可吸收锁钉鞘预防带锁髓内钉应力遮挡的生物力学研究

发布时间：2020-06-19 02:57

【摘要】：目的通过万能电子力学试验机和有限元分析法(Finite Element Analysis)分别测量自行研制的可吸收锁钉鞘(Absorbable Sheath,AS)带锁髓内钉(interlocking intramedullary nail,IMN)和普通金属锁钉带锁髓内钉固定治疗山羊股骨干骨折模型不同愈合时期骨折愈合的力学强度或骨痂受到的应力情况,探究各组治疗方式的生物力学特性及应力遮挡差异,为可吸收锁钉鞘带锁髓内钉固定山羊股骨骨折试验提供基础数据,并为此种治疗方法将来应用于临床提供生物力学理论依据。方法1.山羊股骨干横型骨折实物模型建立及生物力学试验:选取1周龄左右的健康成年波尔山羊,将山羊右侧股骨干作为横型骨折模型侧,从大转子顶点扩髓至大小合适,置入自行设计的相配套的髓内钉,在股骨近远端分别锁入各2枚锁钉,于模型中段处摆锯横行锯断,左侧不做任何处理。最终纳入16只山羊,随机均分为实验组和对照组,分别应用套有AS的锁钉和普通锁钉来锁定髓内钉,在术后4周、12周、24周、36周等不同时间点分批处死相应4只山羊,并取出山羊右侧股骨,小心去除髓内钉、锁钉等装置;安装并调试自控万能生物力学试验机,取4根健康的完整山羊股骨安放于合适位置,以2mm/min的加载速度行预压试验,待消除因力学试验机系统蠕变而导致的误差;将处理好的标本分别行垂直压缩、三点弯曲试验,大体观察并记录股骨断裂方式及位置等,比较两组骨折愈合的生物力学强度,进而分析总结可吸收锁钉鞘预防带锁髓内钉应力遮挡的有效性及机制;2.山羊股骨干横型骨折有限元模型建立及分析:首先,将建立的山羊股骨三维实体模型导入到SolidWorks中,在股骨模型中段横向拉伸切除1.5mm的骨折间隙,并在间隙处放样出相同大小的骨痂,完成山羊股骨中段骨折带骨痂三维模型的建立。然后,按照山羊股骨内固定设计要求,完成山羊股骨带锁髓内钉主钉、AS锁钉、普通金属锁钉等模型的建立。其中山羊股骨带锁髓内钉主钉长120mm,直径9mm,两侧锁钉孔对称分布且直径为5.5mm;普通金属锁钉直径为5mm;AS锁钉直径为5mm,可吸收鞘初始壁厚0.5mm。最后,按照带锁髓内钉植入要求对上述山羊股骨模型进行扩髓、装配。扩髓装配后,分别建立AS锁钉组模型5个;普通金属锁钉组模型1个;再将各组模型分别用X_T的形式整合到ANSYS有限元分析软件中分析使用不同锁钉对山羊股骨骨折骨痂受到的应力情况及带来的应力遮挡差异。由于标本数量受限,结果无法用均数±标准差及T检验等方式统计;我们采用先计算两组山羊健术侧股骨结果差值(健侧-术侧结果),再比较两组差值,差值越小,代表术侧股骨愈合强度越接近于健侧。结果1.轴向垂直压缩试验结果:术后4周实验组标本压应力差值为1381.2 N,对照组差值为4174.3N;术后12周实验组标本压应力差值为806.5N,对照组差值为3258.7 N;术后24周实验组标本压应力差值为302.8N,对照组差值为3258.7N;术后36周实验组标本压应力差值为-689.55N,对照组差值为606.8 N。三点弯曲试验结果:术后4周实验组标本抗弯曲应力差值为708.4 N,对照组差值为1596.6 N;术后12周实验组标本抗弯曲应力差值为373.35 N,对照组差值为934.3N;术后24周实验组标本抗弯曲应力差值为160.55 N,对照组差值为416.7 N;术后36周实验组标本抗弯曲应力差值为-329.3 N,对照组差值为186.45 N。2.根据ANSYS软件的计算结果,得到骨折愈合不同时期骨痂的平均应力,根据应力遮挡率公式η=(1-σ有固定/σ无固定)×100%(η:应力遮挡率;σ:平均应力)分别计算AS锁钉和普通金属锁钉带锁髓内钉固定山羊股骨干骨折对骨痂产生的应力遮挡率,结果显示AS锁钉带锁髓内钉固定组较普通金属锁钉带锁髓内钉固定组初期下降约4%,中期下降约8%,后期下降约23%。结论1.取出骨折愈合不同时期的患肢股骨行轴向垂直压缩、三点弯曲力学试验,表明了同一个时间点的AS锁钉带锁髓内钉治疗组山羊股骨干骨折愈合强度均高于普通锁钉组,尤其在术后愈合中后期,两组差异更明显;而且对照组骨折愈合强度始终低于健侧,然而实验组术后36周愈合强度出现大于健侧的情况,这更加说明了实验组AS锁钉的优势;2.从愈合不同时期患肢股骨极限载荷后的大体相来看,其中轴向垂直压缩试验,两组的左侧股骨断裂部位于股骨颈基底或附近;但是对照组右侧股骨断裂部位股骨骨折处或附近锁孔处;而实验组的术后36周的山羊股骨标本断裂部位在股骨颈基底或附近;三点弯曲试验,所有山羊股骨标本均断裂于骨折处或锁孔周围。故试验同样证明AS锁钉带来的优势;3.通过有限元分析结果,我们同样了解到AS锁钉带锁髓内钉固定组的骨折骨痂生长情况、应力情况、应力遮挡情况均优于普通锁钉组;4.本试验测试的结果基本一致证明了AS锁钉带锁髓内钉治疗骨折能够通过"静-动"自动转变,产生微动,较好的满足骨折愈合的力学要求,缩短骨折愈合时间,增加骨折愈合强度,减少传统带锁髓内钉带来的应力遮挡;5.但是,本实验所进行的标本例数偏少,在统计学方面还应继续更大样本去证明该结论。
【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R687.3
【图文】：

带锁髓内钉,山羊,股骨

内径 4.0mm，外径 5.0mm，当 AS 锁钉置入体内一定时酸树脂总体膨胀约 0.5mm。计的实验用带锁髓内钉尺寸：30 根，天津市金兴达实业有限公司主钉钉体为圆柱形，长度为 120.0mm，体直径为 9.0mm，远近端直径为 5.5mm。学试验地点：天津理工大学生物力学试验室，工作环境尽量远离空地方；环境中无明显电磁场干扰；环境温度 20±5℃，且每小时波相对湿度≤80%；电源频率 50 赫兹，电源电压 AC220±10V。学试验机：微机控制万能电子力学试验机，长春科新试验仪器有限DW-10，试验速度范围 0.005-500mm/min，精确度 0.5%，试验力程不分档，精确度 0.5%。

内径 4.0mm，外径 5.0mm，当 AS 锁钉置入体内一树脂总体膨胀约 0.5mm。的实验用带锁髓内钉尺寸：30 根，天津市金兴达实业有限钉钉体为圆柱形，长度为 120.0mm，体直径为 9.0mm，远近径为 5.5mm。试验地点：天津理工大学生物力学试验室，工作环境尽量远方；环境中无明显电磁场干扰；环境温度 20±5℃，且每小对湿度≤80%；电源频率 50 赫兹，电源电压 AC220±10V。试验机：微机控制万能电子力学试验机，长春科新试验仪器DW-10，试验速度范围 0.005-500mm/min，精确度 0.5%，试不分档，精确度 0.5%。图 1. 山羊股骨带锁髓内钉主钉

【参考文献】