動態(tài)套筒式三翼釘固定股骨頸骨折的生物力學(xué)研究及有限元分析.pdf

1、目的：(1)比較防腐人股骨標(biāo)本與聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)人工股骨標(biāo)本之間的生物力學(xué)特性的差異。(2)比較動態(tài)套筒式三翼釘和三枚空心釘固定人工股骨頸骨折模型的生物力學(xué)差異。(3)應(yīng)用三維有限元法探討動態(tài)套筒式三翼釘固定不同角度的股骨頸骨折生物力學(xué)作用。
　　方法：(1)選擇單足站立位受力模型，在Instron-8874液壓伺服力學(xué)實驗測試機(jī)上對各標(biāo)本行預(yù)加載處理5次，消除股骨松弛、蠕

2、變等時間效應(yīng)影響后，開始對各標(biāo)本進(jìn)行正式實驗，每個標(biāo)本測試5次，各次測試之間應(yīng)間隔20min，待應(yīng)變儀上的數(shù)值變化小于3μg時再記錄數(shù)據(jù)。施加在模型上的總載荷為1200N，以100N分級增量的方式加載，實驗機(jī)壓頭下降速度為10mm/min。觀察防腐與人工股骨標(biāo)本近端的載荷-應(yīng)變關(guān)系；股骨頭的載荷-位移關(guān)系和股骨頭抵抗載荷變形的能力。(2)利用聚甲基丙烯酸甲酯制作人工股骨模型10個，按照人體股骨頸骨折時最常見的Pauwels70°角用電鋸

3、鋸斷，造成內(nèi)收型股骨頸骨折模型。將骨折標(biāo)本解剖復(fù)位后，按手術(shù)操作方法用三枚空心螺釘和動態(tài)套筒式三翼釘分別加以內(nèi)固定。標(biāo)本模擬人體單足站立位固定于Instron-8874液壓伺服力學(xué)實驗測試機(jī)上，選擇股骨近端15個點作為應(yīng)變測試點，以10mm/min加載速度、線性載荷0～1200N分級加載，測定兩組在1200N載荷下各點的應(yīng)變值、不同載荷下頭下沉位移和壓力側(cè)8點的應(yīng)變值。(3)基于逆向工程和CAD軟件，建立動態(tài)套筒式三翼釘固定的Pauwe

4、lls角為30°、50°和70°股骨頸骨折模型，模擬人體股骨頭受力方式，進(jìn)行股骨近端應(yīng)力分布的有限元分析。
　　結(jié)果：(1)防腐與人工股骨標(biāo)本在2倍于人體體質(zhì)量的載荷下的載荷-應(yīng)變關(guān)系都基本呈線性變化；在實驗機(jī)載荷為1200N時，人工標(biāo)本的位移明顯大于防腐標(biāo)本的位移(P<0.01)；防腐標(biāo)本的抵抗載荷變形能力大于人工標(biāo)本(P<0.01)。(2)1200N載荷下兩組均在8點處出現(xiàn)峰值，三枚空心螺釘組和動態(tài)套筒式三翼釘組應(yīng)變值分別為(

5、-756±14)和(3024±127)με，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。同一載荷下，動態(tài)套筒式三翼釘組股骨頭下沉位移大于空心螺釘組(P<0.01)。同一載荷下，動態(tài)套筒式三翼釘組在壓力側(cè)8點處的應(yīng)變值大于空心螺釘組的應(yīng)變值，其差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)；同一固定組，隨著載荷的增大，應(yīng)變值也是逐漸增大的。(3)骨折斷端出現(xiàn)應(yīng)力集中，并且分布呈現(xiàn)從骨折面向兩邊逐漸遞減的趨勢。動態(tài)套筒式三翼釘在各時相的最大Vonmises應(yīng)力均遠(yuǎn)

6、小于鈦合金的屈服強(qiáng)度(896MPa)。
　　結(jié)論：(1)雖然PMMA人工骨和人體骨生物力學(xué)性能偏差比較大，但具有相同的變化趨勢。在進(jìn)行生物力學(xué)實驗研究中，往往需要大量的股骨標(biāo)本，在股骨標(biāo)本獲得日益困難的情況下，人工股骨標(biāo)本在一定程度上可以代替防腐股骨進(jìn)行生物力學(xué)研究。(2)動態(tài)套筒式三翼釘固定股骨頸骨折穩(wěn)定可靠，且軸向加壓，保持了骨折斷端自然接觸應(yīng)力，同時保留了骨折斷端的動態(tài)軸向壓應(yīng)力。此外，該內(nèi)固定器前端有三個翼，有效的控制了骨