2.0 mm和2.5 mm直径螺钉固定钛合金尺骨冠突假体稳定性的有限元分析

2026-06-11

鲁谊¹ 张海龙' 林坤志2 魏鸿文3

"北京积水潭医院运动损伤科 100035:台湾中原大学医疗器材科技转译中心:3台湾阳明大学物理治疗暨辅助科技学系

【摘要)目的比较直径20mm与2.5mm螺钉固定基于正常人群肘关节形态而完成的3D打印钛合金尺骨冠突假体的力学稳定性。方法，通过对正常骨性结构的成年受试者的肘关节进行CT扫描并行三维重建后设计尺骨冠突假体分别模拟使用直径为20mm及25mm的螺钉进行固定。对屈肘30°.90°130°下两种直径螺钉固定尺骨冠突假体的稳定性进行有限元分析并比较其等效应力峰值和假体**位移量。结果肘关节屈曲30时，2.0mm组螺钉与2.5mm组螺钉的等效应力峰值分别为56.29 MPa及39.96MPa，假体**位移量分别为0.0380mm及0.0290mm;肘关节屈曲90°时,2.0 mm组螺钉与2.5mm组螺钉等效应力峰值分别为8.97MPa及8.12 MPa，假体**位移量分别为0.0065mm及0.0058 mm;肘关节屈曲130°时，2.0mm组螺钉与2.5mm组螺钉等效应力峰值分别为10.03MPa及9.32MPa，假体**位移量分别为0.0079mm及0.0066mm。两种螺钉固定方式的**等效应力均位于螺钉的顶帽与顶杆螺纹交界处，直径2.5mm螺钉的等效应力峰值在同一屈曲角度时较20mm螺钉低:在尺骨冠突假体位移方面,不论何种屈曲角度.2.5mm螺钉固分的假体位移量均较2.0mm螺钉小。结论直径2.5mm螺钉较2.0mm螺钉固定3D打印钛合金尺骨冠突假体固定更稳定。

【关键词】尺骨:假体和植人物;有限元分析

【基金项目】国家自然科学基金(81672137)

尺骨冠突是一个非常重要的骨性结构,其完整性对于维持肘关节的稳定性不可或缺。在复杂的肘关节损伤中，如孟氏骨折、肘关节恐怖三联征、肘关节内翻-后内侧旋转不稳定损伤等，常涉及尺骨冠突，使其完整性遭到严重破坏，甚至无法有效重建。Regan和Morrey将尺骨冠突骨折分为三种类型,I型为冠突尖端骨折，Ⅱ型为不足冠突高度50%的骨折，Ⅲ型为超过冠突高度50%的骨折。临床及生物力学研究显示，因、Ⅲ型冠突部分损伤较重,故直接影响肘关节的前后方稳定性[1]。此外,冠突基底,以高耸结节和旋后肌结节。为主,这两部分结构涉及侧副韧带止点,一旦破坏。也会影响肘关节内外侧的稳定性。因此,在大多数情况下,对尺骨冠突骨折需要手术进行有效重建[2,4,,12-14]。而对于粉碎性冠突骨折,采用传统切开复位内固定难以进行骨性结构的重建,故需要寻找替代方法以恢复冠突的完整性。

文献报道采用自体髂骨、尺骨鹰嘴、桡骨头等经过修剪后移植重建尺骨冠突[15-18]。但该方法存在额外的手术破坏,或者只能在移植部位同时合并损伤日无法重建(如恐怖三联征合并存在无法重建的桡骨头骨折)的前提下才能考虑应用，为临床应用带来很多不便。同时，由于尺骨冠突为关节内结构,所以除了重建其固有的体积以防止肘关节脱位,保持关节稳定外,还需要考虑其与肱骨滑车的匹配性。如匹配不合适，即使短期内可以发挥稳定肘关节的作用,但长期必然会导致关节软骨的破坏和继发性的关节炎。虽然已有文献报道采用自体髂骨[15-16]、尺骨鹰嘴[7]和桡骨头[18]重建尺骨冠突,并均可在一定程度上匹配肱骨滑车,但仍存在部分区域匹配不良,影响关节活动时应力分布的问题。因此,理论上存在继发骨关节炎的风险。

2012年，Alolabi等[19]**报告尺骨冠突假体的设计方法,但目前临床上尚无成熟的尺骨冠突假体,更缺乏对其固定后稳定性的定量研究。鉴于此,我们设计了基于正常人群肘关节形态的3D打印钛合金冠突假体,但如何以更为稳定的方式将假体与尺骨稳定结合,是手术操作中较困难的关键步骤。因此，我们分别采用2.0 mm及2.5 mm两种直径螺钉固定尺骨冠突假体,并行有限元分析,的目的是:①探讨尺骨冠突假体设计的可行性;②初步评估2.0 mm及2.5 mm两种直径螺钉固定尺骨冠突假体的力学稳定性差异;③指出本研究的局限性。

资料与方法

一、尺骨三维模型的建立

尺骨三维模型由一位58岁正常(临床确诊无骨病理疾病、骨畸形、关节炎或其他骨性结构损伤)成年男性的肘关节CT扫描结果建立,扫描间距为1.00 mm,像素为512x512,扫描后的数据先借助影像灰阶值的差异定义出皮质骨及松质骨的轮廓;然后再利用CAD软件PTC Creo 2.0(Parametric Tech nologies Corp., Needham,MA,美国)进行皮质骨及松质骨的实体化处理(图1)。

二、尺骨冠突假体设计

由64例具有正常骨性结构(临床确诊无骨病理疾病、骨畸形、关节炎或其他骨性结构损伤)的成年受试者[男41例,女23例:年龄40岁(范围，18~62)岁]的双肘CT扫描结果建立解剖数据,使用CAD软件PTC Creo 2.0(Parametric Technologies Corp., Need ham,MA.美国)建立尺骨冠突三维模型。根据既往的研究,尺骨冠突骨折涉及到其总高度40%时难以重建,并会严重影响稳定性[5-6,20]。因此,假体高度设计为尺骨冠突高度的40%。假体长度为尺骨冠突基底部前后方向距离，宽度为其基底部内外方向的距离,凸侧曲率为中央凸起弧形部分的曲率,凹侧曲率为内侧凹陷弧形部分的曲率(图2)。假体材料为钛合金(Ti6Al4V)设计。尺骨冠突假体与尺骨采用两枚同样直径的螺钉由前方斜向后方交叉固定于对侧皮质,螺钉同样为钛合金(Ti6Al4V) 材质。

三、尺骨冠突假体螺钉固定的有限元分析

(一)有限元模型建立

分别采用2.0 mm及2.5 mm两种直径的固定螺钉对前述设计的尺骨冠突假体与尺骨近端进行适定,以比较两种固定的稳定性。两种螺钉固定的尺骨/假体结构模型均通过ANSYS Workbench 11.0软件(ANSYS IncCanonsburg,PA，美国)进行分析。在对结果分析过程中,由于固定螺钉的螺纹几何外型较为复杂，所以将其简化为圆柱体以便于分析。尺骨/假体结构模型以四面体构型做网格化，两枚直径2.0mm螺钉固定的假体构成元素共57994个,两枚直径 2.5 mm螺钉固定的假体构成元素共58 037个。根据Zhang等研究结果，本研究的所有组件材料性质均被假设为等向性及线弹性(表1)。

(二)边界条件

在钛合金尺骨冠突假体与尺骨的接触界面上，根据既往的实验结果,螺钉与尺骨以及螺钉与假体界面均设定为完全固定,尺骨远端底部设定为完全固定,不允许任何自由度,以**程度模拟螺钉与假体螺钉孔紧密锁定的状态;模型不同组织间的摩擦被界定为假体与尺骨近端界面间的微动,摩擦系数设定为0.42。

(三)螺钉的等效应力峰值与假体**位移量

本研究利用工程研究广泛应用的有限元素法与Ansvs Workbench 18.1软件(ANSYS公司,美国)计算结构组间的等效应力值,以判断**应力分布特点以及**应力分布的部位。

依据既往对全肘关节置换术后的有限元分析研究[23],我们模拟肘关节在三个日常生活中*常使用的角度,即屈曲30°90°及130(肘关节完成日常生活的屈伸角度为30°~130°,90°为中立位[24])时,前臂承受2.5kg重力(全肘关节置换术后日常生活**重力要求)时,肘关节产生的**加载应力分别为264.70 N、132.04 N以及172.36N25],按此应力进行三个角度对肘关节的应力加载(图3)。在此过程中计算两种螺钉的等效应力峰值与假体**位移量,并进行比较。

结果

一、尺骨冠突三维模型建立

测量得到基于64例受试者CT数据的尺骨冠突参数,建立尺骨冠突三维模型(图4A)。基于受试者的解剖数据:冠突高度(尺骨高度的40%)(10.04±1.1)mm、长度(20.19±1.62)mm、宽度(19.95±1.73) mm、凸侧曲率半径(7.44±0.87) mm、凹侧曲率半径。(9.32±0.93)mm,冠突假体设计为高度10.04 mm,长度 20.19 mm，宽度 19.95 mm,凸侧曲率半径 7.44 mm,凹侧曲率半径 9.32 mm。以两枚螺钉垂直于尺骨主骨平面方向沿*长距离交叉固定尺骨冠突假体于尺骨骨干(图4B)。

二、、螺钉等效应力峰值和假体**位移量

依据上述数据设计的假体,分别以直径2.0 mm及2.5 mm螺钉固定于尺骨模型并加载后进行有限元分析。

研究显示,直径2.5mm和直径2.0mm螺钉固定假体时,无论是屈曲30°、90°,还是屈曲130°,其**等效应力均位于螺钉的钉帽与钉杆螺纹交界处(图5~7)。

肘关节屈曲30°时，2.0mm螺钉组与2.5 mm螺钉组等效应力峰值分别为56.29 MPa及39.96 MPa，假体**位移量分别为0.0380mm及0.0290mm:肘关节屈曲90°时,2.0 mm螺钉组与2.5 mm螺钉组等效应力峰值分别为8.97 MPa及8.12 MPa，假体**位移量分别为0.006 5 mm及0.0058 mm;肘关节屈曲130°时，2.0 mm螺钉组与2.5 mm螺钉组等效应力峰值分别为10.03 MPa及9.32 MPa，假体**位移量分别为0.007 9 mm及0.006 6 mm。

直径 2.5 mm螺钉的等效应力峰值在同一屈曲角度时均较2.0 mm螺钉低。此外，随着肘关节屈曲

角度由30°增加至90°时,螺钉的等效应力峰值则明显降低;而肘关节屈曲90°与130°时的等效应力峰值相近。结果显示,肘关节屈曲 90°和 130°时假体上螺钉承受的应力相对屈曲 30°时小。

在尺骨冠突假体位移方面，屈曲角度在30°、90°、130°时,直径2.5 mm螺钉固定的假体位移量均较直径2.0 mm螺钉小。结果显示，肘关节屈曲909和130°时假体位移量相对屈曲 30°时小,屈曲30°时假体位移量为**。

讨论

一、尺骨冠突假体设计的可行性

尺骨冠突作为一个骨性结构,其重要性已为多项基础研究与临床治疗报告所证实。合并其他部位损伤的Ⅰ型尺骨冠突骨折与大多数Ⅱ型骨折均需要通过手术重建结构,恢复整个肘关节的稳定性。然而,对于骨折粉碎无法重建的病例,选择人工假体恢复结构完整性的理论，既可以**程度模拟尺骨冠突原先的解剖形态,又可以避免从身体的其他部位取骨植骨,降低额外损伤与不愈合率,是一个较好的选择[26]。因此,我们基于正常人群双侧肘关节CT解剖数据的测量结果,设计出相应的冠突假体,置换术后既可恢复冠突的解剖形态,又可重建肱尺关节的对合关系,恢复其正常的运动轨迹.可以**限度地保持肘关节稳定性。

二假体固定方式的选择

通过两侧固定螺钉将尺骨冠突假体与尺骨近端固定,需要使其具有充分的稳定性,以避免肘关节长期活动而发生假体松动、固定螺钉断裂与假体脱落。这就要求固定螺钉具有一定的直径,以提供充分的稳定效果。另外，由于冠突体积较小，符合其解剖特定的假体必然相应较小,所以螺钉的直径不可能过大,且如果螺钉直径过大,则假体上相应的螺纹孔也要大,这势必会降低假体的稳定性。

本试验结果显示，两枚直径2.0 mm螺钉与两枚直径 2.5 mm螺钉在肘关节屈曲30°~130°时，两组等效应力**峰值分别为56.29 MPa与39.96 MPa,均低于钛合金Ti-6Al-4V的疲劳强度(约600 MPa)[27及纯钛的疲劳强度(约230~280MPa)[28]。然而，冠突假体为长期植人使用的关节替代植体,两枚直径2.0 mm螺钉发生断裂的风险相对较高。此外，假体**位移量方面,两枚直径2.0 mm螺钉固定会产生较高的假体微动,长期使用也易发生较高的假体松动。综合上述推论,本研究冠突假体较适合选择两枚直径 2.5 mm 螺钉固定假体。

三、本研究的局限性

本研究存在一些不足:①单纯通过有限元分析不足以验证假体的稳定性。但由于既往缺乏相关研究,本试验结果可以为冠突假体的设计与开发提共理论指导,对于稳定性测试、疲劳测试、假体使用寿命测试等研究有待进一步深人研究。②未进一步测量在不同旋转应力时假体的稳定性。但既往研究表明,冠突仅提供内侧副韧带的附丽点,而外侧副韧带的尺骨侧附丽点位干更远端的尺骨旋后肌骨嵴上,在肘关节的旋转稳定性中,外侧副韧带的作用*为重要,内侧副韧带对于大多数普通人群可以忽略[29-31]。因此,本试验并未对旋转应力进-步测试。对于内外翻时假体的应力承担与分布，有待进一步研究。③仅采取同一种固定方式的两种不同直径螺钉进行比较。虽然在安装假体的手术过程中可以采用多种固定形式将假体与尺骨主骨相固定,但我们从手术切口选择的安全性与可行性方面考虑,采用临床*为常用的内外侧人路使用螺钉将假体与尺骨自前内侧与前外侧方向斜向后方进行固定,是*为切实可行的方法,因此未对其他固定方式进行研究。

总之,通过本研究可以初步验证,直径 2.5 mm螺钉较直径 2.0 mm螺钉固定3D打印钛合金尺骨冠突假体更稳定。

参考文献：略

文章仅供学习交流，版权归原版作者所有，如涉及侵权请联系删除

阅读1

写评论...