超声波焊接技术应用PDLLA接骨系统固定兔下颌骨骨折的有限元分析

阿依达娜·乌拉尔别克, 阿曼妮萨罕·加帕尔, 凌 彬,2

(1新疆医科大学第一附属医院(附属口腔医院)口腔颌面肿瘤外科, 2新疆维吾尔自治区口腔医学研究所, 乌鲁木齐 830054)

口腔颌面部骨折良好愈合的根本条件是精确复位和稳定固定[1]。理想的固定方式不仅需要良好固定骨折断端并提供初期稳定性,还要避免因内固定而引起的合并症以及二次手术造成的创伤。1960年,聚乳酸(Ploy lactic acid,PLA)因其较好的机械强度和可生物降解性而首次应用于医疗领域,作为替代钛合金的首选材料[2]。近年来,随着高分子可吸收材料的不断改进和发展,PLA材料已在骨折内固定装置、缝合材料、组织生长和组织工程支架等多个领域得到应用[3]。PLA有四种异构体,其中外消旋聚乳酸(Ploy D,L lactic acid,PDLLA)比其他三种异构体在强度和降解速率及生物相容性上更具优势[4]。

超声波焊接技术(Ultrasound/Ultrasonic welding)是通过超声产热并使PDLLA固定钉熔融后,进入骨松质骨小梁结构中,同时固定钉与可吸收固定板也通过超声熔融结合到一起。曾有学者使用超声波焊接技术辅助可吸收材料对大鼠胫骨进行固定,发现可吸收固定钉通过超声产热熔融后依然具有良好的生物安全性[5]。此外,有国外学者根据植入材料表面形貌分析研究发现,与其他内固定系统表面相比,一种超声辅助焊接系统,即SonicWeld Rx系统所使用销钉的表面更光滑,并且由于SonicWeld Rx系统体积更小(即4孔板的体积为14%),因此可以认为超声焊接系统作为安全的可吸收内固定系统具有强大的潜力,以及良好的几何形状和机械性能,可用于固定负载分担颌面骨折和截骨术[6]。传统内固定技术往往通过攻丝后将螺钉拧入固定部位中,这不仅要求术区视野清晰,并且对术者要求较高,有时更会出现攻丝滑脱以及断裂的风险,而超声波焊接技术操作简单、易于掌握,并且大大增加了生物可吸收固定钉的初始固定强度,将传统的螺纹-加压-摩擦的机械固定方式转变为三维立体渗透固定方式[7]。

本文中通过建立兔下颌骨骨折三维有限元模型,模拟超声波焊接技术及传统内固定技术辅助外消旋聚乳酸(PDLLA)进行兔下颌骨内固定,通过模拟弯曲实验以及咬合实验对两种不同固定方式下可吸收板、可吸收固定钉以及下颌骨位移及应力情况进行分析,现报道如下。

1 材料与方法

1.1 实验动物及手术过程健康成年新西兰大白兔,雄性,2～4月龄,体重3.0～3.5 kg。制取兔下颌骨并造骨折模型:速眠新Ⅱ(0.05 mg/kg)、舒泰50(0.12 mL/kg),混合肌注,麻醉生效后动物采取侧卧位,于耳缘静脉注射20 mL空气致死,下颌骨及颈部区域备皮,洗手,碘伏消毒术区,铺巾,着手术衣,距下颌骨下偏内缘依次切开皮肤、皮下组织,逐层切开暴露骨面,取出完整下颌骨标本,于颏孔后1 cm处造骨折模型,固定后使用生理盐水冲洗,关闭术区,将兔下颌骨处标本表面覆盖生理盐水纱布,零下20℃保存。本实验已通过新疆医科大学动物伦理委员会审批(伦理审批号:IACUC-20211224-36)。

1.2 兔下颌骨骨折有限元模型构建对兔下颌骨标本使用微计算机断层扫描技术(Micro Computed Tomography Micro-CT)(Leica,德国)扫描图像数据并导入Mimics 21.0软件中分割阀值、自定义骨取值范围,得到骨组织初步像素信息,随后编辑蒙板;人工分离出下颌骨以外的元素,区分骨组织与肌肉组织,曲面拟合兔下颌骨几何模型,最终得到兔下颌骨三维模型,如图1所示。

图1 兔下颌骨几何模型

1.2.1 有限元模型网格划分及材料的力学参数 通过查阅文献后可知皮质骨、松质骨、牙齿、牙周膜以及PDLLA的杨氏模量、泊松比、单元尺寸、节点数及单元数相关数据[8-9],见表1、2。

表1 植入材料

表2 各部分模型组织的材料参数

1.2.2 边界条件 将数据导入至ansys 17.0软件中,分别设置超声波焊接技术组(超声组)及传统内固定技术组(拧入组)约束关系,其中超声组:固定钉与固定板间、固定钉与颌骨间因超声辅助技术可将固定钉与固定板进行融合,并通过渗透进骨小梁中与骨组织紧密结合在一起,故设置其为Bonded绑定关系(即接触界面焊接在一起,既不能分离也不能滑动);拧入组:固定钉与固定板间、固定钉与颌骨间仅有接触,可有少量动度,故设置为No Separation法向不分离关系(即切向有滑移而法向不分离的接触类型)。

1.2.3 应力和形变分析 本研究中将三维有限元仿真实验分为弯曲实验和咬合实验,获得两组下颌骨、可吸收固定钉及可吸收固定板的形变云图和Von Mises应力云图,对两组固定板和固定钉及使用上述两种方式固定后的下颌骨进行应力分析及形变分析。

1.3 兔下颌骨骨折有限元仿真根据课题组前期预实验得出,兔下颌骨断裂所需最小力约为160 N,通过将兔下颌骨骨折两侧进行固定后,于第二前臼齿上方施加160 N垂直加载力(如图2A所示),从而模拟超声组以及拧入组弯曲实验。通过将三维重建模型的颞下颌关节以铰链支撑处理,作为兔下颌骨模型的边界条件[8];根据国外研究者[10]对新西兰大白兔的咀嚼生理研究,其最大咬合力和咀嚼力横截面相关,约为35 N,因此在此模型中,载荷条件以兔最大咬合力的50%计算,分别在兔下颌骨的切牙区和后牙区给予17.5 N的垂直力来模拟咬合实验(如图2B所示)。

A: 弯曲实验模式图; B: 咬合实验模式图。

2 结果

2.1 两组可吸收固定板、可吸收固定钉以及下颌骨位移分析弯曲实验中,在垂直载荷力的作用下,两组固定板最大位移出现在中央钉孔远中区域,其中超声组固定板最大位移为0.018 9 mm、拧入组固定板最大位移为0.022 4 mm;两组固定钉最大位移出现在远中固定钉靠近骨折线处周围,超声组和拧入组固定钉最大位移分别为0.012 5 mm和0.013 3 mm;两组下颌骨位移分布于髁突及骨折线远端,超声组下颌骨最大位移为0.027 8 mm、拧入组下颌骨最大位移为0.038 8 mm,见图3。

注： A, 超声组固定板形变云图; B, 拧入组固定板形变云图; C, 超声组固定钉形变云图; D, 拧入组固定钉形变云图; E, 超声组下颌骨形变云图 ;F, 拧入组下颌骨形变云图。

咬合实验中,在全牙列35 N垂直加载力作用下,两组固定板、固定钉及下颌骨的形变集中于骨折线近中区域。超声组固定板应力主要集中于远中孔洞,最大位移为5.035 mm;拧入组固定板最大位移集中于近中孔洞周围,其最大位移为8.499 2 mm。超声组固定钉最大位移为7.069 0 mm,在近中处最明显,并且固定钉形变平均分布;拧入组固定钉最大位移为7.950 4 mm,形变主要集中于近中固定钉,且集中于钉帽处。两组下颌骨形变均集中于前牙区,并沿颌骨向骨折线区域逐步减小,超声组下颌骨最大位移为21.388 0 mm、拧入组下颌骨最大位移为10.886 0 mm。有限元分析结果提示,弯曲实验中,超声组固定性能在位移方面较拧入组好,但在咬合实验中,超声组下颌骨所产生的位移较大,且集中于前牙区,使其稳定性降低,使用超声波焊接技术将颌骨进行固定后,进行咀嚼运动时固定钉易发生松动,见图4。

注： a, 超声组固定板形变云图; b, 拧入组固定板形变云图; c, 超声组固定钉形变云图; d, 拧入组固定钉形变云图; e, 超声组下颌骨形变云图; f, 拧入组下颌骨形变云图。

2.2 两组可吸收固定板和可吸收固定钉应力情况弯曲实验中,在垂直载荷的作用下,超声组及拧入组固定板最大应力出现在中央孔洞周围,超声组固定板最大应力为1.429 MPa、拧入组固定板最大应力为1.565 MPa。在弯曲实验过程中垂直力加载点为骨折线上方第二前臼齿处,实验发现两组固定钉应力集中于远中固定钉,超声组远中固定钉应力自下而上应力值逐渐增大、集中于颈部,对抗其上方垂直向载荷承载下的分离形变,最大等效应力为0.174 MPa;而拧入组固定钉所受应力均匀分布,最大等效应力为0.102 MPa,见图5。

注: A, 超声组固定板应力云图; B, 拧入组固定板应力云图; C, 超声组固定钉应力云图; D, 拧入组固定钉应力云图。

咬合实验中,在兔下颌骨的切牙区和后牙区同时给予17.5 N的垂直力,超声组固定板应力集中于中央孔洞周围并向周围扩散,最大应力为163.510 MPa;拧入组固定板应力同样集中于中央孔洞,最大应力为253.190 MPa。超声组固定钉在进行咀嚼运动时,随着咀嚼力增大,其所受应力也会逐渐增加,最大应力为7.000 MPa,并集中于固定钉颈部;拧入组固定钉主要分布于骨折线远中处固定钉,其最大应力为43.807 MPa,见图6。

注: a, 超声组固定板应力云图; b, 拧入组固定板应力云图; c, 超声组固定钉应力云图; d, 拧入组固定钉应力云图。

3 讨论

下颌骨骨折好发部位包括下颌正中联合、颏孔、下颌角、髁突颈部,因其所受应力较大,故临床中多使用钛板进行坚固内固定[11],而可吸收材料多用于受力较小部位。Augat等[12]通过超声波焊接技术将乳酸螺钉植入骨模拟材料-聚氨酯中进行聚乳酸钉的静态推出试验得出结论:与标准的3.5 mm AO骨螺钉相比,使用超声波焊接技术插入的3.5 mm聚乳酸植入物在高密度聚氨酯材料中提供了比传统螺钉更强的固定效果。其原理主要在于超声波焊接技术的特殊性,在预备钉道时需与可吸收钉大小相匹配,使材料植入后可与骨界面形成摩擦振动产热,可吸收钉熔融渗入骨小梁中,并使固定钉与固定板进一步融合,从而增加接触面积,以此加强内固定材料的稳定性。

本实验通过三维有限元分析了兔下颌骨骨折进行固定后的相关情况,并利用弯曲实验及咬合实验模拟下颌骨在受力时应力集中情况,为后续实验奠定了基础。其中,医学图像的三维重建起到了关键作用,它通过计算机对二维数字断层图像序列形成的三维体数据进行处理,将其变换为具有直观立体效果的图像来展示人体组织的三维形态,利用一系列的二维切片图像重建三维图像模型并进行定性、定量分析[13]。

有限元分析模型能够分析物体间以及物体内部复杂的力学变化过程,预测力学作用的效应[14]。有限元分析在口腔外科学、口腔种植修复学等领域的应用较为广泛[15],主要包括在颌骨囊肿方块切除术术前进行FEA并模拟下颌骨骨折复位内固定以及牙列缺损修复及种植体修复的应力集中情况等[16-17],Kavanagh等[18]利用三维重建技术重建健康患者下颌骨,对其使用一至两块钛板固定外斜线、下颌角等不同方法进行有限元分析,比较优、缺点,这对颌面外科医生术前的精确分析是有益的。

因此,为验证超声波焊接技术的固定性及稳定性,我们对兔下颌骨线性骨折进行了三维重建并建立有限元模型。在弯曲实验及咬合实验中,对两组应力进行对比可发现,超声组固定钉最大应力均小于拧入组,说明在使用超声焊接技术对颌骨线性骨折固定时,因其通过振动产热使固定钉熔融并与固定板以及骨小梁通过三维渗透紧密连接在一起,增加了接触面积,可充分分散应力,避免出现应力集中而致固定钉断裂等情况。

本实验中使用的超声骨焊接固定系统为国内自主研发产品,尚未广泛投入使用,具有价格低廉、操作简便、适用于解剖结构复杂及视野狭小手术区域等优点。本研究通过有限元模型模拟兔下颌骨骨折,对板钉式超声焊接内固定系统进行了力学分析,在后续研究中可建立大动物上颌骨非承重区域骨折模型,进一步确定其力学性能。