基于有限元分析比较碳纤维增强聚醚醚酮复合板与钛制钢板固定胫骨中段骨折的效果

周凯华，陶星光，梁会，潘福根，何小健

复旦大学附属中山医院青浦分院骨科，上海 201700

摘要:目的建立胫骨中段骨折接骨板内固定有限元模型,采用有限元分析方法比较碳纤维增强聚醚醚酮复合板(CF[1]PEEK板)与纯钛接骨板的生物力学,为临床应用提供参考｡

方法选取1名健康成年男性志愿者进行胫骨CT扫描,获取数据建立胫骨有限元模型,模拟胫骨中段骨折并分别采用8孔纯钛接骨板和不同碳纤维增强比例的CF-PEEK板(CF30､CF50､CF60)进行固定｡比较4种不同弹性模量接骨板内固定后在200､700N轴向压缩载荷下接骨板受到的最大应力,骨折端的最大位移和骨皮质应力遮挡情况｡

结果在700N轴向压缩载荷下,4组均在骨折断端部位出现最大应力,纯钛组为373.1MPa,CF30组为568.2MPa,CF50组为369.3MPa,CF60组为369.5MPa,仅CF30组超过了其最大抗拉强度｡在轴向压缩载荷下,4组接骨板对侧骨折端的位移最大,接骨板下骨折端的位移最小｡在200､700N轴向载荷条件下,CF30接骨板下正常骨皮质的应力最大,应力遮挡率最小,CF50接骨板次之｡

结论与纯钛接骨板相比,CF50接骨板固定的骨折端微动更有利于骨痂形成和骨折愈合,而且CF50接骨板下骨皮的应力遮挡率最小,有利于降低接骨板下骨皮质骨量降低､骨吸收､置入物松动或内固定取出后再骨折风险｡

关键词:碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料;胫骨中段骨折;接骨板;内固定;有限元分析;生物力学

金属接骨板应用于骨折内固定已有100多年的历史,虽然接骨板的材料不断更新,但目前多数还是采用金属材料｡大部分骨折采用金属接骨板内固定术后临床效果满意,但仍有不少患者出现骨折延迟愈合､骨折不愈合等并发症,进而会导致接骨板断裂,内固定失效｡Lujan等[1]研究发现关节周围骨折采用锁定接骨板内固定术后骨折不愈合的发生率高达19%｡究其原因可能是传统金属接骨板材料弹性模量远远大于骨皮质,其刚度过大,生物力学研究也证实了这一观点[2-3]｡骨折愈合需要一个良好的生物学固定环境,尤其是粉碎性骨折,临床上可以采用MIPPO技术桥接接骨板来保护骨折端的血运,固定牢靠的同时骨折端仍需要有一定范围内的微动,从而刺激骨痂形成,达到二期愈合[4-5]｡当选用了刚度过大的接骨板时,除了骨折端的微动会受到影响,还会产生内固定下方骨皮质的应力遮挡问题,造成局部骨组织骨量降低､骨吸收､内置物松动或内固定取出后再骨折等严重问题｡为了减少内固定物自身因素造成的骨折延迟愈合和骨折不愈合,研究者可以改良金属板的设计,改变螺钉和接骨板连接方式(如采用锁定螺钉､远端皮质锁定螺钉),优化接骨板工作长度,用合适长度的接骨板｡当然也可以从内固定材料的选择上进行改良,如孙兴文教授提出的镁合金接骨板[6],试图用其他金属来代替钛合金,还有使用可吸收降解材料如聚乳酸､聚羟基乙酸等｡虽然经动物实验研究证实以上接骨板的刚度明显降低,也可明显减少应力遮挡导致的骨质疏松,但固定部位的稳定性也随之下降,而且其降解速度很难控制,尤其是长骨干骨折内固定后骨折延迟愈合和骨折不愈合的发生率仍较高｡

聚醚醚酮(PEEK)可作为医用植入物,其聚合物的弹性模量接近骨皮质,但强度不够,通过技术革新可将碳辖内板层沿不同方向嵌入PEEK中,形成新的复合材料CF-PEEK,弹性模量仅少量提高,但刚度和强度有了很大的提升｡根据碳纤维比例的不同,CF[1]PEEK又细分为CF30､CF50､CF60,已相继应用于脊柱､创伤等领域[7-13]｡CF-PEEK在创伤领域的应用仅局限在上肢非负重部位中,如桡骨远端和肱骨近端骨折,骨折端固定后无需承受较大的应力[14-15],对于下肢负重长管状骨骨折内固定应用方面的研究仍较少｡本研究采用三维有限元分析法进行仿真生物力学分析[16-17],以胫骨中段骨折来模拟长管状骨骨折,验证不同含碳比例CF-PEEK材料在下肢长管状骨骨折中的应用效果,旨在解决以下问题:①不同含碳比例CF-PEEK板能否可靠用于固定胫骨中段骨折｡②CF-PEEK板固定胫骨中段骨折时骨折端微动情况与局部应力遮挡效应｡③与传统纯钛接骨板相比较,CF-PEEK板固定在力学方面是否具有优势｡

资料与方法

1.1建立胫骨有限元模型

选取健康男性志愿者1名,年龄25岁,身高175cm,体重75kg,无遗传病及慢性病史,无手术史｡对志愿者胫骨进行全长CT扫描,层厚为0.5mm,扫描未发现胫骨骨骼异常,扫描所得数据存储为DICOM格式｡将DICOM文件导入Mimics17.0软件,利用其灰度值的不同区分出胫骨的三维虚拟数据,并以STL数据将其导出｡

1.2数据逆向处理将重建好的胫骨模型

以STL的格式导入Geomagic软件中,对其进行修复光顺､填补孔洞等操作,并且进行逆向处理,将逆向好的模型以Iges或Stp格式导出｡数据的光顺是去除所建模型中的一些毛刺,三维模型逆向是将点云格式的数据转化为NURBS曲线,是为了更加方便地划分网格｡

1.3建立胫骨中段骨折接骨板内固定有限元模型

将逆向处理好的模型输入Hypermesh软件中进行三维网格划分,通过几何检查清除模型中一些细小缺陷,然后进行四面体网格划分｡按照文献[18]中有限元分析胫骨中段骨折力学的方法去除1cm骨块,以模拟长管状骨中段粉碎性骨折,同时根据大多数医师的习惯将接骨板固定于胫骨内侧(图1)｡完整胫骨的网格单元数为204017,节点数为51228,接骨板固定后的网格单元数为365168,节点数为92509｡

1.4接骨板选择与材料属性设置

选用纯钛(高弹性模量组)､CF-PEEK(低弹性模量组,CF30､CF50､CF60)这4种材料的8孔接骨板进行固定,由江苏华森公司提供的接骨板参数测量尺寸,用Solidworks软件按照相同方式设计制作8孔接骨板｡接骨板上均有腰型孔,可置入锁定螺钉,也可置入普通螺钉｡由于是相对稳定的桥接固定,按照AO治疗原则,接骨板长度应为骨折线的3倍以上[19]｡8孔接骨板长度为145mm,采用桥接固定方式并采用锁定螺钉固定,螺钉直径为5mm,同时将胫骨皮质骨､松质骨和接骨板螺钉统一定义为各向同性均质材料｡因为碳纤维材料不透X线,所以临床固定时仍采用钛金属螺钉,以便确认螺钉的长度,本研究中纯钛接骨板和CF-PEEK板中所有螺钉材料属性均定义为纯钛金属｡不同接骨板和骨的材料特性见表1｡

1.5分析与接触设置

建立的模型是一种静载稳态分析,因此应创建StaticGeneral分析步｡对胫骨模型进行分析可知,松质骨是附着生长在皮质骨上的,二者是一种“绑定”约束;锁定螺钉和接骨板螺孔､锁定螺钉自攻螺纹都属于一种“绑定”约束｡其余接触关系,如接骨板外表面与皮质骨外表面可通过建立通用接触来实现｡

1.6加载方式与边界条件

对建立好的有限元模型施加轴向压缩,轴向压缩载荷中约束胫骨远端,以胫骨近端为加载点,沿胫骨干长轴方向,大小为200N(部分负重)和700N(完全负重)的力垂直加载｡完全负重下的压力为模拟体重75kg成年人行走时膝关节承受人体约85.6%的重量(约629N),为了便于计算确定轴向载荷为700N｡

1.7有限元分析

在Abaqus软件中对胫骨接骨板内固定系统加载轴向压缩200N､700N载荷,并进行有限元计算,得出骨折端的移位情况(统计3处移位情况,A点为接骨板对侧骨折端,B点为接骨板下方骨折端,C点为胫骨中轴线),胫骨､接骨板､螺钉的应力分布情况,以及骨折端接骨板下骨皮质(B点)的最大应力,并与完整骨加压时同一位置的应力进行比较,计算应力遮挡率[20]｡

2结果

2.1接骨板的应力

在轴向压缩200N载荷条件下,接骨板受到应力最大值均位于骨折端,纯钛组最大应力为107.5MPa,CF30组为254.1MPa,CF50组为106.9MPa,CF60组为106.9MPa(图2)｡在轴向压缩700N载荷条件下,接骨板应力最大值也位于骨折端,纯钛组最大应力为373.1MPa,CF30组为568.2MPa,CF50组为369.3MPa,CF60组为369.5MPa(图3)｡

2.2骨折端位移

由于模拟的是粉碎性骨折固定,且为单边接骨板固定,所以胫骨内外侧的位移距离不同｡在轴向压缩载荷条件下,4组接骨板对侧骨折端的位移最大,接骨板下骨折端的位移最小｡轴向压缩200N､700N载荷条件下,纯钛组､CF30组､CF50组､CF60组A点､B点､C点最大位移见表2｡

2.3接骨板下骨皮质的应力

遮挡情况在200N轴向载荷下完整胫骨中段应力为1.6MPa,700N轴向载荷下完整胫骨中段压力为5.9MPa｡在200､700N轴向载荷条件下,CF30接骨板下正常骨皮质的应力最大,应力遮挡率最小,CF50接骨板次之｡见表3｡

3讨论

骨折愈合是一个极其复杂的生物学过程,影响因素很多,但局部良好的力学环境是一个必要条件｡骨折愈合分为一期愈合和二期愈合｡二期愈合依赖于骨折端骨痂的形成,在一个稳定的力学环境下,需要骨折端的微动来刺激局部形成外骨痂､内骨痂,机体分泌骨形态发生蛋白､成纤维细胞生长因子,更有利于骨折修复愈合[21-23]｡有研究[24]表明,轴向应力所产生的微动对骨折愈合是有利的,以0.2~1.0mm的微动距离为宜,超过2mm则对骨折愈合会产生负面效应｡临床上在治疗长骨干粉碎性骨折时,尤其是胫骨中下段骨折,由于血运较差,往往比简单骨折更易出现骨折延迟愈合和骨折不愈合,因此可以采用桥接接骨板技术固定,锁定接骨板无需贴伏骨面,保护了骨折端血运,减少了医源性损伤,同时桥接技术还可促进骨折端微动,刺激骨痂生长｡接骨板的刚度也是决定骨折端微动的主要原因之一,金属锁定接骨板比外固定架的刚度大很多,生物力学测试结果显示金属锁定接骨板可能无法使骨折端达到足够的微动来刺激骨痂形成,尤其是在接骨板下方的骨组织,微动更少｡临床研究结果表明,股骨髁上骨折采用锁定接骨板内固定后,接骨板对侧骨折端骨痂形成不足,骨折不愈合率为19%[3]｡Lujan等[1]研究表明,钛板内固定术后6个月时26%的患者骨折端骨痂形成不足｡动物实验研究结果也显示,锁定接骨板固定后骨痂的形成呈现不对称性,接骨板下方的骨折端微动最小,不利于骨折愈合,由此产生的局部骨不愈合可能导致后期接骨板疲劳性断裂｡因此,降低接骨板的刚度,提高微动,促进骨痂形成,才能减少骨折不愈合的发生｡降低接骨板刚度可以通过很多方法实现,如改变结构来(降低接骨板厚度,增加接骨板与骨面的距离,在近端皮质使用开槽孔)､增加接骨板工作距离等[25-26],但是以结构改变来降低接骨板刚度的方法效果不理想｡

随着复合材料生产工艺的改良和简化,其逐渐应用于医疗中,本研究选择的CF-PEEK材料正是经传统PEEK材料改良而成｡CF-PEEK的特点是机械强度高,抗疲劳性能强,弹性模量接近皮质骨,可透X线,无伪影,组织粘连少,无冷焊接和金属离子释放｡笔者基于胫骨CT扫描数据和不同类型接骨板数据,利用Mimics､Geomagic､Hypermesh､Abaqus等软件建立了不同接骨板固定后的胫骨中段粉碎性骨折有限元模型,然后进行生物力学分析｡本研究结果显示,无论是200N还是700N轴向载荷下,CF30接骨板最大应力值远远大于其安全抗拉强度值,出现严重的形变,不适合用于下肢长骨粉碎性骨折内固定;由于弹性模量(材料刚度)明显小于钛合金,采用CF50､CF60接骨板固定后,在200N轴向载荷下(部分负重或功能锻炼时受力时),接骨板下､中央轴和接骨板对侧的骨折端位移都在允许范围内,而且在中央轴和接骨板下骨折端位移比纯钛固定更理想,更容易刺激骨痂形成;在700N轴向载荷下(完全负重时),纯钛接骨板还能保证骨折端移位在允许范围内,而CF50､CF60接骨板对侧的位移过大,不利于骨痂形成,表明如果采用CF50､CF60接骨板进行胫骨中段骨折固定时不能早期完全负重,而纯钛接骨板可以｡

除了能否更好地刺激骨痂形成这个因素外,还需考量的一个因素是接骨板下方皮质的应力遮挡问题｡根据Wollf功能重建理论,应力刺激会影响骨的塑形和重建｡当2种或2种以上材料组成一个机械系统时,弹性模量较大的材料承担更多的负荷,采用高刚度､高弹性模量的接骨板固定骨折会造成大部分载荷由金属接骨板传递,而骨组织承担的载荷小或者不承担载荷,在骨折愈合中得不到有效的应力刺激,最终出现骨吸收､内固定松动或内固定取出后再骨折等现象｡董双鹏等[20]通过对肱骨骨折生物力学的有限元分析认为,在任何部位的骨折固定中,接骨板和螺钉的材料属性对接骨板､螺钉及骨的应力分布有一定影响｡目前骨科常用的金属置入材料有不锈钢(弹性模量200GPa)､Ti6Al4V(弹性模量110GPa)及纯钛(弹性模量100GPa),而骨的弹性膜量为10~18Gpa,载荷大多传递到金属接骨板上,接骨板下方骨的应力明显下降,骨组织由于得不到正常的应力也会发生骨量减少和骨皮质变薄,内固定取出后容易出现再骨折｡本研究结果发现,CF50接骨板的应力遮挡率最低,对正常骨的影响最小,而纯钛接骨板其次,CF60接骨板排在第3位｡因此,理论上采用CF50接骨板进行下肢粉碎性骨折固定时,接骨板下正常骨组织还会受到相应的应力,尽可能地减少了应力遮挡效应,从而降低了取出内固定后再骨折的风险｡

综合考虑骨折端固定的牢靠性和接骨板的强度,骨折端位移(即骨折端的微动情况),以及接骨板下正常骨皮质的应力遮挡率,理论上来看,CF50接骨板相对于纯钛接骨板是更为理想的内固定材料｡CF[1]PEEK可透X线,更有利于术中观察骨折端复位情况及术后观察骨痂生长情况｡在CT､MRI检查时金属伪影小,更有利于查看内固定术后骨组织情况｡CF[1]PEEK在临床骨科应用的前景好,但同时也应注意碳纤维是否会被人体组织吸收产生不良结果｡此外本研究也存在以下不足:①有限元分析是生物力学测试中最简便､最理想化的方法,能够控制变量进行针对性的研究,但与临床结果可能存在一定差异;②此次有限元分析没有考虑肌肉和软组织的建模,以及轴向加压下肌肉和韧带组织的力学分布情况;③研究中仅采用了垂直方向的载荷,没有进行扭转试验,也没有考虑骨质量和其他长骨干的力学情况｡

参考文献：略

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