点接触锁定接骨板系统的三维有限元分析及生物力学研究

【摘要】： 目的: 1.探讨点接触锁定接骨板系统和传统动力加压接骨板系统固定股骨干骨折后,接骨板和股骨上的应力、应变分布特征,为进一步生物力学实验和临床应用研究提供理论依据。 2.在骨质疏松性粉碎性骨折模型上,对比研究点接触锁定接骨板系统和传统动力加压接骨板系统的生物力学强度,为进一步动物实验和临床应用研究提供理论依据。 3.建立山羊胫骨粉碎性骨折模型,对比研究点接触锁定加压接骨板与有限接触动力加压接骨板固定骨折后骨痂形成情况,为进一步临床应用研究提供理论依据。 方法: 1.利用计算机辅助设计技术和逆向工程技术,构建接骨板和股骨的三维模型。利用Pro/E软件进行模型装配,模拟接骨板固定骨折的临床实际情况。利用ANSA12.0专业软件进行网格划分,在不同的加载条件下,利用ANSYS10.0软件进行三维有限元分析,得到接骨板和股骨上的应力、应变分布特征。 2.利用双能X线机选取成对的老年性骨质疏松性尸体骨标本,中间横断1cm间隙构建粉碎性骨折模型。在四点弯曲、扭转及轴向压缩加载下,对比研究点接触锁定接骨板系统和传统动力加压接骨板系统的抗弯、抗扭及抗压刚度。 3.选取健康1岁左右山羊,胫骨“Z”字形截骨,建立粉碎性骨折模型, PC-LCP与LC-DCP接骨板固定。通过X线影像学观察、四点弯曲力学测试、组织学观察和计量学研究,对比两种接骨板固定后的骨痂形成情况。 结果: 1.三维有限元分析结果表明,PC-LP系统与LC-DCP系统比较,股骨和接骨板上的应力、应变分布规律大体相同。在轴向压缩和扭转载荷下,从股骨上的螺孔处应力集中现象看,PC-LP接骨板总体上优于LC-DCP接骨板。PC-LP系统在四点前后弯曲、轴向压缩和扭转三种载荷下,接骨板上应力集中的区域位于板边缘或者中间,而股骨的应力都集中在骨折位点最近的两个螺孔或最远的两个螺孔处。 2.在骨质疏松性粉碎性桡骨骨折模型上,PC-LCP与DCP接骨板对比,在前后四点弯曲、内外四点弯曲及扭转实验测试下,PC-LCP固定桡骨骨折模型的抗弯刚度及抗扭刚度均有大于DCP的趋势;而PC-LP与LC-DCP对比时,在前后四点弯曲、内外四点弯曲及扭转实验测试下,PC-LCP固定桡骨骨折模型的抗弯刚度及抗扭刚度均明显大于DCP接骨板,两者差异具有统计学意义。在骨质疏松性粉碎性股骨干骨折模型上,PC-LCP与DCP接骨板对比,在前后四点弯曲、轴向压缩实验测试下,PC-LCP固定股骨干骨折模型的抗弯刚度及抗压刚度均大于DCP接骨板,两者差异具有统计学意义;在扭转实验测试下,PC-LCP固定股骨干骨折模型的抗扭刚度有大于DCP的趋势,但两者差异没有统计学意义。 3.在动物实验中,X线影像学观察,术后8周、术后12周时,PC-LCP组粉碎性骨折处的骨痂形成多于DCP组。术后12周,四点弯曲力学测试,PC-LCP组的骨折愈合后骨痂的弯曲强度和最大载荷均明显大于DCP组,两者差异有统计学意义。术后12周时骨痂组织形态学分析,普通光学显微镜下,PC-LCP组比DCP组的骨小粱形成较多,排列更规则。对于骨痂组织的静态参数,小粱骨痂体积密度(TBV),显微镜下的形态计量学结果提示,PC-LCP组的TBV明显大于DCP组,两者差异具有统计学意义。对于骨痂组织动态参数,骨沉积率(AR),我们采用四环素和钙黄绿素双标,荧光显微镜下观察,形态计量学分析。结果提示,PC-LCP组的骨沉积率平均值大于DCP组,但是两者差异没有统计学意义。两个骨痂的形态学计量结果提示,PC-LCP组比DCP组的骨折愈合更好的机制,可能在于成骨细胞的增殖分化,而不在于骨矿化沉积。 结论: 综上所述,点接触锁定接骨板系统作为一种生物学内固定理念的接骨板,其生物力学特性明显优于传统接骨板,同时其点接触设计,保护了骨折局部血运,促进骨折愈合。对于骨质疏松性和粉碎性骨折,点接触锁定接骨板系统比传统动力加压接骨板系统具有更加优越的生物力学特性,更多骨痂形成,是一种更加理想的生物学接骨板。