拱形交叉固定接骨板的生物力学研究

1、拱形交叉固定接骨板的生物力学研究摘要目的报告拱形交叉固定接骨板与另外两种接骨板生物力学试验结果。方法对同种材质拱形板、矩形板，应力型板进行四点弯曲电测量，三点弯曲、循环拔钉及扭转拔钉和冲击对比试验。结果电测试验，拱形板中央应力值最小，抗弯强度最大；三点弯曲试验，拱形板强度极限最大；循环拔钉试验，拱形板开始拔钉循环次数最多；扭转拔钉试验，拱形板拔钉时，扭矩、扭转角最大；冲击试验，拱形板冲击韧性最高。结论拱形板抗弯、抗扭强度及防拨钉和抗冲击能力最高，克服弯板、断板、拔钉能力强。关键词拱形交叉固定接骨板；生物力学；内固定Research of Biological Mechanics of Arch

2、 Cross Fixed Collecting Bone PlateLi Fu(The Third Clinical Hospital of Norman Bathun University of Medical Sciences,Changchun,130021.)Sui Fuge(The Third Clinical Hospital of Norman Bathun University of Medical Sciences,Changchun,130021.)Luo Min et al.(The Third Clinical Hospital of Norman Bathun Uni

3、versity of Medical Sciences,Changchun,130021.)AbstractObjectiveThis article reports the result of biological mechanics of Arch cross fixed collecting bone plate and other two kinds of plates.MethodsFour points bent electronic measure,three points bent,circle pulling nail,rotating pulling nail and im

4、pact make comparing experiment to the same materials of arch,rectangle and stress plate.ResultsArch cross-fixed collecting bone plate has the least center stress and the most fastness intensity during electronic measure.Arch bone plate has the most intensity in bending experiment.In circle pulling n

5、ail experiment arch bone plate has the most number of pulling nail.In rotating pulling nail experiment arch bone plate has the most twisting distance and rotating angle.In impact experiment arch bone plate has the most impact tenacity.ConclusionsArch bone plate has the most ability of preventing fro

6、m pulling nail,bending,twisting and impact.Key wordsArch cross fixed collecting bone plate;Biological mechanics;Internal fixing加压接骨板广泛应用于治疗长骨骨折以来1，接骨板的弯板、断板和拔钉病例常有发生。为克服这一问题，作者以低周疲劳理论分析接骨板破坏原因，通过改变接骨板截面形状和螺钉位置，设计拱形交叉固定接骨板。经力学测试分析表明，拱形板强度和抗低周疲劳能力明显高于天津矩形板和张家港应力型板，其抗弯板、断板及拔钉能力较高，有较好的应用前景。1材料与方法1.1材料1C

7、r18Ni9Ti合金，其弹性模量为2107Ncm2；强度极限为55KNcm2；延伸率为40%；截面收缩率为32%；冲击韧性为100N.mcm2。1.2设计横截面为拱形，其两端边缘为斜形凹凸面，成花瓣形，板体分五部分，中间棱、两边棱及两角边，中间棱中央同一轴线上有一加压孔和一普通螺孔，两个边棱各有四个螺孔，交叉排列，分大中小三个型号。见1。1.3测试程序和方法1.3.1分组A组为拱形板，175mm20mm2mm(长宽厚)；B组为天津矩形板，170mm17mm5mm；C组为张家港应力型板，178mm16.5mm5mm。三种板材质相同，每组15块，每个试验用三块。1拱形板及对比板示意1.3.2四点弯

8、曲应变电测试验取内径25mm，外径32mm，长300mm，弹性模量为2105kgcm2硬质塑料管，中间横断模拟长骨横折。分别将三种接骨板各三块固定在横断的硬塑管上，在接骨板上粘贴电阻应变片2，放置在日本岛津AG-10TA试验机的四点弯曲支座上，以2mmmin速度施加500N载荷，通过YT-X2型静态电阻应变仪测出各测点应变值。根据=*E计算出每个测点应力值，取三块板均值，三组对照。1.3.3接骨板三点弯曲试验将三种板分别放置于日本岛津AG-10TA试验机三点弯曲支座上，以20mmmin实验速度施加载荷直至接骨板弯曲角度为100，自动打印实验数据，取均值三组对照。1.3.4四点弯曲循环拔钉试验将

9、三种板分别固定在中央横断的硬塑管上，再放置在AG-10TA试验机的四点弯曲支座上，先施加1.8KN载荷，均不见接骨板断裂和拔钉，再以50mmmin速度进行四点弯曲循环实验，记录三种板拔钉时循环次数，取均值三组对照。1.3.5扭转拔钉试验将三种板固定在中央横断的硬塑管上，使用最大量程的500N.mK50型扭转试验机，以15min速度施加扭矩，观察接骨板拔钉情况，自动记录拔钉时的扭矩和扭转角，三组对照。1.3.6冲击试验使用最大量程300N.mCJ-300冲击试验机，将摆锤摆起后释放，冲断试样，读取试样冲击功，按ak=AF计算冲击韧性，取均值三组对照。2结果2.1四点弯曲应变电测试验反映接骨板固定

10、后在相同载荷作用下的抗弯强度。三种板中央两螺孔间的应力值均最大，此值B板是A板的1.38倍，C板是A板的1.24倍，也就是A板固定后的抗弯强度是B板的1.38倍，C板的1.24倍。2.2三点弯曲试验反映接骨板本身抗弯强度的指标。A板强度极限59.30k.Ncm2，B板为25.07k.Ncm2，C板19.34k.Ncm2，A板强度极限是B板的2.36倍，C板的3.06倍。2.3四点弯曲循环拔钉试验反映抗循环拔钉能力。先施加1.8kN载荷时，均不见断裂和拔钉。当进行循环时，A板平均循2451次拔钉，B板678次，C板657次，A板的循环次数是B板的3.62倍，C板的3.73倍，见表1。2.4扭转拔

11、钉试验比较板抗扭转及抗因扭转而拔钉能力，A板扭矩26.5N.m28.5N.m，扭转角34.641.2开始拔钉，拔出长度1.25mm1.32mm；B板扭矩20.0N.m21.5N.m，扭转角为28.429.6，钉拔出2.42mm2.58mm，C板扭矩20.521.5N.m，扭转角28.529.5，钉拔出2.482.56mm。显然，A板开始拔钉时，扭矩、扭转角均最大，抗扭转强度及抗因扭转而拔钉的能力好。拔钉形式，A板以中央两螺孔拔出最大，向两端递减，B板、C板均近乎于整体式拔出，见表2。2.5冲击试验比较冲击韧性。冲击韧性表示在排除截面大小因素后试样抵抗冲击的能力，它与试样材料有关，也与其结构形状

12、有关。本试验三组板的材料相同，即排除材料因素，结果不同，均源于形状不同。A板冲击韧性3.64N.mmm2，B板2.26N.mmm2，C板2.53N.mmm2，A板是B板的1.61倍，C板的1.44倍，见表3。表1接骨板四点弯曲电测量试验、三点弯曲试验、四点弯曲循环拔钉试验结果接骨板类型四点弯曲电测应力值(kNcm2)三点弯曲强度极限(kNcm2)循环拔钉次数12345*123*123*拱型交叉1.233.827.113.241.4760.1057.7060.10205927142579固定接骨板天津矩形4.566.519.817.404.0128.5323.3423.34762579693截面

13、接骨板张家港2.425.128.785.722.7219.2716.5222.23724651596应力型接骨板*接骨板电阻应变片布片测点*接骨板试样样号 表2接骨板扭转拔钉实验结果钢板类别样号扭矩(N.m)扭转角(度)钉拔出长度(mm)拱形交叉固定接126.534.61.25骨板227.036.51.28328.541.21.32天津产接骨板120.029.62.42220.528.42.45321.529.52.58张家港产接骨板121.529.52.56221.029.32.52320.528.52.48表3接骨板冲击实验结果钢板类别样号试样横截面积(mm2)冲击功(N.m)冲击韧性N.

14、m/mm2备注拱形交叉固定140150.203.76未破坏接骨板240140.503.51未破坏340146.003.65未破坏天津产接骨板182.5196.002.12破坏282.5182.002.65破坏382.5248.002.02破坏张家港接骨板185180.002.38破坏285225.002.21破坏385172.003.10破坏3讨论要提高接骨板强度，应从提高抗弯强度，降低弯曲应力入手。抗弯强度取决于板的截面尺寸，更取决于截面的几何形状和截面惯性矩的大小，截面形状对弯曲刚度的大小至关重要3。从此种角度出发，我们选用拱形截面形状，螺钉为交叉固定方式，以提高板的抗弯、抗扭强度及防拔钉

15、能力。三种对比板均用同种材质排除材料因素，用力学试验对比，因板体几何形状改变而致板的力学性能差异。四点弯曲电测试验，三点弯曲试验分别从板固定后的抗弯强度和单纯板的抗弯强度两方面进行比较，证实拱形板选择拱形截面结构和螺钉交叉固定方式提高了板的抗弯强度。四点弯曲循环拔钉试验比较符合骨接骨板固定后压弯组合受力状态4、5。试验先施加1.8kN载荷时，(人平均体重不超过0.735kN)均不见板断裂和拔钉，说明三种板均满足静强度要求，接骨板破坏原因非因静强度不够而引起。当进行循环时，三种板均出现拔钉，说明固定后板拔钉是由低周疲劳应力造成的破坏。所以，在设计接骨板时不能只考虑它的静强度，即材料的比例极限和安

16、全系数，而应以低周疲劳的观点去设计接骨板，即从接骨板的几何结构和加大安全系数两方面考虑。拱形板开始拔钉时的循环次数最多，反映其设计较合理，防拔钉能力强。根据=MI理论公式，计算三种板惯性矩(I)，拱形板I最小，而弯矩(M)相同，则I越小抗弯强度极限越高，同时抗低周疲劳能力越强。临床中接骨板固定后发生弯、断板及拔钉情况多在固定后中后期，所以提高板的抗疲劳强度是防止断、弯板及拔钉的关键。临床中骨折部除受压、弯组合应力外，还要受到扭矩作用，扭转载荷产生的扭转应力对骨折愈合不利6。好的接骨板应具有满足内固定时所需的抗弯强度和抗扭强度，才能保证骨折端的稳定。扭转拔钉试验证明拱形板通过拱形截面和交叉固定，

17、既提高了抗扭强度也提高了抗因扭转而拔钉的能力，同时，拱形板冲击韧性高也是由于拱形截面结构能减弱由于突然冲击而造成的形变速度，从而减少冲击的破坏力3。拱形板中间棱与两边棱成150角，使两侧对应两边棱螺钉成60角交叉固定，加之中间棱螺钉呈垂直固定，成三维平面固定，无论受弯矩还是受扭矩，螺钉受到拔钉力很小，利于防止拔钉。拱形板的结构特点使板与骨干接触面积减少，仅两角边骑于骨干上，减轻对骨外膜血运损害，利于骨折愈合，减小应力遮挡效应7、8。吉林省科技发展计划项目 编号953004李福（白求恩医科大学第三临床医学院 长春市 130021）隋福革（黑龙江大庆油田总医院骨科）罗民（白求恩医科大学第三临床医学院 长春市 130021）李树义（白求恩医科大学第三临床医学院 长春市 130021）武汉（白求恩医科大学第三临床医学院 长春市 130021）马洪顺（吉林工业大学力学系）参考文献1，李世民，党耕町 主编.临床骨科学.第1版.天津：天津科学技术出版社，1998.14152，吴宗岱，陶宝祺 主编.应变电测原理与技术.第1版.北京：国防工业出版社，1982.5943，杨立民，张继明，沈金根.角形接骨板的研制与应用.中华骨科杂志，1992，1：714，陈杰，过邦辅，程心恒 等.股骨接骨板系统对外载荷反应的力学分析.全国第二届生物力学学术会议论文汇编(三)，