新型与传统接骨板固定股骨远端骨折的生物力学比较
时间：2023-03-23 14:15:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
赵建波，李世芸，熊鹰，黄子毅
（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大学；
2.650510 云南省 昆明市 昆明市延安医院骨科；
3.650510 云南省 昆明市 云南欧铂斯医疗科技有限公司）
股骨远端骨折是指股骨远端15 cm 以内发生的骨折，由于骨折部位骨结构的特点，骨折后多为粉碎性，是最难治的骨折之一[1-2]。目前在临床中多采用锁定加压接骨板（Locking Compression Plate，LCP）对股骨远端骨折进行固定，但若过早负重，会出现LCP 断裂失效，导致患者需要二次手术[3]。基于此，本课题组设计及研发出一款新型LCP，并对新型LCP 与传统LCP 的生物力学特征进行有限元分析，为股骨远端骨折治疗时的接骨板选择提供生物力学依据。
1.1 股骨模型的建立
选取一名25 岁健康志愿者，影像显示无肿瘤、无骨骼变异，采用螺旋CT 对股骨进行扫描，厚度为2 mm。将CT 数据导入Mimics 等软件进行处理，最终得到股骨模型。在SolidEdge 中对股骨模型进行断面，断面间设置为2 mm 的骨痂。
1.2 接骨板模型的建立
在SolidEdge 中对新型LCP、传统LCP、相同规格的螺钉及新型LCP专用小螺钉进行简化建模，如图1 所示。
图1 新型LCP、传统LCP 及螺钉Fig.1 New LCP,traditional LCP and screws
为了全方面分析新型与传统LCP的生物力学，本文设计了3 种装配模型，新型LCP 有小钉（DF）、新型LCP 无小钉（DF1）、传统LCP（ZF），如图2 所示。
图2 新型LCP、传统LCP 的3 种装配Fig.2 Three kinds of assembly of new LCP and traditional LCP
1.3 材料属性
模型中涉及的材料，皮质骨、松质骨、骨痂、LCP 及螺钉均视为均质材料，材料属性见表1[5-8]。
表1 三维有限元模型各部分材料参数Tab.1 Material parameters of each part of the 3D finite element model
1.4 边界条件及加载方式
由于本文针对的是术后过早负重导致的接骨板断裂失效，因此选用步态时的生物载荷作为加载条件。股骨的所有自由度固定,所受的髋关节接触力和肌肉力载荷参照文献[9]，如表2 所示。
表2 模型中施加的关节接触力和肌肉力载荷Tab.2 Joint contact force and muscle force load applied in the model
表2 中：F1——髋关节接触力；
F2——外展肌；
F3——阔筋膜张肌(往近端) ；
F4——阔筋膜张肌(往远端)；
F5——髂胫束（往近端）；
F6——髂胫束（往远端）；
F7——股内侧肌。
坐标系基于股骨定义，x 轴指向股骨前方，y 轴竖直向上，z 轴指向股骨外侧。各个力作用点位置如图3 所示[9]。接骨板系统加载示意图如图4 所示。
图3 作用力的位置和方向示意图Fig.3 Position and direction of force
图4 接骨板系统加载示意图Fig.4 Loading diagram of bone plate system
2.1 总体模型的应力与变形云图
模型应力和变形云图如图5 所示。
图5 3 种模型的应力与变形云图Fig.5 Stress and deformation nephograms of three models
2.2 LCP 的变形及应力
变形及应力云图如图6、图7 所示。
图6 LCP 变形云图及曲线Fig.6 LCP deformation cloud diagram and curves
图7 LCP 应力云图及曲线Fig.7 LCP nephogram and curve
2.3 3 种模型骨痂变形云图
骨痂变形去图如图8 所示。
图8 3 种模型骨痂变形云图Fig.8 Callus morphologies of the three models
DF 的最大变形为6.873 mm，DF1 的最大变形为11.538 mm，ZF 的最大变形为10.983 mm。DF 的最大应力为438.81 MPa，DF1 的最大应力为771.76 MPa，ZF 的最大应力为820.28 MPa。装配模型的最大变形均出现在股骨转子处，但最大应力却出现在股骨断口处。
目前，一些学者对LCP 固定股骨远端骨折固定系统的生物力学进行了相关研究。在对股骨远端骨折锁定钢板内固定失败进行了分析后，发现内固定失败与否与钢板的长度有很大关系，由于固有的机械缺陷，短钢板相较于长钢板有相对较差的疲劳性能，9 孔的钢板具有很高的成功率[10]。于同一骨折类型，选择植入物（如钉子、传统钢板或锁定钢板）不仅会改变结构刚度，而且使用锁定钢板固定和不同的螺钉配置（如使用远皮质锁定螺钉）可改变高达81%的刚度[11]。本文针对股骨远端骨折，采用步态载荷对两种LCP 进行了模拟计算，并对术后形成的骨痂进行了分析，用以评估LCP 结构的差异对康复训练的力学安全性的影响，结果为术后康复提供参考。
现在的接骨板材质主要是不锈钢、钴铬钼合金、钛合金和非金属材料，在临床上的主要应用的材料为不锈钢和钛合金[12]。生物相容性和力学相容性是接骨板材料选择中重要的因素。力学相容性指接骨板材料的刚度、韧性、抗疲劳强度和磨损性等因素。本文研究了钛合金和不锈钢不同的力学性能，为以后的改进提供了可靠的依据。
模拟计算表明，DF 的新型LCP 相较于ZF，总体最大应力降低了45%，骨痂最大变形降低了46%，应力降低了68%。说明增加的小钉有效减缓了应力。对照云图与表格，传统LCP 最大应力出现在螺钉上，新型LCP 最大应力出现在LCP 上，说明新型LCP 的应力主要由LCP 承担，因此才会造成新型LCP 在LCP 上应力减小量不明显，而在螺钉上应力减小量特别明显的情况。
不考虑2 根改装小钉的力学影响，DF1 与ZF 相比较，DF1最大变形量与骨痂变形均大于ZF，但DF1 的最大应力相比ZF却减少了5%。说明新型LCP 弹性整体结构强度优于传统LCP，证明部分情况下钛合金优于结构钢。骨痂的变形与LCP 的变形有很大关系，并会影响到骨痂的愈合，而且适当的应力会促进骨痂的形成。
本文分析采用的是步态生物载荷状态，相比何勤理等[4]采用的静压力载荷更接近LCP 固定在股骨远端时的生物状态，使分析结果更能反映出LCP 的真实应力状态。
在外型设计上，新型板参考于传统板的分析结果，在应力集中的部位使用两个小螺钉增加强度，而应力较低的部位则减少壁厚，因而新型板与传统板相比体积更小、质量更轻。而且有限元分析表明，新型板的结构改良能大幅度降低钢板上的应力，使新型板断裂失效的可能性小于传统板，固定效果将优于传统板，避免LCP 失效后二次手术给患者带来不必要的痛苦。新型板有效的生物力学稳定性特点，将在临床中运用更加广泛。
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