有限元分析在金属接骨板中的应用及研究现状

周均 郑照县 周梦林 任旭辉 张骁 浙江省医疗器械检验研究院 （浙江 杭州 310018）

接骨板用于骨折内固定治疗已有100多年的历史，随着钢板螺钉在临床的广泛应用，内固定系统的力学特性日益受到关注，且多种研究方法被采用[1]。其中，三维有限元法因其高效、适用性强、定量分析、模型可重复使用、成本低等特点被广泛使用。随着有限元软件和计算机硬件的快速发展，有限元方法迅速发展成为解决复杂工程计算问题的有效途径和不可缺少的工具，而图像数字化处理技术为骨骼结构的三维重建提供了技术保障。有限元方法自Brekelmans等[2]和Rybicki等[3]于1972年应用于骨科研究以来，越来越多的科研工作者及临床医师运用有限元技术对内固定植入物进行数值模拟分析。现将有限元方法应用于内固定接骨板的相关研究成果进行综述，并对其发展趋势作出展望。

1.接骨板内固定效果评价

在内固定效果的评价中，有限元主要应用于不同固定方式的生物力学特性对比和固定系统对骨折愈合影响的评价中。比较不同内固定方式的生物力学性能，对临床手术过程中内固定方式的选择具有重要的指导意义。熊鹰等[4]对比分析了新型桥接组合式内固定系统及锁定型接骨板固定股骨骨折力学性能，分析了两种固定方式在步态及上楼情形下最可能发生的失效形式，在相同的载荷条件下，锁定接骨板最大等效应力高于材料的屈服极限，具有较高的断裂风险，而桥接组合式内固定系统的最大等效应力则明显降低，具有更好的固定可靠性。何勤理等[5]采用有限元方法，对锁定加压型接骨板（LCP）固定股骨中段骨折的不同时期进行模拟分析，并对不同时期固定结构的承载阈值进行评估，发现在骨折未愈合及软组织形成阶段，股骨及LCP应力集中明显，安全载荷不超过380N，并建议在此阶段患者只能进行较低负重的康复训练，而在骨痂形成阶段，骨折固定结构具有有效承载能力，应力相对分散，安全载荷为2896N，此时适宜的训练有利于新骨的生长与骨伤愈合。而对锁定加圧板进行“动力化”将有效降低接骨板的应力，增大骨折端骨痂的应力，同时更有利于在骨折端产生有效的轴向微动[6]。通过数值模拟方法对胫骨平台骨折不同固定手段进行力学分析，研究发现相较于锁定接骨板，多向带锁髓内钉具有更好的固定稳定性以及更小的应力遮挡作用[7]。

以上研究主要以内固定系统的稳定性作为评价骨折固定成功与否的标准，但适宜的力学环境，以达到促进骨折有效愈合，缩短骨伤修复时间将具有更重要的临床意义。因此，从生物力学的角度出发，以植入物对骨折愈合的促进作用为指标，更直观地表征接骨板的临床使用效果逐渐成为研究的重点。相关学者在长骨骨折植入物的设计中，以骨折块应变理论为基础，采用有限元分析，建立骨折愈合效果的定量评价方法[8-16]。根据骨折块应变对骨折愈合的刺激作用定义了骨折愈合速率，采用迭代的方法计算得到不同愈合阶段骨折断端骨痂的弹性模量，定量评价接骨板的设计因素对骨折愈合过程的影响，并指出接骨板材料的弹性模量比内固定系统的弯曲刚度的影响更显著[8-16]。但骨折块应变理论并不具备对整个骨折愈合过程进行模拟的条件，因此，Kim等根据偏差应变理论[17]，进一步优化了有限元分析模型（见图1），详细模拟了接骨板固定骨折时骨折愈合过程中骨痂的分化过程，更真实的模拟了骨折愈合的全过程，也有助于更直观的反映植入物对骨折愈合的影响。

图1.有限元迭代过程

2.接骨板优化设计

在接骨板的优化设计方面，有限元方法主要应用于对接骨板的结构优化和新材料的探索。研究表明，结构显著影响着接骨板的力学性能和内固定系统的生物学特性[18-21]。Kim等[18]运用有限元方法和“田口”法，研究了接骨板的，厚度，宽度以及螺钉的直径和类型对内固定系统性能的影响，并以有限元分析结果为依据，通过选择最佳的参数对接骨板进行了优化设计，使接骨板的体积减小为原来的53%，同时有效降低了接骨板的应力遮挡效应。修凯华[19]则采用聚乳酸材料制作了可降解膜衬垫，并通过体外模拟实验和有限元分析证明了将衬垫置于接骨板下方可以有效缓解植入物在术后初期应力遮挡作用。而采用逆向工程对接骨板进行个性化设计及对高氮无镍不锈钢接骨板的轻量化设计以达到更加优异的生物力学性能也都是接骨板新型结构的设计尝试[20,21]。

接骨板结构优化虽然在一定程度上改善了接骨板的临床使用效果，但并不能根本上解决传统金属材料接骨板因弹性模量过高而造成的“应力遮挡”效应，以及由此导致的骨流失，甚至再骨折。因此，近年来，具有一定强度的低弹性模量复合材料和生物可降解型复合材料逐渐成为研究热点，而有限元方法在新材料的探索研究中也发挥着重要作用。大量研究关注于可降解复合材料接骨板，并对降解过程及力学性能进行有限元分析[22-24]。Mehboob等[24]采用“田口”法对可降解功能复合梯度材料接骨板的层片堆叠、平均弹性模量、降解速率及接骨板厚度进行设计，并利用有限元分析的高效性对接骨板降解过程及骨折愈合修复过程进行模拟分析评价，以得到更优功能性的复合材料接骨板设计方案。并且，对于纤维增强复合材料在接骨板上同样具有重要的研究价值[25-27]。Samiezadeha等[27]采用层叠理论及有限元方法，对纤维增强环氧树脂接骨板的材料性能进行设计及定义，以达到具有选择性应力遮挡效应。其有限元分析结果显示，通过改变碳纤维及层片的堆叠顺序，纤维增强环氧树脂接骨板固定股骨干骨折，其结构的轴向压缩刚度明显降低，并具有较高的扭转及弯曲刚度，相较于传统金属接骨板，不仅其骨折断端压应力增大14%，而且能够保持与传统接骨板相当的固定稳定性。此外，新型低弹性模量金属材料也具有其潜在应用价值。相关有限元分析结果表明，相较于较高弹性模量（110GPa）的钛合金Ti-6Al-4V，具有低弹性模量（30GPa）的钛合金Ti2448接骨板在固定股骨干骨折时，其骨折端应力刺激作用增大，螺钉孔内用力集中减轻，应力分布较均匀且应力遮挡作用明显减弱[28]。

图2.分析过程图片

3.接骨板的失效分析

通过有限元方法对内固定系统进行生物力学仿真分析还可初步探寻临床上接骨板失效的原因。临床案例分析表明，利用有限元软件模拟分析锁定接骨板固定肱骨近端骨折，仿真分析患者上肢活动且外展角度为120˚情况下锁定接骨板上的应力应变大小及分布情况，结果显示接骨板的最大应力（大于1GPa）出现在接骨板近端位于骨折线处两螺钉孔之间，明显超过了接骨板材料Ti6Al4V的屈服极限，且与临床实际中发生断裂的位置相一致（见图2）[29]。还有研究利用有限元计算结果，根据最危险点的应力评估接骨板的疲劳性能，并指出当接骨板的材料和成型工艺得到控制，有限元方法可以成为预测接骨板疲劳周期的有效手段[30]。这也在一定程度体现了有限元分析在植入物质量检测中的潜在应用价值。

4.小结与展望

综上所述，在接骨板结构优化的有限元分析中，主要体现在结构外形设计以分散应力分布，并尽力减少内固定系统刚度以减小“应力遮挡”作用，并且，新型生物材料设计及在骨科植入物中的应用已成为研究热点。此外，在接骨板内固定效果的评价中，大量研究以结构力学分析为出发点，主要关注固定系统的稳定性。然而，随着内固定理念从坚强固定、解剖复位向弹性固定、间接复位的转变，关注重点已转移到骨折断端的应力应变条件对骨折愈合的影响。但是，此类研究在体内开展的难度极大，体外实验也无法实现对骨折愈合这一动态过程的模拟，因此，有限元分析将成为重要的研究手段。目前，建立有限元分析结果与骨折愈合之间的桥梁仍是主要难题，也将成为有限元在该领域应用研究的趋势。

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