《CFPEEK骨板固定效果和骨板设计依据的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CFPEEK骨板固定效果和骨板设计依据的研究（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要利用接骨板进行内固定是骨科治疗骨折常用的手段之一。对骨折进行骨板固定后，骨折端的活动度取决于外部负荷的大小、固定系统的刚度以及骨折间桥接组织的刚度。传统骨板多为金属材料，弹性模量与骨的差异过大，容易引起应力遮挡效应；耐腐蚀、抗疲劳性差，易发生失效；且与骨的接触面积大，破坏了皮质骨的血供，不利于骨折的愈合。碳纤维增强聚醚醚酮( C F 伊E E K )复合材料能克服金属材料的弊端，且透X 光，利于手术后的观察分析，是一种理想的接骨板材料。本文主要研究了C F P E E K 骨板的固定效果和骨板的设计依据，是下一步合理设计这种新材料骨板的基础，主要内容和结果如下：采用A N S Y S 有限
2、元模拟软件，建立了三种固定方式的力学模型( 传统螺钉固定型( 方式一) 、螺钉缺省固定型( 方式二、三) ) ，研究了c F P E E K 骨板固定骨折的效果。结果表明：1 ) 三种方式下，C F ，P E E K 骨板比金属骨板更利于骨折的愈合：板内、螺钉内应力集中程度降低、幅值减小；完整骨内最小应变增大，应变进入骨的正常生理区( 2 0 0 岍 切7 年毒月巧日本文的创新点与贡献( 1 ) 以传统的骨板固定模型为基础，建立了两种螺钉缺省型固定骨板的有限元模型，为骨板与骨的应力应变分析和骨板设计奠定了基础。( 2 ) 研究发现：与金属骨板比较，C F P E E K 骨板固定时，板内、螺钉
3、内应力集中程度降低、幅值减小：完整骨内最小应变增大，进入骨的正常生理区( 2 0 0 雌 f o r m a t i o n ；B h o m e o s t a s i s , r o s o r p t i o n - - - f o r m a t i o C i n c r e a s e dm o d e l i n g , f o r m a t i o n r e s o r p t i o n ；D W O V C l lb o n ef o r m a t i o n A 窗口，骨重建增加。骨吸收 骨形成；B 窗口，动态平衡区，骨吸收靖形成；C 窗口，骨塑形增加，骨形成 骨吸
4、收；D 窗口，编织骨形成图4 - 4 力学稳定性理论示意图I 硼F i g 4 - 4S c h e m a t i cd r a w i n go f m e c h a n i c a ls t a t , m t yt h e o r yI ，5 I本文根据以上“骨对力学环境的顺应性”理论来分析完整骨及断骨内的应西北1 ：业大学工学硕七学位论文变状况。从表4 4 和图4 5 中各骨板固定下完整骨内应变分布状况可以看出，随着骨板弹性模量的减小，完整骨内应变的最小值逐渐增大，处于正常生理应变( 图4 4 中B 窗口) 范围内的区域也逐渐增大。说明，使用弹性模量低的骨板，会降低对被固定骨的应力
5、遮挡效应，相应地骨内应交会增加，有利于骨折的愈合。但是，对于每一种骨板，分析板正下侧区域骨内应变值可发现；除了l 号螺钉附近的区域，其它部分的应变值均小于2 0 0 a e ，处于图4 4 中的A 窗口区。也就是说。该区域内，骨缺乏正常的生理性应力刺激，骨吸收大于骨形成，导致骨强度和骨密度下降，可引起骨的废用性萎缩。同时也说明，对于任何一种骨板固定，应力遮挡现象总是存在的；但采用弹性模量低的骨板，可降低应力遮挡效应。表4 4F P I 中完整骨内最小应变值T a b l e4 - 4T h er a i n s t r a i nw i t h i ni n t a c tb o n ea t
6、F P I骨板类别s T 骨板T C A 骨板C F P E E K 骨板完整骨内最小应变4 7 57 8 58 9 9ST骨板TCA骨板C F P E E K 骨扳图4 - 5F P I 中完整骨内应变分布F i g 4 5T h es t r a i nd i s t r i b u t i o nw i t h i ni n t a c tb o n ea tF P I4 2 5 断骨内应变分析分析断骨内应变分布图4 - 6 可知，位于板正下侧的区域，应变最小，板对侧的区域应变最大。由表4 5 可知，随着骨板弹性模量的降低，断骨内最大应变值在减小，最小应变值在增加；从图4 - 7 可以看
7、出，其差值也在减小；说明断骨内应变趋于均匀。比较不同骨板断骨的应力分布云图可知，对于不锈钢ST骨板TC4骨板C F P E E K 骨板图4 - 6F P l 中断骨内的应变分布F i e ，4 - 6T h es t r a i nd i s t r i b u t i o nw i t h i nf r a c t u r e db o n e 越F P l和钛合金材料骨板，断骨内应交有处于A 窗t a ( & P 应变值 2 0 0 1 a ) 的区域，而对于C F P E E K 骨板，断骨内所有区域的应变都处于窗口B 范围内。由此可知，弹性模量低的骨板，更有利于断骨的修复。表4 -
8、5F P I 中断骨内最大，最小应变值T 曲l e4 5T h em a x i m u ma n dm i n i m u ms t r a i nv a l u eo f f m c t u r e db o n emF P !( 单位：p z )S T 骨板T C A 骨板C F P E E K 骨板最大值1 7 1 61 7 1 51 6 2 6最小值1 3 31 6 53 3 7图4 - 7F P I 中不同材料骨板断骨内最大最小应变差值F i g 4 - 7T h eD - v a l u eo f s t r a i nw i t h i nf r a c t u r e db
9、o n ef o rd i f f e r e n tb o n ep l a t e s综上分析可知，对于C F P E E K 材料骨板，板内、螺钉内最大应力值减小，应力分布较金属骨板均匀；完整骨内应变最小值增大，处于正常生理应变( 图4 - 4 中B 窗口) 范围内的区域也逐渐增大；断骨内应变分布也较均匀。由此说明，弹性模量低的骨板更有利于骨折的愈合，这一点与T a y t o nK J 和J o h n s o n - N u r s eC等人的实验结果【5 9 l 相一致。4 3 方式二、三固定效果分析按照固定方式一的分析方法，对固定方式二、三下骨板内和螺钉内的应力状态、完整骨及断骨
10、内的应变分布分别做以分析，结果如下：4 3 1 方式二、三板内应力分析由图4 8 和图4 - 9 骨板的应力分布云图可以看出，C F P E E K 骨板内应力的分布较不锈钢骨板和钛合金骨板的均匀，应力集中程度明显降低。在固定方式二下，三种骨板受力最大的部位与固定方式一相同，均在第一个螺孔附近。固定方式三下，不锈钢骨板和钛合金骨板的最大受力部位在第一个螺钉孔附近( 见图中M X 标志) ，这与固定方式二相同。而C F P E E K 骨板的最大受力部位在第表4 6F P 2 和F P 3 中各骨板内应力最大值T a b l e4 - 6T h em a x i m u ms l l e s s
11、w i t h i nb o n ep r a t e sa tF P 2a n dF P 3( 单位：M P a )S T 骨板T C A 骨板C F P E E K 骨板n ，22 9 8 2 11 6 2 1 74 1 3 4F P 33 2 0 7 61 8 2 1 74 2 9 lST骨板TCA骨板C F P E E K 骨板图4 - 8F P 2 中骨板内的应力状况F i g 4 ，8T h es t r e s ss t a t eo f b o n ep l a t e sa tF P 2三个螺钉孔处( 因该固定方式下，受力后此处位于曲率最大区域) ，从应力云图可以看出，第一个
12、螺钉孔附近的应力值亦接近最大值。从表4 6 可知，两种固定方式下，随着骨板弹性模量的降低，板内最大应力值降低，尤其是c F ，P E E K骨板降低很明显；且两种固定方式下，相应骨板内的最大应力值差异不大，方式三的值稍大于方式二的。西北T 业大学工学硕士学位论文s T 骨板T C 4 骨板C F P E E K 骨板图4 - 9F P 3 中骨板内的应力状况F i g 4 - 9T h es t r e s ss t a t go f b o n ep l a t e sa tF P 34 3 2 方式二、三螺钉内部受力的分析固定方式二、三下，每种骨板中，受力最大的螺钉亦均为1 号螺钉，如图4
13、 - 1 0 和图4 1 2 所示，与固定方式一相同，螺钉内最大受力部位均在颈部，且C F P E E K 复合材料骨板的螺钉内应力分布较金属材料骨板的均匀，应力集中程度小。由表4 - 7 和表4 - 8 可以看出，对于每一种固定方式，随着骨板弹性模量的减小，对应螺钉内的最大应力值减小，且每一种骨板两个螺钉内的最大应力差值也减小( 见图4 1 l 和图4 1 3 ) 。这说明，弹性模量低的骨板，更有利于固定系统中各螺钉均匀承担载荷，而不会发生金属骨板中那样的现象，各螺钉白J 受力差异较大，受力最大的螺钉易破坏而使整个固定系统失效。由图4 1 3 可以看出，在固定方式三下，C F 僭E E K
14、骨板的两个螺钉( 1 、2 号) 受力近似相等，相差不到0 7 M P a 。s T 骨板T C A 骨板C F P E E K 骨板图4 1 0F P 2 中l 号螺钉内应力的分布F i g 4 1 0T h es t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t h i ns c 托啊o n ea tF P 2表4 - 7F F 2 中各螺钉内的最大应力T a b l e4 - 7T h em a x i m u ms 竹e s sv a l u ew i t h i ns c f e w sa tF P 2( 单位：M P a )S T 骨板T C 4 骨板C
15、F P E E K 骨板螺钉14 4 9 6 33 0 6 l l1 3 1 6 7螺钉33 2 1 4 12 2 9 81 0 3 5 7图4 - 1 lF P 2 中1 、3 螺钉内最大应力差值F i g 4 - i lT h e D - v a l u e o f m a x i m u ms t r e s s w i t h i n $ ( ：1 2 9 W o n ea n d t h r e ea l F F 24 5 -s T 骨板T C A 骨板C F P E E K 骨板图4 - 1 2F P 3 中】号螺钉内应力的分布F i g 4 - 1 2T h es t r e s
16、 sd i s t r i b u t i o nw i t h i ns c r e wo n ea tF P 3表4 8F P 3 中各螺钉内的最大应力T a b l e4 - 8T h em a x i m u ms t r e s sv a l u ew i t h i ns c r e w sa tF P 3( 单位：M P a )S T 骨板T C 4 骨板C F P E E K 骨板螺钉14 7 7 7 43 6 4 8 41 4 0 0 5螺钉236 0 5 72 5 7 2 61 3 3 3 2图4 - 1 3 F P 3 中1 、2 螺钉内最大应力差值F i g 4 1 3T h eD - v a l u eo f m a x i m u ms t r e s sw i t h i ns c r e wo n ea n dt w oa lF P 34 6 -4 3 3 方式二
