有限元分析在金屬接骨板中的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

周均 鄭照縣 周夢林 任旭輝 張驍 浙江省醫(yī)療器械檢驗研究院 （浙江 杭州 310018）

接骨板用于骨折內(nèi)固定治療已有100多年的歷史，隨著鋼板螺釘在臨床的廣泛應(yīng)用，內(nèi)固定系統(tǒng)的力學(xué)特性日益受到關(guān)注，且多種研究方法被采用[1]。其中，三維有限元法因其高效、適用性強、定量分析、模型可重復(fù)使用、成本低等特點被廣泛使用。隨著有限元軟件和計算機硬件的快速發(fā)展，有限元方法迅速發(fā)展成為解決復(fù)雜工程計算問題的有效途徑和不可缺少的工具，而圖像數(shù)字化處理技術(shù)為骨骼結(jié)構(gòu)的三維重建提供了技術(shù)保障。有限元方法自Brekelmans等[2]和Rybicki等[3]于1972年應(yīng)用于骨科研究以來，越來越多的科研工作者及臨床醫(yī)師運用有限元技術(shù)對內(nèi)固定植入物進(jìn)行數(shù)值模擬分析?，F(xiàn)將有限元方法應(yīng)用于內(nèi)固定接骨板的相關(guān)研究成果進(jìn)行綜述，并對其發(fā)展趨勢作出展望。

1.接骨板內(nèi)固定效果評價

在內(nèi)固定效果的評價中，有限元主要應(yīng)用于不同固定方式的生物力學(xué)特性對比和固定系統(tǒng)對骨折愈合影響的評價中。比較不同內(nèi)固定方式的生物力學(xué)性能，對臨床手術(shù)過程中內(nèi)固定方式的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。熊鷹等[4]對比分析了新型橋接組合式內(nèi)固定系統(tǒng)及鎖定型接骨板固定股骨骨折力學(xué)性能，分析了兩種固定方式在步態(tài)及上樓情形下最可能發(fā)生的失效形式，在相同的載荷條件下，鎖定接骨板最大等效應(yīng)力高于材料的屈服極限，具有較高的斷裂風(fēng)險，而橋接組合式內(nèi)固定系統(tǒng)的最大等效應(yīng)力則明顯降低，具有更好的固定可靠性。何勤理等[5]采用有限元方法，對鎖定加壓型接骨板（LCP）固定股骨中段骨折的不同時期進(jìn)行模擬分析，并對不同時期固定結(jié)構(gòu)的承載閾值進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)在骨折未愈合及軟組織形成階段，股骨及LCP應(yīng)力集中明顯，安全載荷不超過380N，并建議在此階段患者只能進(jìn)行較低負(fù)重的康復(fù)訓(xùn)練，而在骨痂形成階段，骨折固定結(jié)構(gòu)具有有效承載能力，應(yīng)力相對分散，安全載荷為2896N，此時適宜的訓(xùn)練有利于新骨的生長與骨傷愈合。而對鎖定加圧板進(jìn)行“動力化”將有效降低接骨板的應(yīng)力，增大骨折端骨痂的應(yīng)力，同時更有利于在骨折端產(chǎn)生有效的軸向微動[6]。通過數(shù)值模擬方法對脛骨平臺骨折不同固定手段進(jìn)行力學(xué)分析，研究發(fā)現(xiàn)相較于鎖定接骨板，多向帶鎖髓內(nèi)釘具有更好的固定穩(wěn)定性以及更小的應(yīng)力遮擋作用[7]。

以上研究主要以內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性作為評價骨折固定成功與否的標(biāo)準(zhǔn)，但適宜的力學(xué)環(huán)境，以達(dá)到促進(jìn)骨折有效愈合，縮短骨傷修復(fù)時間將具有更重要的臨床意義。因此，從生物力學(xué)的角度出發(fā)，以植入物對骨折愈合的促進(jìn)作用為指標(biāo)，更直觀地表征接骨板的臨床使用效果逐漸成為研究的重點。相關(guān)學(xué)者在長骨骨折植入物的設(shè)計中，以骨折塊應(yīng)變理論為基礎(chǔ)，采用有限元分析，建立骨折愈合效果的定量評價方法[8-16]。根據(jù)骨折塊應(yīng)變對骨折愈合的刺激作用定義了骨折愈合速率，采用迭代的方法計算得到不同愈合階段骨折斷端骨痂的彈性模量，定量評價接骨板的設(shè)計因素對骨折愈合過程的影響，并指出接骨板材料的彈性模量比內(nèi)固定系統(tǒng)的彎曲剛度的影響更顯著[8-16]。但骨折塊應(yīng)變理論并不具備對整個骨折愈合過程進(jìn)行模擬的條件，因此，Kim等根據(jù)偏差應(yīng)變理論[17]，進(jìn)一步優(yōu)化了有限元分析模型（見圖1），詳細(xì)模擬了接骨板固定骨折時骨折愈合過程中骨痂的分化過程，更真實的模擬了骨折愈合的全過程，也有助于更直觀的反映植入物對骨折愈合的影響。

圖1.有限元迭代過程

2.接骨板優(yōu)化設(shè)計

在接骨板的優(yōu)化設(shè)計方面，有限元方法主要應(yīng)用于對接骨板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新材料的探索。研究表明，結(jié)構(gòu)顯著影響著接骨板的力學(xué)性能和內(nèi)固定系統(tǒng)的生物學(xué)特性[18-21]。Kim等[18]運用有限元方法和“田口”法，研究了接骨板的，厚度，寬度以及螺釘?shù)闹睆胶皖愋蛯?nèi)固定系統(tǒng)性能的影響，并以有限元分析結(jié)果為依據(jù)，通過選擇最佳的參數(shù)對接骨板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使接骨板的體積減小為原來的53%，同時有效降低了接骨板的應(yīng)力遮擋效應(yīng)。修凱華[19]則采用聚乳酸材料制作了可降解膜襯墊，并通過體外模擬實驗和有限元分析證明了將襯墊置于接骨板下方可以有效緩解植入物在術(shù)后初期應(yīng)力遮擋作用。而采用逆向工程對接骨板進(jìn)行個性化設(shè)計及對高氮無鎳不銹鋼接骨板的輕量化設(shè)計以達(dá)到更加優(yōu)異的生物力學(xué)性能也都是接骨板新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計嘗試[20,21]。

接骨板結(jié)構(gòu)優(yōu)化雖然在一定程度上改善了接骨板的臨床使用效果，但并不能根本上解決傳統(tǒng)金屬材料接骨板因彈性模量過高而造成的“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)，以及由此導(dǎo)致的骨流失，甚至再骨折。因此，近年來，具有一定強度的低彈性模量復(fù)合材料和生物可降解型復(fù)合材料逐漸成為研究熱點，而有限元方法在新材料的探索研究中也發(fā)揮著重要作用。大量研究關(guān)注于可降解復(fù)合材料接骨板，并對降解過程及力學(xué)性能進(jìn)行有限元分析[22-24]。Mehboob等[24]采用“田口”法對可降解功能復(fù)合梯度材料接骨板的層片堆疊、平均彈性模量、降解速率及接骨板厚度進(jìn)行設(shè)計，并利用有限元分析的高效性對接骨板降解過程及骨折愈合修復(fù)過程進(jìn)行模擬分析評價，以得到更優(yōu)功能性的復(fù)合材料接骨板設(shè)計方案。并且，對于纖維增強復(fù)合材料在接骨板上同樣具有重要的研究價值[25-27]。Samiezadeha等[27]采用層疊理論及有限元方法，對纖維增強環(huán)氧樹脂接骨板的材料性能進(jìn)行設(shè)計及定義，以達(dá)到具有選擇性應(yīng)力遮擋效應(yīng)。其有限元分析結(jié)果顯示，通過改變碳纖維及層片的堆疊順序，纖維增強環(huán)氧樹脂接骨板固定股骨干骨折，其結(jié)構(gòu)的軸向壓縮剛度明顯降低，并具有較高的扭轉(zhuǎn)及彎曲剛度，相較于傳統(tǒng)金屬接骨板，不僅其骨折斷端壓應(yīng)力增大14%，而且能夠保持與傳統(tǒng)接骨板相當(dāng)?shù)墓潭ǚ€(wěn)定性。此外，新型低彈性模量金屬材料也具有其潛在應(yīng)用價值。相關(guān)有限元分析結(jié)果表明，相較于較高彈性模量（110GPa）的鈦合金Ti-6Al-4V，具有低彈性模量（30GPa）的鈦合金Ti2448接骨板在固定股骨干骨折時，其骨折端應(yīng)力刺激作用增大，螺釘孔內(nèi)用力集中減輕，應(yīng)力分布較均勻且應(yīng)力遮擋作用明顯減弱[28]。

圖2.分析過程圖片

3.接骨板的失效分析

通過有限元方法對內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行生物力學(xué)仿真分析還可初步探尋臨床上接骨板失效的原因。臨床案例分析表明，利用有限元軟件模擬分析鎖定接骨板固定肱骨近端骨折，仿真分析患者上肢活動且外展角度為120?情況下鎖定接骨板上的應(yīng)力應(yīng)變大小及分布情況，結(jié)果顯示接骨板的最大應(yīng)力（大于1GPa）出現(xiàn)在接骨板近端位于骨折線處兩螺釘孔之間，明顯超過了接骨板材料Ti6Al4V的屈服極限，且與臨床實際中發(fā)生斷裂的位置相一致（見圖2）[29]。還有研究利用有限元計算結(jié)果，根據(jù)最危險點的應(yīng)力評估接骨板的疲勞性能，并指出當(dāng)接骨板的材料和成型工藝得到控制，有限元方法可以成為預(yù)測接骨板疲勞周期的有效手段[30]。這也在一定程度體現(xiàn)了有限元分析在植入物質(zhì)量檢測中的潛在應(yīng)用價值。

4.小結(jié)與展望

綜上所述，在接骨板結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有限元分析中，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)外形設(shè)計以分散應(yīng)力分布，并盡力減少內(nèi)固定系統(tǒng)剛度以減小“應(yīng)力遮擋”作用，并且，新型生物材料設(shè)計及在骨科植入物中的應(yīng)用已成為研究熱點。此外，在接骨板內(nèi)固定效果的評價中，大量研究以結(jié)構(gòu)力學(xué)分析為出發(fā)點，主要關(guān)注固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，隨著內(nèi)固定理念從堅強固定、解剖復(fù)位向彈性固定、間接復(fù)位的轉(zhuǎn)變，關(guān)注重點已轉(zhuǎn)移到骨折斷端的應(yīng)力應(yīng)變條件對骨折愈合的影響。但是，此類研究在體內(nèi)開展的難度極大，體外實驗也無法實現(xiàn)對骨折愈合這一動態(tài)過程的模擬，因此，有限元分析將成為重要的研究手段。目前，建立有限元分析結(jié)果與骨折愈合之間的橋梁仍是主要難題，也將成為有限元在該領(lǐng)域應(yīng)用研究的趨勢。

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