趙建波，李世蕓，熊鷹，黃子毅

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué)；2.650510 云南省 昆明市 昆明市延安醫(yī)院骨科；3.650510 云南省 昆明市 云南歐鉑斯醫(yī)療科技有限公司）

0 引言

股骨遠(yuǎn)端骨折是指股骨遠(yuǎn)端15 cm 以內(nèi)發(fā)生的骨折，由于骨折部位骨結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，骨折后多為粉碎性，是最難治的骨折之一[1-2]。目前在臨床中多采用鎖定加壓接骨板（Locking Compression Plate，LCP）對股骨遠(yuǎn)端骨折進(jìn)行固定，但若過早負(fù)重，會(huì)出現(xiàn)LCP 斷裂失效，導(dǎo)致患者需要二次手術(shù)[3]?；诖?，本課題組設(shè)計(jì)及研發(fā)出一款新型LCP，并對新型LCP 與傳統(tǒng)LCP 的生物力學(xué)特征進(jìn)行有限元分析，為股骨遠(yuǎn)端骨折治療時(shí)的接骨板選擇提供生物力學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 股骨模型的建立

選取一名25 歲健康志愿者，影像顯示無腫瘤、無骨骼變異，采用螺旋CT 對股骨進(jìn)行掃描，厚度為2 mm。將CT 數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 等軟件進(jìn)行處理，最終得到股骨模型。在SolidEdge 中對股骨模型進(jìn)行斷面，斷面間設(shè)置為2 mm 的骨痂。

1.2 接骨板模型的建立

在SolidEdge 中對新型LCP、傳統(tǒng)LCP、相同規(guī)格的螺釘及新型LCP專用小螺釘進(jìn)行簡化建模，如圖1 所示。

圖1 新型LCP、傳統(tǒng)LCP 及螺釘Fig.1 New LCP,traditional LCP and screws

為了全方面分析新型與傳統(tǒng)LCP的生物力學(xué)，本文設(shè)計(jì)了3 種裝配模型，新型LCP 有小釘（DF）、新型LCP 無小釘（DF1）、傳統(tǒng)LCP（ZF），如圖2 所示。

圖2 新型LCP、傳統(tǒng)LCP 的3 種裝配Fig.2 Three kinds of assembly of new LCP and traditional LCP

1.3 材料屬性

模型中涉及的材料，皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、骨痂、LCP 及螺釘均視為均質(zhì)材料，材料屬性見表1[5-8]。

表1 三維有限元模型各部分材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of each part of the 3D finite element model

1.4 邊界條件及加載方式

由于本文針對的是術(shù)后過早負(fù)重導(dǎo)致的接骨板斷裂失效，因此選用步態(tài)時(shí)的生物載荷作為加載條件。股骨的所有自由度固定,所受的髖關(guān)節(jié)接觸力和肌肉力載荷參照文獻(xiàn)[9]，如表2 所示。

表2 模型中施加的關(guān)節(jié)接觸力和肌肉力載荷Tab.2 Joint contact force and muscle force load applied in the model

表2 中：F1——髖關(guān)節(jié)接觸力；F2——外展肌；F3——闊筋膜張肌(往近端) ；F4——闊筋膜張肌(往遠(yuǎn)端)；F5——髂脛束（往近端）；F6——髂脛束（往遠(yuǎn)端）；F7——股內(nèi)側(cè)肌。

坐標(biāo)系基于股骨定義，x 軸指向股骨前方，y 軸豎直向上，z 軸指向股骨外側(cè)。各個(gè)力作用點(diǎn)位置如圖3 所示[9]。接骨板系統(tǒng)加載示意圖如圖4 所示。

圖3 作用力的位置和方向示意圖Fig.3 Position and direction of force

圖4 接骨板系統(tǒng)加載示意圖Fig.4 Loading diagram of bone plate system

2 結(jié)果

2.1 總體模型的應(yīng)力與變形云圖

模型應(yīng)力和變形云圖如圖5 所示。

圖5 3 種模型的應(yīng)力與變形云圖Fig.5 Stress and deformation nephograms of three models

2.2 LCP 的變形及應(yīng)力

變形及應(yīng)力云圖如圖6、圖7 所示。

圖6 LCP 變形云圖及曲線Fig.6 LCP deformation cloud diagram and curves

圖7 LCP 應(yīng)力云圖及曲線Fig.7 LCP nephogram and curve

2.3 3 種模型骨痂變形云圖

骨痂變形去圖如圖8 所示。

圖8 3 種模型骨痂變形云圖Fig.8 Callus morphologies of the three models

DF 的最大變形為6.873 mm，DF1 的最大變形為11.538 mm，ZF 的最大變形為10.983 mm。DF 的最大應(yīng)力為438.81 MPa，DF1 的最大應(yīng)力為771.76 MPa，ZF 的最大應(yīng)力為820.28 MPa。裝配模型的最大變形均出現(xiàn)在股骨轉(zhuǎn)子處，但最大應(yīng)力卻出現(xiàn)在股骨斷口處。

3 討論

目前，一些學(xué)者對LCP 固定股骨遠(yuǎn)端骨折固定系統(tǒng)的生物力學(xué)進(jìn)行了相關(guān)研究。在對股骨遠(yuǎn)端骨折鎖定鋼板內(nèi)固定失敗進(jìn)行了分析后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)固定失敗與否與鋼板的長度有很大關(guān)系，由于固有的機(jī)械缺陷，短鋼板相較于長鋼板有相對較差的疲勞性能，9 孔的鋼板具有很高的成功率[10]。于同一骨折類型，選擇植入物（如釘子、傳統(tǒng)鋼板或鎖定鋼板）不僅會(huì)改變結(jié)構(gòu)剛度，而且使用鎖定鋼板固定和不同的螺釘配置（如使用遠(yuǎn)皮質(zhì)鎖定螺釘）可改變高達(dá)81%的剛度[11]。本文針對股骨遠(yuǎn)端骨折，采用步態(tài)載荷對兩種LCP 進(jìn)行了模擬計(jì)算，并對術(shù)后形成的骨痂進(jìn)行了分析，用以評估LCP 結(jié)構(gòu)的差異對康復(fù)訓(xùn)練的力學(xué)安全性的影響，結(jié)果為術(shù)后康復(fù)提供參考。

現(xiàn)在的接骨板材質(zhì)主要是不銹鋼、鈷鉻鉬合金、鈦合金和非金屬材料，在臨床上的主要應(yīng)用的材料為不銹鋼和鈦合金[12]。生物相容性和力學(xué)相容性是接骨板材料選擇中重要的因素。力學(xué)相容性指接骨板材料的剛度、韌性、抗疲勞強(qiáng)度和磨損性等因素。本文研究了鈦合金和不銹鋼不同的力學(xué)性能，為以后的改進(jìn)提供了可靠的依據(jù)。

模擬計(jì)算表明，DF 的新型LCP 相較于ZF，總體最大應(yīng)力降低了45%，骨痂最大變形降低了46%，應(yīng)力降低了68%。說明增加的小釘有效減緩了應(yīng)力。對照云圖與表格，傳統(tǒng)LCP 最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺釘上，新型LCP 最大應(yīng)力出現(xiàn)在LCP 上，說明新型LCP 的應(yīng)力主要由LCP 承擔(dān)，因此才會(huì)造成新型LCP 在LCP 上應(yīng)力減小量不明顯，而在螺釘上應(yīng)力減小量特別明顯的情況。

不考慮2 根改裝小釘?shù)牧W(xué)影響，DF1 與ZF 相比較，DF1最大變形量與骨痂變形均大于ZF，但DF1 的最大應(yīng)力相比ZF卻減少了5%。說明新型LCP 彈性整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)LCP，證明部分情況下鈦合金優(yōu)于結(jié)構(gòu)鋼。骨痂的變形與LCP 的變形有很大關(guān)系，并會(huì)影響到骨痂的愈合，而且適當(dāng)?shù)膽?yīng)力會(huì)促進(jìn)骨痂的形成。

4 結(jié)論

本文分析采用的是步態(tài)生物載荷狀態(tài)，相比何勤理等[4]采用的靜壓力載荷更接近LCP 固定在股骨遠(yuǎn)端時(shí)的生物狀態(tài)，使分析結(jié)果更能反映出LCP 的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。

在外型設(shè)計(jì)上，新型板參考于傳統(tǒng)板的分析結(jié)果，在應(yīng)力集中的部位使用兩個(gè)小螺釘增加強(qiáng)度，而應(yīng)力較低的部位則減少壁厚，因而新型板與傳統(tǒng)板相比體積更小、質(zhì)量更輕。而且有限元分析表明，新型板的結(jié)構(gòu)改良能大幅度降低鋼板上的應(yīng)力，使新型板斷裂失效的可能性小于傳統(tǒng)板，固定效果將優(yōu)于傳統(tǒng)板，避免LCP 失效后二次手術(shù)給患者帶來不必要的痛苦。新型板有效的生物力學(xué)穩(wěn)定性特點(diǎn)，將在臨床中運(yùn)用更加廣泛。