有限元方法比较不同直径外固定系统自攻螺钉材料的抗旋转生物力学性能研究

郑轶，殷一红，庞清江

有限元方法比较不同直径外固定系统自攻螺钉材料的抗旋转生物力学性能研究

郑轶，殷一红，庞清江

目的通过三维有限元方法比较不同直径外固定系统自攻螺钉材料的抗旋转生物力学性能。方法通过有限元分析实验，建立三维有限元模型，比较临床常用的不同直径不同金属材料（钛合金、不锈钢、铁、铝合金、铜合金及镁合金）的自攻螺钉钻入骨皮质时螺钉和胫骨的抗旋转应力大小及变形大小。结果当施加扭矩载荷（2N·m），等效云图结果显示顺时针力矩载荷施加时应力载荷最集中，总体形变最大的部位均位于螺钉的钉尾。各种金属的应力载荷无明显差别，而总变形量差别较大，镁合金、铝合金的变形量大于铜合金、钛合金、不锈钢和铁。螺钉的应力载荷最大处和螺钉的直径从3 mm增加到3.5 mm时，应力峰值差异最大的金属材料是不锈钢和铁（46.2%），其次为铜合金（45.9%）和钛合金（45.8%），而变形最显著的是铝合金（63.3%）和镁合金（61.7%）；而螺钉的直径从3.5mm增加到4mm，螺钉应力峰值下降率相似。当施加相同的扭矩载荷（2N·m）时，不同的金属材料表现出相似的特性，随着螺钉直径的增加，应力峰值下降，而总变形量也出现下降的趋势。结论铜合金的生物力学性能与钛合金相似，而镁合金和铝合金由于相对质软，但质轻，是否适宜成为外固定材料需要细胞毒性，生物相容性等实验进一步检验。

螺钉；有限元；抗旋转；外固定系统；生物力学

下肢爆裂性骨折在野战环境或者地震等自然灾害中比较常见，现场处置较为棘手，而野战便携式外固定器为常用的治疗手段之一[1-3]。目前临床上常用的外固定器螺钉的材质为不锈钢或者钛合金[4]。钛合金因其具有强度高，耐腐蚀，生物组织相容性佳，抗疲劳等优势，临床应用广泛。作者通过有限元实验，通过建立三维有限元模型，比较不同直径金属材料（钛合金、不锈钢、铁、铝合金、铜合金及镁合金）的自攻螺钉钻入骨皮质时抗旋转生物力学性能比较研究，为遴选出其他可能适宜的金属外固定材料提供生物力学数据。报道如下。

1　资料与方法

1.1建立模型CT图像：1名21岁的健康男性志愿者，身高172 cm，体质量68kg。经X线检查排除骨质疏松、肿瘤等器质性病变，对胫骨行层厚0.625 mm层厚的连续CT扫描，得到DICOM格式的图片500张。选取胫骨结节下5 cm开始的胫骨干图片 75张导入 Mimics14.0软件（Materialise，Belgium）。

1.2三维模型建立根据骨组织的CT值设定灰度阈值，通过蒙板编辑，空腔填充等方法对扫描图像进行逐层填充。通过对模型的光顺，缩减三角面片及包裹等功能进一步完善胫骨模型，并导入Geomagic Studio软件拟合曲面。

参照常用的外固定架螺钉的尺寸，螺钉的长度为120 mm，螺钉的直径参照常用的标准为3、3.5及4 mm等3种规格，运用Pro/E软件进行截面绘制并拉伸，并导入胫骨干模型进行装配。

1.3不同金属材料的有限元分析

1.3.1材料属性在有限元分析软件AnsysWorkbench中的材料属性模块，利用材料属性附加功能，添加皮质骨和松质骨的材料属性,皮质骨和松质骨的弹性模量和泊松比见文献[5]。见表1。

1.3.2划分网格利用AnsysWorkbench的自动划分网格功能，对胫骨自攻螺钉的装配体进行网格划分（封三彩图2～5），划分得到的体网格数量和生成的节点（表2）。

1.3.3约束、载荷及边界条件胫骨与螺钉的连接设定为完全绑定连接，模拟实际应用情况，将胫骨的两端固定，在螺钉的尾端施加2 N·m的顺时针方向的力矩载荷进行加载。

1.3.4观测指标通过 Ansys Workbench软件的自动运算，观察有限元求解器中的Total Deformation（总变形量）和Von-misesStress的应力云变化，通过观察螺钉和胫骨不同区域不同颜色的变化来定性判断应力集中的位置和应力大小。

2　结果

2.1等效云图结果等效云图结果显示顺时针力矩载荷施加时应力载荷最集中，总体形变最大的部位均位于螺钉的钉尾（封三彩图6～7）。

2.2不同金属材料的应力和形变的比较结果 2 N·m顺时针扭转载荷的应力分布及位移分布见表3。

表1　各种材料的弹性模量和泊松比

表2　胫骨与螺钉的体网格和节点数量（个）

表3　各种金属材质的螺钉在2 N·m扭矩载荷应力载荷最集中，总体形变最大变化　%

3　讨论

有限元计算是模拟计算生物力学的一种重要方法，它的基本原理是通过将求解的区域划分为若干单元，而单元之间通过节点连接，节点内部的待求量，通过总体代数方程进行求解[6]。1972年，Brekelmans和Rybicki将有限元方法应用于骨科领域之后，逐渐应用与脊柱外科的生物力学分析，创伤骨科的钢板螺钉的应力研究及假体设计，皮肤软组织的三维有限元分析等[7]。有限元方法可设置各种条件及工况，可进行重复试验，材料上仅需临床的影像学资料，利用三维有限元软件分析，突破实体标本不易获得的限制，而且应力分析及形变的极值均可实现可视化，直观化[8-10]。

本研究的实验结果显示，在2 N.m扭矩载荷下，不同材料相同直径的自攻螺钉的应力载荷相似；而总变形量有明显差别，镁合金，铝合金的总变形量均高于不锈钢，钛合金，铜合金和铁，而铜合金的模拟生物力学性能与钛合金相似。不同直径的外固定材料抗扭转力表明，螺钉的直径从3 mm增加到3.5mm时，应力峰值变化最大的金属材料是不锈钢和铁（46.2%），其次为铜合金（45.9%）和钛合金（45.8%），而变形最大的是铝合金（63.3%）和镁合金（61.7%），其次为钛合金（60.2%）和铜合金（59.4%）；而螺钉的直径从3.5 mm增加到4 mm，螺钉应力峰值下降率相似，但显著低于3 mm螺钉应力峰值与3.5 mm螺钉应力峰值的差值，而总变形量有一定的差异，总变形量差异最大的为铁（30.7%）和不锈钢（30.6%），其次为铜合金（28.1%）和钛合金（27.5%），变化最小的为铝合金（25.7%）和镁合金（22.8%）。

铜合金的生物力学性能与钛合金相似，是否有待于成为外固定架的材料需要进一步进行细胞毒性试验等，而镁合金和铝合金由于相对质软，但质轻，便于广泛携带，是否适宜成为外固定材料需要实体生物力学的进一步检验。而本文的不足之处在于胫骨干无肌肉，血管、皮肤等软组织的包裹，仅为临床提供生物力学数据，三维有限元分析的结果尚需结合体外的生物力学实体实验才能应用于临床。

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10.3969/j.issn.1671-0800.2016.02.014

R687.3

A

1671-0800(2016)02-0170-02

2015-03-16

（本文编辑：钟美春）

宁波市临床特色重点专科项目（2013-88）；宁波市科技富民惠民项目（2015C50034）

315010宁波，宁波市第二医院（郑轶、庞清江）；宁波市中医院（殷一红）

庞清江，Email:pqjey@ sina.com