20℃保存。本實驗已通過新疆醫科大學動物倫理委員會審批(倫理審批號:IACUC-20211224-36)。

1.2 兔下頜骨骨折有限元模型構建對兔下頜骨標本使用微計算機斷層掃描技術(Micro Computed Tomography Micro-CT)(Leica,德國)掃描圖像數據并導入Mimics 21.0軟件中分割閥值、自定義骨取值范圍,得到骨組織初步像素信息,隨后編輯蒙板;人工分離出下頜骨以外的元素,區分骨組織與肌肉組織,曲面擬合兔下頜骨幾何模型,最終得到兔下頜骨三維模型,如圖1所示。

圖1 兔下頜骨幾何模型

1.2.1 有限元模型網格劃分及材料的力學參數 通過查閱文獻后可知皮質骨、松質骨、牙齒、牙周膜以及PDLLA的楊氏模量、泊松比、單元尺寸、節點數及單元數相關數據[8-9],見表1、2。

表1 植入材料

表2 各部分模型組織的材料參數

1.2.2 邊界條件 將數據導入至ansys 17.0軟件中,分別設置超聲波焊接技術組(超聲組)及傳統內固定技術組(擰入組)約束關系,其中超聲組:固定釘與固定板間、固定釘與頜骨間因超聲輔助技術可將固定釘與固定板進行融合,并通過滲透進骨小梁中與骨組織緊密結合在一起,故設置其為Bonded綁定關系(即接觸界面焊接在一起,既不能分離也不能滑動);擰入組:固定釘與固定板間、固定釘與頜骨間僅有接觸,可有少量動度,故設置為No Separation法向不分離關系(即切向有滑移而法向不分離的接觸類型)。

1.2.3 應力和形變分析 本研究中將三維有限元仿真實驗分為彎曲實驗和咬合實驗,獲得兩組下頜骨、可吸收固定釘及可吸收固定板的形變云圖和Von Mises應力云圖,對兩組固定板和固定釘及使用上述兩種方式固定后的下頜骨進行應力分析及形變分析。

1.3 兔下頜骨骨折有限元仿真根據課題組前期預實驗得出,兔下頜骨斷裂所需最小力約為160 N,通過將兔下頜骨骨折兩側進行固定后,于第二前臼齒上方施加160 N垂直加載力(如圖2A所示),從而模擬超聲組以及擰入組彎曲實驗。通過將三維重建模型的顳下頜關節以鉸鏈支撐處理,作為兔下頜骨模型的邊界條件[8];根據國外研究者[10]對新西蘭大白兔的咀嚼生理研究,其最大咬合力和咀嚼力橫截面相關,約為35 N,因此在此模型中,載荷條件以兔最大咬合力的50%計算,分別在兔下頜骨的切牙區和后牙區給予17.5 N的垂直力來模擬咬合實驗(如圖2B所示)。

A: 彎曲實驗模式圖; B: 咬合實驗模式圖。

2 結果

2.1 兩組可吸收固定板、可吸收固定釘以及下頜骨位移分析彎曲實驗中,在垂直載荷力的作用下,兩組固定板最大位移出現在中央釘孔遠中區域,其中超聲組固定板最大位移為0.018 9 mm、擰入組固定板最大位移為0.022 4 mm;兩組固定釘最大位移出現在遠中固定釘靠近骨折線處周圍,超聲組和擰入組固定釘最大位移分別為0.012 5 mm和0.013 3 mm;兩組下頜骨位移分布于髁突及骨折線遠端,超聲組下頜骨最大位移為0.027 8 mm、擰入組下頜骨最大位移為0.038 8 mm,見圖3。

注： A, 超聲組固定板形變云圖; B, 擰入組固定板形變云圖; C, 超聲組固定釘形變云圖; D, 擰入組固定釘形變云圖; E, 超聲組下頜骨形變云圖 ;F, 擰入組下頜骨形變云圖。

咬合實驗中,在全牙列35 N垂直加載力作用下,兩組固定板、固定釘及下頜骨的形變集中于骨折線近中區域。超聲組固定板應力主要集中于遠中孔洞,最大位移為5.035 mm;擰入組固定板最大位移集中于近中孔洞周圍,其最大位移為8.499 2 mm。超聲組固定釘最大位移為7.069 0 mm,在近中處最明顯,并且固定釘形變平均分布;擰入組固定釘最大位移為7.950 4 mm,形變主要集中于近中固定釘,且集中于釘帽處。兩組下頜骨形變均集中于前牙區,并沿頜骨向骨折線區域逐步減小,超聲組下頜骨最大位移為21.388 0 mm、擰入組下頜骨最大位移為10.886 0 mm。有限元分析結果提示,彎曲實驗中,超聲組固定性能在位移方面較擰入組好,但在咬合實驗中,超聲組下頜骨所產生的位移較大,且集中于前牙區,使其穩定性降低,使用超聲波焊接技術將頜骨進行固定后,進行咀嚼運動時固定釘易發生松動,見圖4。

注： a, 超聲組固定板形變云圖; b, 擰入組固定板形變云圖; c, 超聲組固定釘形變云圖; d, 擰入組固定釘形變云圖; e, 超聲組下頜骨形變云圖; f, 擰入組下頜骨形變云圖。

2.2 兩組可吸收固定板和可吸收固定釘應力情況彎曲實驗中,在垂直載荷的作用下,超聲組及擰入組固定板最大應力出現在中央孔洞周圍,超聲組固定板最大應力為1.429 MPa、擰入組固定板最大應力為1.565 MPa。在彎曲實驗過程中垂直力加載點為骨折線上方第二前臼齒處,實驗發現兩組固定釘應力集中于遠中固定釘,超聲組遠中固定釘應力自下而上應力值逐漸增大、集中于頸部,對抗其上方垂直向載荷承載下的分離形變,最大等效應力為0.174 MPa;而擰入組固定釘所受應力均勻分布,最大等效應力為0.102 MPa,見圖5。

注: A, 超聲組固定板應力云圖; B, 擰入組固定板應力云圖; C, 超聲組固定釘應力云圖; D, 擰入組固定釘應力云圖。

咬合實驗中,在兔下頜骨的切牙區和后牙區同時給予17.5 N的垂直力,超聲組固定板應力集中于中央孔洞周圍并向周圍擴散,最大應力為163.510 MPa;擰入組固定板應力同樣集中于中央孔洞,最大應力為253.190 MPa。超聲組固定釘在進行咀嚼運動時,隨著咀嚼力增大,其所受應力也會逐漸增加,最大應力為7.000 MPa,并集中于固定釘頸部;擰入組固定釘主要分布于骨折線遠中處固定釘,其最大應力為43.807 MPa,見圖6。

注: a, 超聲組固定板應力云圖; b, 擰入組固定板應力云圖; c, 超聲組固定釘應力云圖; d, 擰入組固定釘應力云圖。

3 討論

下頜骨骨折好發部位包括下頜正中聯合、頦孔、下頜角、髁突頸部,因其所受應力較大,故臨床中多使用鈦板進行堅固內固定[11],而可吸收材料多用于受力較小部位。Augat等[12]通過超聲波焊接技術將乳酸螺釘植入骨模擬材料-聚氨酯中進行聚乳酸釘的靜態推出試驗得出結論:與標準的3.5 mm AO骨螺釘相比,使用超聲波焊接技術插入的3.5 mm聚乳酸植入物在高密度聚氨酯材料中提供了比傳統螺釘更強的固定效果。其原理主要在于超聲波焊接技術的特殊性,在預備釘道時需與可吸收釘大小相匹配,使材料植入后可與骨界面形成摩擦振動產熱,可吸收釘熔融滲入骨小梁中,并使固定釘與固定板進一步融合,從而增加接觸面積,以此加強內固定材料的穩定性。

本實驗通過三維有限元分析了兔下頜骨骨折進行固定后的相關情況,并利用彎曲實驗及咬合實驗模擬下頜骨在受力時應力集中情況,為后續實驗奠定了基礎。其中,醫學圖像的三維重建起到了關鍵作用,它通過計算機對二維數字斷層圖像序列形成的三維體數據進行處理,將其變換為具有直觀立體效果的圖像來展示人體組織的三維形態,利用一系列的二維切片圖像重建三維圖像模型并進行定性、定量分析[13]。

有限元分析模型能夠分析物體間以及物體內部復雜的力學變化過程,預測力學作用的效應[14]。有限元分析在口腔外科學、口腔種植修復學等領域的應用較為廣泛[15],主要包括在頜骨囊腫方塊切除術術前進行FEA并模擬下頜骨骨折復位內固定以及牙列缺損修復及種植體修復的應力集中情況等[16-17],Kavanagh等[18]利用三維重建技術重建健康患者下頜骨,對其使用一至兩塊鈦板固定外斜線、下頜角等不同方法進行有限元分析,比較優、缺點,這對頜面外科醫生術前的精確分析是有益的。

因此,為驗證超聲波焊接技術的固定性及穩定性,我們對兔下頜骨線性骨折進行了三維重建并建立有限元模型。在彎曲實驗及咬合實驗中,對兩組應力進行對比可發現,超聲組固定釘最大應力均小于擰入組,說明在使用超聲焊接技術對頜骨線性骨折固定時,因其通過振動產熱使固定釘熔融并與固定板以及骨小梁通過三維滲透緊密連接在一起,增加了接觸面積,可充分分散應力,避免出現應力集中而致固定釘斷裂等情況。

本實驗中使用的超聲骨焊接固定系統為國內自主研發產品,尚未廣泛投入使用,具有價格低廉、操作簡便、適用于解剖結構復雜及視野狹小手術區域等優點。本研究通過有限元模型模擬兔下頜骨骨折,對板釘式超聲焊接內固定系統進行了力學分析,在后續研究中可建立大動物上頜骨非承重區域骨折模型,進一步確定其力學性能。