韓詩(shī)杭， 董黎敏， 李　炫， 葉金鐸， 張春秋

(天津理工大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300384 )

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鎂合金與鈦合金接骨板固定股骨中斷骨折的有限元分析

韓詩(shī)杭， 董黎敏， 李炫， 葉金鐸， 張春秋

(天津理工大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300384 )

摘要：探究AZ31鎂合金接骨板與傳統(tǒng)鈦合金接骨板在治療骨折過(guò)程中力學(xué)性能的異同.根據(jù)人體股骨CT圖片進(jìn)行股骨的三維重建，將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行接骨板接骨釘?shù)慕?，進(jìn)行有限元分析.設(shè)定鎂合金為實(shí)驗(yàn)組，鈦合金為對(duì)照組，分別模擬斷裂時(shí)期、愈合前期與愈合后期進(jìn)行計(jì)算，提取接骨板與股骨上8個(gè)位置的應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.結(jié)果表明，鈦合金對(duì)照組中，處于股骨上的4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)為壓縮，而處于接骨板上4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)為拉伸，隨著骨折的愈合，接骨板上各關(guān)鍵點(diǎn)位置的應(yīng)力值減小，而股骨上關(guān)鍵點(diǎn)位置應(yīng)力值增大；鎂合金實(shí)驗(yàn)組結(jié)果與鈦合金組類似，而鈦合金組的應(yīng)力值一般大于鎂合金組.愈合過(guò)程中，股骨內(nèi)側(cè)一般為壓縮，接骨板側(cè)一般為拉伸，鎂合金接骨板與鈦合金接骨板8處位置規(guī)律基本一致，而隨著骨折的逐漸愈合，股骨內(nèi)側(cè)所受應(yīng)力逐漸增大，而接骨板外側(cè)具有減小的趨勢(shì)，鎂合金接骨板與鈦合金接骨板在治療骨折過(guò)程中具有相似的力學(xué)特性.

關(guān)鍵詞：有限元分析； 鎂合金接骨板； 鈦合金接骨板； 骨愈合

目前骨科臨床上常用的骨折內(nèi)固定修復(fù)材料為傳統(tǒng)的金屬材料.通常認(rèn)為以下兩種因素導(dǎo)致了金屬材料固定物的失?。?1)力學(xué)缺陷，即植入物與骨之間的相對(duì)微動(dòng)及植入物造成的應(yīng)力遮擋效應(yīng)；(2)生物學(xué)缺陷，即植入物的磨損碎片及腐蝕作用后的小分子被認(rèn)為是造成無(wú)菌性松動(dòng)的另一主要因素.為了盡可能的避免金屬材料植入后的失敗，從組織工程學(xué)的角度和材料科學(xué)的角度通常認(rèn)為金屬固定物需要具有如下的特性：早期達(dá)到穩(wěn)定的固定效果[1]；減少和避免使用有毒性或者組織反應(yīng)較大的材料，對(duì)于有毒性元素的植入物應(yīng)該盡可能的減少植入物毒性分子的釋放[2]；盡可能的保證骨與金屬材料植入物彈性模量的一致，避免或減小應(yīng)力遮擋效應(yīng)[3].

鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金，其種類繁多，具有與人體骨接近的密度和彈性模量(人體骨的密度為1.75g/cm3，彈性模量為20GPa，純鎂的密度為1.74g/cm3，彈性模量為45GPa)、高比強(qiáng)度和比剛度、生物可降解性、生物相容性以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，能有效的避免“應(yīng)力遮擋效應(yīng)”[4].而且，降解的適量鎂離子可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化，具有生物活性[5].另外，鎂合金在治愈后不需要進(jìn)行二次手術(shù)，不僅降低了費(fèi)用，而且避免了對(duì)患者的二次傷害.基于良好的生物相容性和力學(xué)性能，鎂合金受到國(guó)內(nèi)外各界的關(guān)注，并成為生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一[6].AZ31 [Al(2.5～3)- Zn(0.7～1.3)- Mn0.2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%]鎂合金因具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、可加工性、生物降解性及較低廉的價(jià)格，近些年來(lái)一直是骨內(nèi)植入研究常選的可降解材料.本研究采用有限元分析的方法，探索鎂合金材料與傳統(tǒng)鈦合金材料在治療骨折過(guò)程中力學(xué)性能的異同.

1有限元模型的建立

1.1 股骨模型的三維重建

股骨是一個(gè)復(fù)雜形體，用CAD軟件很難直接繪制，研究中多用CT圖像通過(guò)反求得到股骨三維模型.初期的點(diǎn)云處理在Mimics軟件中進(jìn)行，CT圖像處理的股骨模型如圖1所示，然后應(yīng)用Geomagic Studio逆向工程軟件進(jìn)行表面處理，處理后的模型如圖2所示.

圖1　Mimics處理所得股骨模型

圖 2　Geomagic處理所得股骨模型

1.2基于ANSYS軟件建立股骨骨折系統(tǒng)模型

圖3 接骨板固定股骨中斷骨折有限元模型

將處理好的股骨模型導(dǎo)入ANSYS中，簡(jiǎn)化接骨板模型為板狀，簡(jiǎn)化接骨釘為圓柱體，并且簡(jiǎn)化為四孔接骨板，調(diào)整工作平面的位置，剪切出一個(gè)約3mm厚的斷片(股骨橫斷截面薄層)，賦予斷片不同的彈性模量來(lái)模擬骨愈合的三個(gè)時(shí)期：斷裂時(shí)期、愈合前期及愈合后期.建立有限元模型如圖3所示.

2 數(shù)值模擬

首先對(duì)有限元模型進(jìn)行前處理，單元屬性參數(shù)見(jiàn)表1，設(shè)定鎂合金接骨板為實(shí)驗(yàn)組，鈦合金接骨板為對(duì)照組，將接骨板與接骨釘、股骨與接骨釘進(jìn)行粘接處理，劃分網(wǎng)格(單元數(shù)：183126；股骨單元數(shù)：117685)，施加邊界條件，在股骨頭上表面施加人體雙腿站立時(shí)單側(cè)股骨所受載荷(約250N沿力線方向)，髁部底面進(jìn)行位移全約束，進(jìn)行計(jì)算.取接骨板與股骨側(cè)八個(gè)位置為關(guān)鍵點(diǎn)(關(guān)鍵點(diǎn)即是后續(xù)電測(cè)實(shí)驗(yàn)中粘貼應(yīng)變片的位置點(diǎn))，關(guān)鍵點(diǎn)分布如圖4所示，分別查詢八個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的軸向應(yīng)力大小，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖5為鈦合金對(duì)照組斷裂時(shí)期的仿真結(jié)果.

表1 單元屬性設(shè)置

圖4 關(guān)鍵點(diǎn)位置示意圖

圖 5 鈦合金對(duì)照組斷裂時(shí)期軸向應(yīng)力圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果

分別查詢接骨板側(cè)與股骨側(cè)八個(gè)位置處的軸向應(yīng)力大小，鈦合金對(duì)照組仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)在1、2、3、4位置處為壓縮，5、6、7、8位置處為拉伸；隨著骨折的愈合，股骨側(cè)應(yīng)力絕對(duì)值增大，而接骨板側(cè)應(yīng)力呈減小的趨勢(shì).鎂合金實(shí)驗(yàn)組結(jié)果圖如圖7所示，結(jié)果與鈦合金對(duì)照組結(jié)果相似.

圖6 鈦合金接骨板實(shí)驗(yàn)組仿真結(jié)果

圖7 鎂合金接骨板實(shí)驗(yàn)組仿真結(jié)果

對(duì)比鎂合金實(shí)驗(yàn)組與鈦合金對(duì)照組的仿真數(shù)據(jù)，在斷裂時(shí)期，結(jié)果如圖8所示，股骨側(cè)鎂鈦合金應(yīng)力大小比較接近，而鎂合金組一般大于鈦合金組，接骨板側(cè)5、7、8位置，鈦合金對(duì)照組應(yīng)力大于鎂合金實(shí)驗(yàn)組，6位置處鎂合金實(shí)驗(yàn)組應(yīng)力大于鈦合金對(duì)照組；在愈合前期，結(jié)果如圖9所示，結(jié)果與斷裂時(shí)期規(guī)律基本一致；骨愈合后期仿真結(jié)果如圖10所示，股骨側(cè)規(guī)律不變，接骨板側(cè)5、6、8位置，鈦合金對(duì)照組應(yīng)力大于鎂合金實(shí)驗(yàn)組，7位置處鎂合金實(shí)驗(yàn)組應(yīng)力大于鈦合金對(duì)照組.

圖8斷裂時(shí)期鎂合金組-鈦合金組仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

圖9 愈合前期鎂合金組-鈦合金組仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

圖10 愈合后期鎂合金組-鈦合金組仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：在骨愈合初期，股骨內(nèi)側(cè)一般為壓縮，接骨板外側(cè)一般為拉伸；隨著骨折逐漸愈合，股骨內(nèi)側(cè)所受應(yīng)力有增大的趨勢(shì)，接骨板外側(cè)有減小的趨勢(shì)，鎂合金接骨板與鈦合金接骨板8處位置規(guī)律基本一致.通過(guò)各個(gè)愈合過(guò)程的比較，發(fā)現(xiàn)鎂合金接骨板對(duì)比鈦合金接骨板具有相似的力學(xué)特性.上述分析結(jié)果還需要通過(guò)體外電測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證.

參考文獻(xiàn):

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(編輯：姚佳良)

Finite element simulation of femur fracture healing

by magnesium alloy and titanium alloy

HAN Shi-hang, DONG Li-min, LI Xuan, YE Jin-duo, ZHANG Chun-qiu

(Tianjin Key Laboratory for Control Theory and Applications in Complicated Systems,

Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

Abstract:To explore the similarities and differences of mechanical properties in AZ31 magnesium alloy and traditional titanium in treating femoral fracture, we conducted three-dimensional reconstruction of the femur by human femur CT image, imported the model into ANSYS, then modeled plates and bone screws, and carried out finite element analysis. Magnesium alloy was as the experimental group and titanium was the control group.Fracture period,early healing period,and late healing period were simulated. The stress of 8 key points in plate and femur were extracted and analyzed.The results showed that four key points on the femur of the titanium control group were compressed in the bone healing period, while four key points on bone plate is stretched.As the fracture healing,the value of key points in bone plate reduces,the value of key points in femur increases.The results of magnesium alloy experimental group were similar to the titanium control group, while the data of magnesium group was larger than that of titanium group.In conclusion in the bone healing period，the medial femur is compressed, and the side with plates is stretched. The regularity of 8 positions on the magnesium alloy plates are consistent with that on the titanium plates. With the gradual healing of fracture, the stress of medial femur increases, while the stress of the side with plates decreases. The magnesium alloy plates and the titanium plates have similar mechanical properties in the process of fracture treatment.

Key words:finite element analysis; magnesium alloy plates; titanium plates; bone healing

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-6197(2015)03-0060-04

作者簡(jiǎn)介：韓詩(shī)航，男，375079967@qq.com； 通信作者：董黎敏，女，lm_dong2005@163.com.

基金項(xiàng)目：天津市大學(xué)生創(chuàng)新性計(jì)劃項(xiàng)目(201310060004)

收稿日期：2014-09-08