新型胫骨远端前外侧锁定钢板的三维有限元模型建立及生物力学研究

来源 :南昌大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sunyulong378
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目的:通过有限元分析以及生物力学测试实验比较新型胫骨远端前外侧锁定钢板与L形胫骨远端前外侧锁定钢板治疗胫骨远端骨折时的生物力学特性,为新型胫骨远端前外侧锁定钢板将来应用于临床提供理论依据。方法:1.基于正常成人下肢CT扫描数据,利用相关软件建立Rüedi-Allg?wer III型Pilon骨折(相当于OA43/C3型胫骨远端骨折,关节内骨折)三维有限元模型。再分别使用新型胫骨远端前外侧锁定钢板与L形胫骨远端前外侧锁定钢板对骨折模型进行装配固定,应用有限元软件Ansys分别对两组骨折-装配模型分别进行不同轴向力及扭转力的加载,比较两种模型在不同载荷情况下内固定及胫骨骨折模型的所承受应力的大小和分布以及骨折位移等情况。2.选取12根人工合成胫骨模型,统一制作为距离胫骨远端关节面25mm-35mm处的1cm横行骨缺损以模拟胫骨OA43/A3型骨折(关节外骨折)。将12根骨折模型随机分成两组,分别使用新型胫骨远端前外侧锁定钢板(观察组)与L形胫骨远端前外侧锁定钢板(对照组)对骨折模型进行相同的复位固定操作。所有模型皆在相同的力学测试机上测试,对两组钢板-骨折实体模型分别施加最大值为1000N的轴向载荷、最大扭矩为5N·m的扭转载荷以及大小为100N-800N的循环轴向载荷(动态压缩疲劳试验)进行非破坏性生物力学测试实验,比较两组钢板的轴向刚度与最大扭转角度以及测试是否能通过动态压缩疲劳测试。结果:1.在模拟施加轴向载荷加载时,相较于L型钢板-骨折装配模型来说,新型钢板-骨折装配模型中的模型整体承载应力、胫骨承载应力、骨折块位移相对较小,内固定承载应力较大,两组模型内固定应力主要集中于胫骨远端骨折线周围,其中新型胫骨远端钢板整体应力分布相对更均匀。在扭转载荷加载下,相较于L型钢板-骨折装配模型来说,新型钢板-骨折装配模型中的模型整体承载应力、内固定承载应力较大,而胫骨承载应力、骨折块位移相对较小,新型钢板应力集中于钢板头体交汇部分,钢板远端近骨折线处应力分布相对较少,L形钢板应力集中于钢板远端内侧与骨折线相接处,且应力集中更为明显。2.在轴向载荷静态压缩试验中,结果显示观察组钢板压缩刚度(638.16±166.56 N/mm)大于对照组钢板压缩刚度(339.69±43.56 N/mm),差异有统计学意义(P<0.05),静态径向扭转试验结果显示,观察组中新型胫骨远端钢板最大扭转角度(5.88±0.48°)小于对照组中L形钢板最大扭转角度(6.56±0.53°),差异有统计学意义(P<0.05)。两组钢板均通过了加载大小为100N-800N,频率为5 Hz,持续重复100万次循环的正弦载荷动态疲劳测试,且未出现钢板断裂迹象。结论:在治疗复杂胫骨远端骨折时新型胫骨远端钢板相对于L型胫骨远端钢板在抗压缩和抗扭转方面的能力更强,胫骨、内固定系统及骨折面的应力分布更合理,骨折块移位更小。因此,可认为新型胫骨远端钢板对胫骨远端骨折较为适用且具有较好生物力学性能,优于传统外侧L型钢板固定的效果,可为今后的临床应用提供一定的生物力学依据。
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