不锈钢接骨板和骨钉断裂失效分析

2010-01-23龚桂仙吴立新张友登

武汉工程职业技术学院学报 2010年3期

龚桂仙吴立新张友登

(武钢研究院湖北武汉:430080)

0 引言

不锈钢接骨板和骨钉是医用外科手术中用于固定断骨的医用植入器械,植入人体待断骨基本愈合后再手术取出。由于人体的体重、运动等因素使得接骨板和骨钉的受力情况非常复杂,所以该植入物断裂失效时有发生。为了找出该组件断裂失效的原因,利用光学金相显微镜和电子探针等分析手段,对植入患者体内三个月后发生断裂的不锈钢接骨板和骨钉进行了相关的观察和分析。

1 实验材料

检验材料取自发生在患者体内断裂的不锈钢接骨板(全称为直型加压接骨板)和骨钉(全称为骨髓内钉)。其中接骨板规格型号为5mm×14mm× 160mm,外侧为凸面,内侧为凹面,其上有8个加压型长孔;骨钉规格型号为Ф8mm×360mm。

2 实验方法

首先分别在不锈钢接骨板和骨钉断裂件上取样进行化学成分分析,然后在断裂部位取断口试样,用电子探针对经超声波清洗后的断口进行二次电子像观察,最后在断裂部位取金相样经磨制抛光后用王水浸蚀在光学金相显微镜下进行观察。

3 实验结果

3.1 接骨板

(1)宏观观察:断裂发生在接骨板一端靠近断骨端的一个孔洞,其位置偏离孔的中心线,见图1。

图1 接骨板断裂试样宏观特征(箭头所示处为断裂部位)

(2)化学成分:经成分分析复验,接骨板的主要化学成分见表1。由表可见,接骨板Cr、Ni、Mo元素的含量均符合 GB4234-94(外科植入物用不锈钢)标准[1]中对00Cr18Ni15Mo3N不锈钢的要求。

表1 化学成分(wt%)

(3)断口观察:接骨板孔两侧的断口较平齐,无塑性变形。用电子探针二次电子像观察,低倍率下可见断裂面上有明显的放射状条纹,根据条纹的指向初步判断,裂纹起源于接骨板外侧螺钉孔边缘(记为A区),见图2和3。侧向观察外侧原始表面,孔洞附近有裂纹(图4),裂纹出现的部位正好对应于A区。

图2 接骨板孔两侧断口宏观形貌

图3 图3断口局部放大(A区为裂源)

图4 孔洞附近裂纹特征

(4)金相观察:直接磨制接骨板断口面进行显微观察,与断口A区相对应的螺钉孔边缘存在尺寸粗大的疏松孔隙和微裂纹,见图5。

试样组织为奥氏体,晶粒度为8.5级,见图6。其中A区组织变形严重。

图5 接骨板螺钉孔边缘疏松孔隙、微裂纹

图6 接骨板组织

3.2 骨钉

(1)宏观观察:骨钉断裂试样宏观形貌见图7。

图7 骨钉断裂试样宏观特征

(2)化学成分:经成分分析复验,骨钉的主要化学成分见表2。由表可见,骨钉Cr、Ni、Mo元素的含量均符合GB4234-94(外科植入物用不锈钢)标准中对00Cr18Ni14Mo3不锈钢的要求。

表2 化学成分(wt/%)

(3)断口观察:断口放大后的宏观形貌见图8。断口上有放射状条纹,根据条纹的走向初步判断,断裂起源于骨钉一端边缘(图8所示的B区)。该部位由于磨损严重,断口微观形貌模糊不清,但仍可观察到数条微裂纹。侧向观察棱边,小侧面不光滑,有许多毛刺和微裂纹,微裂纹多起源于毛刺处,见图9。观察与之对称的另一端小侧面则较光滑,无毛刺和裂纹。