TA3纯钛LC-DCP接骨板断口分析与断裂失效有限元仿真研究
发布时间：2021-04-15 17:44
纯钛接骨板由于力学性能与骨匹配、耐腐蚀性能优异、生物相容性良好的特点,被广泛应用于临床治疗骨折。由于人体的生理与力学环境极为复杂,纯钛接骨板断裂失效时有发生,这会直接影响骨折愈合效果,导致愈合延迟、不愈合、骨组织坏死等临床症状。系统研究纯钛接骨板的临床断裂问题,建立相应的试验与仿真方法,有助于揭示纯钛接骨板的体内失效机制,为临床骨科手术治疗方案的制定和骨科植入物的优化设计提供理论支撑。本研究收集并处理了12个临床断裂失效的TA3纯钛限制接触动力加压（LC-DCP）接骨板,在对所有样品进行理化性能分析和断口失效分析的基础上,建立了10孔TA3纯钛LC-DCP接骨板内固定股骨干中段横形骨折的三维有限元模型,计算了不同骨折间隙时骨折的愈合情况与接骨板受力情况,分析了TA3纯钛LC-DCP接骨板的体内断裂失效机制。主要研究结果和结论如下:（1）12个TA3纯钛LC-DCP接骨板的自身理化性能符合相关标准规定,接骨板的材质合格。所有接骨板样品均在中段螺钉孔处发生断裂,断口表面出现相互平行的疲劳辉纹和二次裂纹,裂纹从远骨侧表面向近骨侧表面扩展;接骨板发生脆性断裂的同时,伴随疲劳断裂。（2）有限元仿...
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
骨折愈合的影响因素骨折愈合按照生物学机制分为四个阶段[14]，止血和炎性反应期、初始骨痂反应期、软骨形成期和骨形成与重塑期
西南交通大学硕士研究生学位论文第7页图1-2三种接骨板近骨侧表面形态[20]进入21世纪后，Frigg等[34]基于PC-Fix接骨板的设计理念，设计并研制出一种新型内固定系统，即微创接骨板系统（LISSLessInvasiveStabilizationSystem）。LISS接骨板系统采用成角固定方式，以尽量减小骨折处组织损伤。随后，Wagner和Frigg等[35-38]综合DCP与PC-Fix两种接骨板的优点，研制设计出锁定加压接骨板（LCPLockingcompressplate）。LCP接骨板联合使用锁定孔和加压孔的理念，可以根据需求采用不同的固定方式，既可以满足成角与轴向稳定性要求，又可以减小骨膜损伤，最大限度地加速骨折愈合和保证最佳骨折愈合效果。研究者一方面对接骨板进行形态学方面的设计与创新，另一方面研发新型人体植入材料，使其具备优异的生物相容性、无生物毒性，足以适应人体内复杂的力学环境，具有足够的稳定性，以避免组织并发症的发生，促进骨折愈合。其中，不锈钢、钴基合金、纯钛及其合金材料是接骨板的主要材料[39-42]。然而，这些材料的弹性模量远高于人体骨骼的弹性模量，应力遮挡率偏高，会导致骨折处骨质疏松甚至二次骨裂。近几年，研究人员对镁合金、高分子材料、复合材料的相关性能进行研究，期望得到能够更加有效的促进骨折愈合的新型接骨板材料，其中，可降解生物材料制备的接骨板会随着材料降解而将应力往骨上转移，有效地减缓应力遮挡效应，受到了人们的广泛关注。随着1972年Brekelmans和Rybicki等[43,44]将有限元方法引入到骨科与生物力学研究领域，骨折内固定治疗技术得到进一步发展。Fouad等[45,46]通过有限元方法，模拟分析了人体骨骼骨折模型中不同愈合时期不同材质接骨板的应力分布状态，结果表明，可生物降解接骨板和功能梯度接骨板均可以显著降低应力遮挡率效
西南交通大学硕士研究生学位论文第9页维氏硬度，发现表面富氧形成的硬脆污染层，在变形时极易产生微裂纹成为裂纹源，从而造成接骨板在使用过程中突然断裂。有研究认为，接骨板在人体内的服役环境也是造成接骨板断裂失效的直接原因。Sudhakar等[60]对沿螺钉孔处发生断裂失效的小型接骨板进行失效分析。体外拉伸试验和断口形貌分析发现典型的疲劳辉纹和点蚀坑，断口表面能谱分析表明有腐蚀产物生成，基于这些分析结果，研究者推断该接骨板断裂为腐蚀疲劳断裂，且螺钉与板接合界面可能是腐蚀疲劳的起点。Tavares等[61]对收集的断裂失效316L不锈钢接骨板进行了化学成分、硬度和断口形貌分析，发现这些接骨板的金相尺寸和组织结构存在显著差异，如图1-3所示。鉴于碳元素含量基本符合相关标准要求，螺钉孔螺纹缝隙腐蚀严重，部分导致了扩展中的裂纹，他们认为加工缺陷是接骨板断裂的根本原因，并提出对接骨板表面进行抛光和渗氮处理的建议，认为这将显著提升接骨板的抗疲劳性能。（a）（b）（c）（e）（e）（f）图1-3316L不锈钢接骨板微观组织结构形貌[61],（a）2号样品；（b）3号样品；（c）4号样品；（d）5号样品；（e）6号样品；（f）7号样品Azevedo等[62]对收集的临床断裂股骨加压接骨板进行失效分析，结果表明不锈钢接骨板的锰铬含量过低，严重影响其在体内服役时的抗腐蚀性能。他们还在螺钉头与40μm40μm40μm40μm40μm40μm
【参考文献】：
期刊论文
[1]外科植入用TA3钛合金接骨板断裂失效分析[J]. 李荣,魏东,许陆,武晶晶. 理化检验(物理分册). 2016(12)
[2]骨折治疗的思考-AO、BO的演变及CO时代的到来[J]. 戴闽,于小龙. 中国骨与关节损伤杂志. 2016(04)
[3]接骨板材料的研究现状[J]. 谯波,蒋电明. 重庆医科大学学报. 2017(02)
[4]人体主股骨接骨板断裂失效分析[J]. 王荣,杨星红. 腐蚀科学与防护技术. 2013(06)
[5]骨折愈合机制的现代研究[J]. 陈昱,陈宗雄,徐皓,王万宗. 中国组织工程研究与临床康复. 2008(50)
硕士论文
[1]股骨骨折内固定金属接骨板的生物力学性能研究[D]. 郑照县.西南交通大学 2017
[2]梯度纳米纯钛的表面完整性及力学性能研究[D]. 李晓.华东理工大学 2016
[3]基于正交各向异性分析的皮质骨钻削的仿真与实验研究[D]. 何玲.天津理工大学 2016
[4]四肢典型接骨板生物力学性能研究[D]. 董双鹏.上海交通大学 2012
本文编号：3139800
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
骨折愈合的影响因素骨折愈合按照生物学机制分为四个阶段[14]，止血和炎性反应期、初始骨痂反应期、软骨形成期和骨形成与重塑期
西南交通大学硕士研究生学位论文第7页图1-2三种接骨板近骨侧表面形态[20]进入21世纪后，Frigg等[34]基于PC-Fix接骨板的设计理念，设计并研制出一种新型内固定系统，即微创接骨板系统（LISSLessInvasiveStabilizationSystem）。LISS接骨板系统采用成角固定方式，以尽量减小骨折处组织损伤。随后，Wagner和Frigg等[35-38]综合DCP与PC-Fix两种接骨板的优点，研制设计出锁定加压接骨板（LCPLockingcompressplate）。LCP接骨板联合使用锁定孔和加压孔的理念，可以根据需求采用不同的固定方式，既可以满足成角与轴向稳定性要求，又可以减小骨膜损伤，最大限度地加速骨折愈合和保证最佳骨折愈合效果。研究者一方面对接骨板进行形态学方面的设计与创新，另一方面研发新型人体植入材料，使其具备优异的生物相容性、无生物毒性，足以适应人体内复杂的力学环境，具有足够的稳定性，以避免组织并发症的发生，促进骨折愈合。其中，不锈钢、钴基合金、纯钛及其合金材料是接骨板的主要材料[39-42]。然而，这些材料的弹性模量远高于人体骨骼的弹性模量，应力遮挡率偏高，会导致骨折处骨质疏松甚至二次骨裂。近几年，研究人员对镁合金、高分子材料、复合材料的相关性能进行研究，期望得到能够更加有效的促进骨折愈合的新型接骨板材料，其中，可降解生物材料制备的接骨板会随着材料降解而将应力往骨上转移，有效地减缓应力遮挡效应，受到了人们的广泛关注。随着1972年Brekelmans和Rybicki等[43,44]将有限元方法引入到骨科与生物力学研究领域，骨折内固定治疗技术得到进一步发展。Fouad等[45,46]通过有限元方法，模拟分析了人体骨骼骨折模型中不同愈合时期不同材质接骨板的应力分布状态，结果表明，可生物降解接骨板和功能梯度接骨板均可以显著降低应力遮挡率效
西南交通大学硕士研究生学位论文第9页维氏硬度，发现表面富氧形成的硬脆污染层，在变形时极易产生微裂纹成为裂纹源，从而造成接骨板在使用过程中突然断裂。有研究认为，接骨板在人体内的服役环境也是造成接骨板断裂失效的直接原因。Sudhakar等[60]对沿螺钉孔处发生断裂失效的小型接骨板进行失效分析。体外拉伸试验和断口形貌分析发现典型的疲劳辉纹和点蚀坑，断口表面能谱分析表明有腐蚀产物生成，基于这些分析结果，研究者推断该接骨板断裂为腐蚀疲劳断裂，且螺钉与板接合界面可能是腐蚀疲劳的起点。Tavares等[61]对收集的断裂失效316L不锈钢接骨板进行了化学成分、硬度和断口形貌分析，发现这些接骨板的金相尺寸和组织结构存在显著差异，如图1-3所示。鉴于碳元素含量基本符合相关标准要求，螺钉孔螺纹缝隙腐蚀严重，部分导致了扩展中的裂纹，他们认为加工缺陷是接骨板断裂的根本原因，并提出对接骨板表面进行抛光和渗氮处理的建议，认为这将显著提升接骨板的抗疲劳性能。（a）（b）（c）（e）（e）（f）图1-3316L不锈钢接骨板微观组织结构形貌[61],（a）2号样品；（b）3号样品；（c）4号样品；（d）5号样品；（e）6号样品；（f）7号样品Azevedo等[62]对收集的临床断裂股骨加压接骨板进行失效分析，结果表明不锈钢接骨板的锰铬含量过低，严重影响其在体内服役时的抗腐蚀性能。他们还在螺钉头与40μm40μm40μm40μm40μm40μm
【参考文献】：
期刊论文
[1]外科植入用TA3钛合金接骨板断裂失效分析[J]. 李荣,魏东,许陆,武晶晶. 理化检验(物理分册). 2016(12)
[2]骨折治疗的思考-AO、BO的演变及CO时代的到来[J]. 戴闽,于小龙. 中国骨与关节损伤杂志. 2016(04)
[3]接骨板材料的研究现状[J]. 谯波,蒋电明. 重庆医科大学学报. 2017(02)
[4]人体主股骨接骨板断裂失效分析[J]. 王荣,杨星红. 腐蚀科学与防护技术. 2013(06)
[5]骨折愈合机制的现代研究[J]. 陈昱,陈宗雄,徐皓,王万宗. 中国组织工程研究与临床康复. 2008(50)
硕士论文
[1]股骨骨折内固定金属接骨板的生物力学性能研究[D]. 郑照县.西南交通大学 2017
[2]梯度纳米纯钛的表面完整性及力学性能研究[D]. 李晓.华东理工大学 2016
[3]基于正交各向异性分析的皮质骨钻削的仿真与实验研究[D]. 何玲.天津理工大学 2016
[4]四肢典型接骨板生物力学性能研究[D]. 董双鹏.上海交通大学 2012
本文编号：3139800
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