摘要
目的 分析塑形对接骨板弯曲强度以及不同锁钉分布情况对接骨板受力的影响,为临床上对接骨板进行塑形与选择不同的锁钉分布方式提供生物力学依据。方法 根据YY/T 0342—2020标准对接骨板四点弯曲强度进行有限元仿真分析,并应用理论分析及有限元仿真方法对不同锁钉分布的假体模型进行受力分析。结果 在30°折弯时,3.7 mm厚接骨板比2.7 mm厚接骨板的等效塑性应变高28%;3.7、2.7 mm厚接骨板的极限折弯角度分别为55°、67°。折痕对接骨板受力影响较小,未塑形结构四点弯曲强度为2.64 N·m,等效弯曲刚度为1.12 N·m;带折痕四点弯曲强度为2.63 N·m,等效弯曲刚度为1.10 N·m;正反折弯后接骨板四点弯曲强度由2.64 N·m降低至2.45 N·m,降低约7.72%,等效弯曲刚度由1.12 N·m降低至0.98 N·m,降低了12%,影响较为明显。植入填塞螺钉后单孔接骨板四点弯曲强度改善较为明显,由2.64 N·m提升至3.15 N·m,提升约19.32%,等效弯曲刚度由1.12 N·m提升至1.14 N·m,提升幅度为2.1%。骨折线两侧至少各留出两个锁定孔不植入锁钉比打满锁钉应力降低约50%。在未形成骨痂的情况下,术后16周下地行走,TC4材质应力达到852.7 MPa,出现屈服。结论 在需要进行较大塑形的临床场景下,不适合厚度过大的接骨板,厚度大塑形后更易出现接骨板断裂问题,可指导临床基于塑形角度选择合适厚度接骨板,极端情况可选择植入填塞螺钉。建议临床固定锁钉时,避免打满螺钉的固定锁钉方式;骨折线两端各保留两个锁定孔不固定锁钉,生物力学效果最好。
关键词:
塑形
接骨板
锁钉分布
四点弯曲强度
有限元分析
骨板内固定是骨折手术最为常见的治疗方式之一 。一方面,术中接骨板的服帖度直接影响内固定效果,为实现接骨板与骨骼的良好贴合,有时需对接骨板进行塑形 。另一方面,接骨板与骨骼的桥接需锁钉固定,在不同手术中,医生根据具体情况确定锁钉的数量与位置,以满足骨折的固定 。
术中接骨板塑形的临床操作存在差异性。针对不同的手术,需要折弯塑形的角度不同。例如,部分解剖板服帖度较好,可不塑形或仅进行轻微塑形调整;而骨盆、锁骨等部位结构复杂,对接骨板塑形要求较高,塑形角度大 。不同程度的塑形对接骨板的强度影响不同,严重时导致接骨板断裂 。在临床上,为实现与骨骼服帖,接骨板需折弯至一定角度,存在正反折弯的情况;塑形使用的折弯器易在接骨板表面产生折痕,折痕处可能产生应力集中,均会影响接骨板强度,增加接骨板断裂风险 。
术中固定接骨板时,锁钉的分布方式将直接影响术后接骨板的受力 。而恶劣的受力情况会增加接骨板断裂的风险,尤其像股骨这类受力大、受力方向较为清晰部位。
本文聚焦塑形对接骨板弯曲强度、锁钉分布对接骨板受力的影响分析,从而给临床医师提供建议。具体研究步骤如下:① 通过模拟影响术前对接骨板塑形的各种因素,确定不同因素对接骨板强度的影响程度,并给出降低影响的建议。② 通过对术中锁钉的分布方式、术后骨痂愈合 等情况进行有限元仿真分析,评估接骨板的受力情况,对接骨板的临床应用给出合理建议。
使用两组模型对接骨板进行有限元计算。组1,模拟术前接骨板塑形前后的强度与刚度变化;组2,模拟术后步行时接骨板的受力。
1.1.1 四点弯曲有限元模型参数设置 使用Creo 8.0软件(PTC公司,美国)将骨盆直形锁定接骨板[见 图1 (a)]与辊轴进行装配,而后导入ABAQUS 2022软件(IMULIA公司,美国)进行有限元分析,对比不同场景下接骨板的四点弯曲受力情况 。
1.1.2 四点弯曲有限元模型建立 骨折复位前,需对骨板进行塑形,以满足服帖度要求。涉及4种有限元分析场景,分别为:未塑形四点弯曲模型[见 图1 (b)];塑形后带折痕四点弯曲有限元模型,其中折痕尺寸长为2.7 mm,最深处为0.1 mm,宽为0.1 mm,位于四点弯曲模型中心[见 图1 (c)];塑形过程中正反折弯四点弯曲有限元模型,正压后反压,模拟骨板正反折弯[见 图1 (d)];植入填塞螺钉后接骨板的四点弯曲模型[见 图1 (e)]。
1.2.1 三维模型搭建与仿真参数设置 使用Mimics(Materialise公司,美国)对1名健康男性志愿者左下肢进行高分辨率计算机图像[见 图2 (a)]进行重建,将重建后的股骨三维模型导入Creo中进行模型修复,并模拟接骨板的植入和固定。将三维模型导入ABAQUS中进行网格划分与有限元模型搭建,并将划分好的股骨网格模型导入Mimics中赋予股骨材料属性 ,模型搭建过程见 图2 (b)。
图2 从CT数据中提取骨骼模型模拟植入后接骨板受力
为了模拟33A2.3型骨折(AO分型),在股骨远端30 mm处形成2 mm间隙,骨折断端彼此不接触。依据骨折治疗的AO原则,关节外骨折可选用钢板固定。本文选择武汉迈瑞科技有限公司设计的股骨远端外侧微创锁定接骨板T模拟骨折固定,孔数为13孔,孔型为“8字”孔[见 图2 (c)],板厚5.8 mm,同时配合使用5.0 mm钛合金梅花头锁钉,将股骨锁定接骨板固定在股骨骨折模型上,通过调整锁钉位置与数量,对比接骨板的应力和应变分布。
装配模型中,锁钉头与接骨板、锁钉与股骨之间无滑动。因此,在有限元模型中,将锁钉头与接骨板、锁钉与股骨之间设置为绑定约束。股骨与接骨板存在一定接触,设置其表面为摩擦接触。根据股骨力线,固定股骨髁间窝,并在股骨头上沿着垂直轴施加1 274 N载荷 。使用C3D4单元进行网格划分,确定接骨板、股骨、单个锁钉的单元数分别为112 542、1 497 826、5 445,并设置TC4或TA3G接骨板与TC4锁钉的弹塑性材料参数(见 表1 )。
1.2.2 骨折线周围固定锁钉仿真模型 骨折复位手术中,骨折线周围不同的锁钉分布形式对植入物受力的影响不同,本文主要对骨折线周围6个锁定孔进行研究,未编号孔位均固定锁钉[见 图2 (d)]。模型A～D为4种锁钉固定情况,模型A中6个锁定孔均固定,模型B中3、4锁定孔不固定,模型C中2、3、4、5锁定孔不固定,模型D中6个锁定孔均不固定。
1.2.3 不同愈合状态仿真模型 骨折复位手术完成后,骨折区域会出现骨生长与骨吸收过程,二者的相互作用共同促进骨折恢复,在骨折区域形成骨痂,正常愈合所形成的骨痂的力学性能 ,具体参数如下:16周皮质骨弹性模量75 MPa,松质骨弹性模量4.420 8 MPa。对正常愈合与不愈合情况分别进行仿真分析,模型与 图2 (d)骨折线周围固定锁钉仿真模型一致,仅骨折缝中材料参数不同。
2.1.1 板厚对接骨板塑形极限的影响 区别于其他四点弯曲模型,为更贴近临床,对不同厚度的骨盆锁定接骨板进行三点弯曲折弯分析。结果发现,30°折弯时,3.7 mm厚接骨板比2.7 mm厚接骨板的等效塑性应变高28%,即同种材料,接骨板越厚,局部的折弯变形越严重,折弯越易形成损伤。在不发生断裂的情况下,3.7 mm厚接骨板的极限折弯角度为55°,2.7 mm厚接骨板的极限折弯角度为67°。接骨板越厚,其极限塑形角度越小(见 图3 )。
2.1.2 塑形角度对接骨板强度的影响 为确定塑形角度对接骨板四点弯曲强度的影响趋势,推导其四点弯曲强度计算公式如下:
F [
{
"name": "text",
"data": "y"
}
] = F t /2
F [
{
"name": "text",
"data": "x"
}
] = F 1 sin( α/ 2)
式中: F 1 为外辊轴对接骨板支撑力; F [
{
"name": "text",
"data": "y"
}
] 与 F [
{
"name": "text",
"data": "x"
}
] 分别为外滚轴分力; F t 为四点弯曲轴向屈服载荷; α 为接骨板折弯角度[见 图4 (a)];h为接骨板在两个外滚轴中心位置的最大位移。由几何关系可得弯曲部分半径 R 、 h 与滚轴间距 L 之间的关系:
h = R (1-cos a/ 2)+ L ·tan a/ 2
将式(4)、(5)代入式(6),计算出理论接骨板四点弯曲强度 M :
M = kF [
{
"name": "text",
"data": "t"
}
] L
σ s = M/W [
{
"name": "text",
"data": "Z"
}
]
M t = F [
{
"name": "text",
"data": "t"
}
] L/ 2
式中: M t 为测试的接骨板四点弯曲强度; k 为折弯后结构的弯矩变化系数; σ s 为接骨板材料的屈服应力; W [
{
"name": "text",
"data": "Z"
}
] 为接骨板的抗弯截面模量。
由钛合金材料的应力应变曲线可知,由于加工硬化作用,折弯后的接骨板应力超过材料的屈服强度再卸载,材料的屈服强度会与前一次加载的应力一致,因此,塑形后材料的屈服强度会沿着材料曲线提升,由 σ s 增大至 σ s ′ [见 图4 (b)]。
折弯前后 W [
{
"name": "text",
"data": "Z"
}
] 变化可忽略不计,由式(11)可知,随着 σ s 增大,在 α 较小的情况下, k 变化可忽略不计[见 图4 (c)],因为 L 不变,故 F t 增大, F t 增大可得 M t 增大,故测试的四点弯曲强度增大。随着 α 的不断增大, k 增长趋势急剧增加,但 σ s 增长平缓,此时 F t 开始减小,相应的 M t 减小,测试的接骨板四点弯曲强度降低。
2.1.3 塑形过程对接骨板强度与刚度的影响 带折痕接骨板与未塑形接骨板的四点弯曲强度较为一致,未塑形结构为2.64 N·m,带折痕四点弯曲强度为2.63 N·m,带折痕四点弯曲仿真强度略低于原结构。正反折弯后接骨板的四点弯曲强度出现较大降低,由2.64 N·m降低为2.45 N·m,降低约7.72%。
塑形过程对接骨板等效弯曲刚度的影响程度存在差异。原结构的等效弯曲刚度为1.12 N·m 2 ,带折痕接骨板的等效弯曲刚度为1.10 N·m 2 ,折痕的增加导致接骨板刚度降低约1.5%。正反折弯后,接骨板的等效弯曲刚度降低至0.98 N·m 2 ,降低了12%[见 图4 (d)]。
相比无填塞螺钉的原结构,植入填塞螺钉后单孔接骨板系统的四点弯曲强度改善较为明显,由2.64 N·m提升至3.15 N·m,提升约19.32%。填塞螺钉的植入,使得接骨板的等效弯曲刚度相比无填塞螺钉结构由1.12 N·m 2 提升至1.14 N·m 2 ,提升幅度为2.1%,旋入填塞螺钉后,接骨板折弯区域结构刚度提升,抵抗变形的能力增加,使得等效弯曲刚度提升[见 图4 (e)]。
2.2.1 骨折线周围的锁钉对植入物受力的影响 通过4种模型的有限元仿真结果发现,TA3G接骨板的应力约为441 MPa,模型A在载荷作用下,接骨板更易发生屈服,其等效塑性应变远高于其他模型,锁钉的应力也远高于其他模型,模型B相比模型A,其接骨板等效塑性应变与锁钉应力有所降低,但仍高于模型C、D。模型C、D接骨板锁钉应力约为441 MPa,且两个模型的等效塑性应变相差不大[见 图5 (a)]。
2.2.2 愈合状态对植入物受力的影响 对术后16周有或无骨痂形成后的骨折区域进行仿真分析。
结果显示,正常愈合16周后,植入物系统最大应力为403.7 MPa[见 图5 (b)],仅为TC4材料屈服极限(830 MPa)的50%,有较大的安全余量,即良好的骨痂生长过程,接骨板无断裂风险。如果术后过早下地行走运动或骨折区域久不愈合未形成骨痂,接骨板系统的受力如 图5 (c)所示。可以发现,即使应用TC4材质接骨板,其应力852.7 MPa超过了屈服极限(830 MPa),存在接骨板断裂风险。
在塑形对接骨板强度与刚度的仿真中,3.7 mm厚接骨板的极限折弯角度为55°,2.7 mm厚接骨板的极限折弯角度仅为67°。因此,通过增加接骨板厚度提升接骨板强度,不适用塑形角度较大的情况,接骨板越厚,塑形越易形成损伤。接骨板厚度作为接骨板核心尺寸之一,将直接影响接骨板刚度,且厚度与刚度正相关,但随着刚度的提升,变形能力随之减弱 。根据式(11),由于加工硬化作用,接骨板塑形角度较小时,其四点弯曲强度上升 ;但随着塑形角度不断增大,接骨板的四点弯曲强度会由上升转为下降。另外,折弯时可能产生的损伤,强度先增大后减少的转折点会前移,随着折弯角度不断增大,损伤的影响占比增大,强度下降的速度会更快,极易发生接骨板断裂问题,该趋势与季东升 测试结果一致。
正反折弯后四点弯曲强度由2.64 N·m降低为2.45 N·m,降低约7.72%。本文推测,正反折弯后,折弯区域会产生残余应力,残余应力与载荷共同作用,使得接骨板局部能承受的屈服载荷降低,进一步表现为四点弯曲强度降低。带折痕接骨板的等效弯曲刚度为1.10 N·m 2 ,折痕的增加导致接骨板刚度降低约1.5%;正反折弯后,接骨板的等效弯曲刚度降低至0.98 N·m 2 ,降低了12%。折痕与正反折弯使得接骨板应力集中部分出现较大形变,而较大形变导致接骨板表面形成损伤,损伤的出现导致刚度降低 。因此,塑形过程会对接骨板四点弯曲强度与等效弯曲刚度产生不利影响,增大了接骨板的断裂风险。
填塞螺钉植入骨盆接骨板后,接骨板上锁定孔受力后传递至填塞螺钉,使得锁定孔四点弯曲强度由2.64 N·m提升至3.15 N·m,提升约19.32%,即接骨板的四点弯曲强度得到提升。骨盆接骨板孔型为单孔结构,非单孔接骨板有不同的表现。例如,部分接骨板孔型为“8字孔”结构,该孔型的最薄弱位置为加压孔非锁定孔,使用填塞螺钉旋入“8字孔”中的锁定孔部分,对最弱位置加压孔处的强度无提升。因此,使用填塞螺钉无法提升“8字孔”接骨板的强度。
在载荷作用下,打满锁钉,将增大系统的刚度,使得部分锁钉及锁定孔部位出现应力集中的情况。在满足恢复骨折端的解剖结构的前提下,在接骨板上植入锁钉时,骨折线两侧至少各留出两个锁定孔不植入锁钉,可以有效降低接骨板与锁钉的应力。远离骨折线的锁钉的数量与位置对植入物的影响较为有限,因此远离骨折线的锁钉的数量与位置可根据临床实际进行选择性固定。
长期在高应力作用下,产品极易出现断裂问题 [19-20] 。在骨折愈合效果不好的情况下,植入物便暴露在高应力下,应力达到852.7 MPa,已超过830 MPa屈服极限。在这种情况下,植入物极易出现断裂问题。同时,骨折区域出现骨块缺失,或久不愈合,则极易导致骨骼力线偏移,从而引入侧向力矩,增加植入物断裂风险。
作者贡献声明： 周望负责仿真分析、数据处理以及论文撰写;徐剑晴负责仿真分析、数据处理以及论文修改;何思渊负责数据处理与论文审阅;刘梦星负责研究指导与论文审阅;张述、王俊文、焦竞、米博斌、刘国辉、朱威威、何智圣、张柳云负责论文审阅。
(1)
(4)
(6)
(7)
(8)
(11)
微信
QQ空间
微博
QQ
