鎂合金空心螺釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折的有限元分析研究

方永剛, 徐景超, 張雁儒,3*, 楊 越, 李 昊, 李潔潔

鎂合金空心螺釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折的有限元分析研究

方永剛1, 徐景超2, 張雁儒2,3*, 楊 越2, 李 昊4, 李潔潔4

（1.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第988醫(yī)院, 河南 焦作 454003; 2.河南理工大學(xué) 骨科研究所, 河南 焦作 454001; 3.寧波大學(xué) 醫(yī)學(xué)院, 浙江 寧波 315211; 4.河南理工大學(xué) 醫(yī)學(xué)院, 河南 焦作 454001）

利用有限元分析方法探究鎂合金空心螺釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折的生物力學(xué)特性, 旨在為臨床治療股骨頸骨折提供一種新的思路. 選取一例青年健康志愿者的下肢CT數(shù)據(jù)建立股骨三維模型, 在Mimics插件3-matic中建立股骨網(wǎng)格并賦予網(wǎng)格材料屬性, 利用Solidworks 17.0軟件建立空心螺釘模型, 將上述2個(gè)三維模型導(dǎo)入Workbench 2020軟件中, 分別賦予空心螺釘鎂合金、鈦合金材料屬性, 進(jìn)行對(duì)比分析, 記錄股骨及空心螺釘?shù)姆逯怠?yīng)力分布值和股骨位移. 結(jié)果表明, 鈦合金螺釘內(nèi)固定模型最大應(yīng)力為357.27MPa, 最大位移為0.034mm; 鎂合金螺釘內(nèi)固定模型最大應(yīng)力為311.27MPa, 最大位移為0.034mm; 2組不同材料的空心釘結(jié)果數(shù)值差異不大. 研究表明鎂合金空心螺釘和傳統(tǒng)鈦合金空心螺釘力學(xué)性能相似, 且鎂合金更加親和人體, 在臨床方面可以鎂合金空心螺釘代替鈦合金空心螺釘治療股骨頸骨折.

股骨頸骨折; 鎂合金; 鈦合金; 有限元分析

股骨頸骨折是中老年人常見的臨床問題[1]. 近年來臨床對(duì)股骨頸骨折治療方法大致分為2種: 關(guān)節(jié)置換法和空心釘內(nèi)固定法, 其中關(guān)節(jié)置換法主要是針對(duì)老年患者, 空心釘內(nèi)固定法則主要針對(duì)年輕患者[2]. 本研究主要針對(duì)內(nèi)固定方法, 對(duì)關(guān)節(jié)置換法不予過多評(píng)述. 臨床治療股骨頸骨折所使用的螺釘材料多為鈦合金[3-4]. 鈦合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用, 這與鈦合金其良好的生物相容性和力學(xué)性能有關(guān). 但是, 由于鈦合金的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體骨骼, 所以兩者之間會(huì)產(chǎn)生“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)[4-6]. 而鎂合金則不同, 鎂合金具有良好的生物相容性, 而且鎂合金具備生物降解特性, 能夠更好地促進(jìn)骨的愈合, 鎂合金屈服強(qiáng)度也更接近人體骨骼, 產(chǎn)生“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)的幾率也會(huì)大大降低[5-8].

本研究主要以有限元分析方法測(cè)試鈦合金與鎂合金空心螺釘力學(xué)性能差異, 分析鎂合金空心螺釘代替?zhèn)鹘y(tǒng)鈦合金空心螺釘?shù)目尚行?

1 資料與方法

1.1 模型建立

選取一例青年健康志愿者的下肢CT數(shù)據(jù), 以Dicom格式儲(chǔ)存, 將Dicom格式文件導(dǎo)入Mimics 20.0軟件中, 經(jīng)過閾值對(duì)比, 閾值編輯, 閾值分割, 三維重建功能, 建立股骨三維模型, 并以矢狀面為基準(zhǔn)面, 以20°為方向?qū)晒穷i進(jìn)行切割, 模擬股骨頸骨折(圖1). 使用Solidworks 17.0軟件建立鎂合金空心螺釘模型, 并建立裝配體(圖2). 為減少計(jì)算當(dāng)量, 特忽略了空心釘?shù)穆菁y.

1.2 模型裝配

將骨折模型以及空心釘模型導(dǎo)入Solidworks 17.0軟件中進(jìn)行裝配, 采用“倒三角”排列方式將空心螺釘與骨折模型進(jìn)行布爾操作, 完成模型的裝配.

1.3 設(shè)置參數(shù)

使用Mimics內(nèi)置插件3-matic對(duì)骨折模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 利用材料賦值功能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行賦值, 具體數(shù)值見表1, 單元節(jié)點(diǎn)數(shù)值見表2.

圖1 股骨頸骨折模型

圖2 空心螺釘模型

表1 材料參數(shù)

表2 單元節(jié)點(diǎn) 個(gè)

1.4 邊界及約束條件

將上述模型導(dǎo)入Workbench 2020中進(jìn)行有限元分析, 由于重力對(duì)模型的影響較小, 本實(shí)驗(yàn)將重力條件忽略. 假設(shè)骨與螺釘之間相互摩擦, 完全接觸. 將骨干螺釘約束條件設(shè)為綁定, 摩擦系數(shù)為0.3. 股骨遠(yuǎn)端邊界條件為完全約束, 6個(gè)自由度都為0. 股骨近端股骨頭上方給予集中力, 提供CT模型的志愿者體重為70kg, 經(jīng)過換算, 股骨頭承受軸向載荷應(yīng)為640N.

1.5 觀察指標(biāo)

觀測(cè)鎂合金空心螺釘?shù)膽?yīng)力分布和應(yīng)力峰值, 鈦合金空心螺釘?shù)膽?yīng)力分布和應(yīng)力峰值, 螺釘及股骨頭的位移.

2 結(jié)果

2.1 鎂合金空心螺釘應(yīng)力及位移

在靜態(tài)加載640N的分量后, 3枚鎂合金空心螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力分別為197.71、311.27、164.82MPa (圖3), 最大位移為0.034mm(圖4).

圖3 鎂合金空心釘?shù)刃?yīng)力

圖4 鎂合金空心釘位移

2.2 鈦合金空心螺釘應(yīng)力及位移

3枚鈦合金空心螺釘最大應(yīng)力分別為248.31、357.27、180.53MPa(圖5), 最大位移0.034mm(圖6).

圖5 鈦合金空心釘?shù)刃?yīng)力

圖6 鈦合金空心釘位移

2.3 內(nèi)固定骨折模型應(yīng)力及位移

鎂合金空心螺釘內(nèi)固定股骨骨折模型最大等效應(yīng)力為221MPa, 位移為0.035mm(圖7). 鈦合金空心螺釘內(nèi)固定股骨骨折模型最大等效應(yīng)力為256MPa, 位移為0.035mm(圖8).

圖7 鎂合金空心釘骨折模型位移

圖8 鈦合金空心釘骨折模型位移

3 討論

股骨頸骨折是中老年常見的髖部骨折, 有著較高的致殘率, 多為暴力致傷以及骨質(zhì)疏松所導(dǎo)致[9]. 臨床上對(duì)于股骨頸骨折常以年齡、骨的質(zhì)量分級(jí), 通常對(duì)于年齡超過60歲的患者采用關(guān)節(jié)置換治療法, 而對(duì)于60歲以下的年輕患者一般采用內(nèi)固定螺釘?shù)闹委煼椒╗10]. 現(xiàn)階段臨床一般選用鈦合金空心螺釘作為內(nèi)固定的首選, 但鈦合金其力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體骨骼, 極易產(chǎn)生“應(yīng)力遮擋”效應(yīng), 不利于骨折的愈合. 相比之下, 鎂合金較傳統(tǒng)鈦合金具有良好的生物相容性、可降解性、更高安全性等優(yōu)點(diǎn), 其生物特性能更好地促進(jìn)骨折的愈合, 與人體骨骼彈性模量相接近(鎂合金彈性模量44000MPa, 骨骼彈性模量18000MPa), 可以有效減少“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)的產(chǎn)生, 此外其可降解性也能減少二次手術(shù)給予患者的痛苦[11-12]. 基于以上幾點(diǎn), 近年來鎂合金成為醫(yī)用材料領(lǐng)域的熱門之一[13-20]. 本研究主要使用有限元分析的方法, 評(píng)價(jià)鎂合金內(nèi)固定空心螺釘與傳統(tǒng)鈦合金內(nèi)固定空心螺釘在治療股骨頸骨折過程的力學(xué)性能差異. 此外鎂合金由于其降解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于骨折愈合的速度, 通常會(huì)作表面涂層處理, 以降低鎂合金的降解速率, 但由于表面涂層對(duì)鎂合金的力學(xué)性能影響較小, 故本文忽略鎂合金的涂層以及降解速率因素.

根據(jù)鎂合金空心螺釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折的有限元分析的結(jié)果, 鎂合金空心螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力為311.27MPa, 鈦合金空心螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力為357.27MPa, 2組空心釘應(yīng)力相似, 無顯著差異. 鎂合金空心螺釘最大位移為0.034mm, 鈦合金空心螺釘最大位移0.034mm, 2組不同材料螺釘位移值相同. 鎂合金空心釘股骨骨折模型應(yīng)力和位移值分別為221MPa和0.035mm, 鈦合金空心釘股骨骨折模型應(yīng)力和位移值分別為256MPa和0.035 mm, 差異較小. 2組不同材料的空心螺釘內(nèi)固定位移結(jié)果類似, 微動(dòng)位移均小于0.1, 證明穩(wěn)定性較好, 有助于骨折的愈合.

本研究結(jié)果只是通過有限元分析方法分析鎂合金和鈦合金空心螺釘在力學(xué)上的差異以及鎂合金空心螺釘在臨床上代替?zhèn)鹘y(tǒng)鈦合金空心螺釘治療股骨頸骨折的可行性, 由于有限元分析模型過于理想化, 與人體實(shí)體結(jié)構(gòu)還是有些許差異(韌帶、肌肉、鎂合金降解等因素), 故本實(shí)驗(yàn)尚有不足之處.

本研究采用有限元分析方法數(shù)字化人體參數(shù), 分析內(nèi)固定在人體中的受力, 旨在為鎂合金進(jìn)一步臨床應(yīng)用提供力學(xué)參考.

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Finite element analysis research of magnesium alloy cannulated screw internal fixation for femoral neck fracture

FANG Yonggang1, XU Jingchao2, ZHANG Yanru2,3*, YANG Yue2, LI Hao4, LI Jiejie4

( 1.The 988 Hospital of the Chinese People’s Liberation Army Joint Logistic Support Force, Jiaozuo 454003, China; 2.Institute of Orthopedics, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454001, China;3.School of Medicine, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 4.School of Medicine, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454001, China )

This research explores the biomechanical properties of magnesium alloy hollow screw internal fixation for the treatment of femoral neck fractures by finite element analysis, with an intention to provide new ideas for the clinical treatment of femoral neck fractures. A case of young healthy volunteers’ lower limb CT data was stored and a three-dimensional femoral model was established. The femoral mesh was established in the Mimics plug-in module “3-matic”, with which the mesh material properties were assigned. Subsequently, Solidworks 17.0 software was used to establish a hollow screw model. The above two 3D models were then input into Workbench 2020 software, where they were assigned with the hollow screw magnesium alloy and titanium alloy material properties for comparative analysis. The peak value, stress distribution value and femoral displacement of the femur and the hollow screw from the analysis were recorded. The maximum stress of the titanium alloy screw internal fixation model was 357.27MPa, and the maximum displacement was 0.034mm. On the contrary, the maximum stress of the internal fixation model of magnesium alloy screws was 311.27MPa, and the maximum displacement was 0.034mm. Hence, there is little difference in the results of hollow nails of different materials between the two groups. It can be concluded that the mechanical properties of magnesium alloy hollow screws are similar to those of the traditional titanium alloy hollow screws, and magnesium alloys are more compatible with the human body. Therefore, it is possible to consider using magnesium alloy hollow screws instead of titanium alloy hollow screws to treat femoral neck fractures.

femoral neck fracture; magnesium alloy; titanium alloy; finite element analysis

R615

A

1001-5132（2022）01-0007-04

2021?10?27.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

河南省科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目（201402003）.

方永剛（1979－）, 男, 河南周口人, 副主任醫(yī)師, 主要研究方向: 創(chuàng)傷骨科. E-mail: fyg19790730@163.com

張雁儒（1970－）, 男, 河南西華人, 教授, 主要研究方向: 創(chuàng)傷骨科. E-mail: zyr@hpu.edu.cn

（責(zé)任編輯 章踐立）