3D打印个性化髋臼接骨板设计生物力学研究与分析

目的 应用三维有限元方法研究接骨板内固定疗法治疗髋臼后壁骨折,探讨接骨板与骨面不同间隙对髋臼应力分布的影响。方法 基于真实人体髋关节CT扫描数据,设计出适用于髋臼后壁骨折内固定的个性化接骨板,利用Mimics、Geomagic、Abaqus等软件构建接骨板内固定髋关节三维有限元模型,选择成人缓慢行走时单脚承重的受力状态对模型加载,分析接骨板与骨面不同间隙（0 mm、0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm）对髋臼生物力学的影响。结果 随着接骨板与骨界面间隙的增大,接骨板与髋臼后壁碎片上所受最大应力随着间隙的增大而略微减小,但应力分布情况并没有太大的变化。结论 将本文有限元仿真结果结合临床骨治疗生物固定理念,可以发现个性化接骨板与骨界面间隙并不是越小越好,在允许范围内,应将接骨板与骨界面之间留有一定间隙。     

波形接骨板的设计及生物力学原理

作者通过对波形接骨板和直形接骨板的比较研究，从理论上证明波形接骨板可以使骨－接骨板系统的中性轴向接骨板－侧外移，从而达到骨断面完全受压力的目的，使断面受力均匀，防止接骨板对侧骨断端张开，减少了接骨板对骨的应力保护作用，有利于骨痂生长和植骨，优于常用的直形接骨板。     

应力松驰接骨板对固定段骨结构及力学性能影响的实验研究

目的:了解应力松驰接骨板固定对固定段骨形态结构及力学性能的影响.方法:分别将应力松驰接骨板(实验组)和坚硬接骨板(对照组)固定于兔胫骨干中段,采用CT扫描及CT值测定和力学测试,观察固定段骨结构及力学性能的变化.结果:固定后8～12周,两组板下皮质骨厚度均逐渐变薄,伴CT值和固定骨段力学强度下降,以对照组为明显.24～36周,实验组板上皮质骨厚度、CT值和固定骨段力学强度逐渐恢复,接近正常;而对照组呈现松质骨化,36周时最大三点弯曲强度仅为正值53.9%.结论:应力松驰接骨板减轻了板下骨骨质疏松的发生,在不去除接骨板的情况下,可使疏松板下骨形态结构及力学性能逐渐恢复.     

接骨板不同螺钉布局下骨愈合过程有限元分析

目的探究螺钉布局方式对骨愈合的影响,为相关的骨折治疗提供基础。方法采用有限元方法研究不同螺钉布局方式下骨愈合过程;采用骨折块应变理论(interfragmentary strain theory,IFS)模拟骨痂的生长变化过程;利用Python语言对ABAQUS进行二次开发,使得迭代过程中骨痂所划分的每个单元都根据IFS理论更新弹性模量,从而模拟骨折愈合过程。结果不同数量螺钉对骨愈合过程的影响小于不同接骨板工作长度对骨愈合过程的影响;稳定固定的前提下,接骨板工作长度一定时,螺钉数量变化对接骨板或螺钉的应力影响较小;接骨板工作长度不同,对接骨板及螺钉的应力影响较大,且工作长度变化对螺钉上应力变化的影响大于对接骨板的影响。结论相较于螺钉数量,对于接骨板工作的长度应着重考虑,应当遵循在保证内固定系统稳定的前提下,减少接骨板上的螺钉数量,并对接骨板工作长度的选择进行恰当的选择。     

应力松驰接骨板对固定段骨结构及力学性能影响的实验 …

目的：了解应力松驰接骨板固定对固定段骨形态结构及力学性能的影响。方法：分别将应力松驰接骨板（实验组）和坚硬接骨板（对照组）固定于兔胫骨干中段,采用ＣＴ扫描及ＣＴ值测定和力学测试,观察固定段骨结构及力学性能的变化。结果：固定后８～１２周,两组板下皮质骨厚度均逐渐变薄,伴ＣＴ值和固定骨段力学强度下降,以对照组为明显。２４～２６周,实验组板上皮质骨厚度、ＣＴ值和固定骨段力学强度逐渐恢复,接近正常;而对照     

桥接组合式内固定系统与锁定接骨板钉系统在股骨骨折应用中的有限元分析

背景：桥接组合式内固定系统在人体骨折固定上,与锁定钢板相比效果如何,有待实验证实。 目的：比较桥接组合式内固定系统与金属锁定接骨板钉系统固定股骨干骨折的生物力学特性。 方法：对两种固定方式的有限元模型进行模拟加载,了解各模型中骨与内固定的应力分布和应变特点,并对结果加以分析。 结果与结论：爬楼梯时接骨板锁定螺钉上的应力比步态时增48.6%,达到480 MPa,最大应力出现在中间锁定螺钉上。桥接系统中间联接棒上的最大应力比步态时大34.1%,最大值为373.9 MPa,出现在联接棒中间略远端附近;骨折区域上的应力桥接组合式内固定系统小于金属锁定接骨板钉系统。提示桥接组合式内固定系统较金属锁定接骨板钉系统具有更好的生物力学性能,固定更牢靠、利于骨折生长,是骨折内固定的一种更好选择。     

基于传力路径的接骨板结构拓扑优化设计

目的 提出一种相对于传统拓扑优化方法能有效降低应力集中,并进一步提高断骨愈合效果的接骨板拓扑优化设计方法。方法 依据接骨板在断骨-接骨板系统中的载荷约束条件,采用改进的基于传力路径的拓扑优化方法对接骨板结构进行优化设计。随后采用基于偏应变的骨再生模拟模型,对胫骨骨干横向骨折情况进行骨再生模拟,依据骨再生过程数据对优化接骨板的受力状态、固定稳定性及愈合性能进行评估。结果 使用基于传力路径优化方法的优化接骨板在体积分数f=0.55、0.65时,接骨板最大应力分别为55.68、42.23 MPa,相较于传统拓扑优化方法优化接骨板分别降低32.96%、29.95%;骨愈合过程后骨痂平均弹性模量分别为1 439.47、1 355.71 MPa,相较于传统接骨板分别提升145.86%、131.06%。结论 提出的改进基于传力路径的拓扑优化方法,可以用于接骨板结构优化设计,优化后接骨板相比传统拓扑优化方法优化接骨板受力更加均匀,使用安全性更高,骨愈合性能相较传统接骨板有明显提升。研究结果为骨折内固定植入物的优化设计提供了一种新思路和方法。     

应力强度因子对股骨干骨折接骨板裂纹扩展的分析

分析接骨板孔边裂纹前缘的应力强度因子分布,探究接骨板参数对裂纹扩展行为的影响。利用扩展有限元的方法计算裂纹前缘的应力强度因子,在ABAQUS中建立含预制裂纹的股骨干骨折内固定系统模型,观察裂纹位置和接骨板参数的变化对应力强度因子数值的影响。接骨板孔边的裂纹类型为复合型裂纹,张开型应力强度因子在裂纹扩展中起着主导作用;接骨板的工作长度对应力强度因子的数值影响较为显著,较大的接骨板厚度和宽度能明显降低裂纹的应力强度因子。     

医用316L不锈钢接骨板固定股骨的有限元方法分析

目的用三维有限元方法对医用316L不锈钢接骨板、螺钉及股骨进行应力计算,最终分析316L不锈钢接骨板对股骨的应力遮挡效应.方法首先建立医用316L不锈钢接骨板、螺钉及股骨的三维几何模型;网格划分后建立对应的三维有限元模型;在定义材料属性的基础上,加载边界条件,对站立位状态下的接骨板及螺钉强度进行有限元计算,同时分析股骨应力遮挡问题.结果通过对螺钉未加压状态和加压状态下股骨所受应力与站立位时正常股骨应力的对比,得出医用316L不锈钢接骨板及螺钉对股骨的应力遮挡效应.结论医用316L不锈钢接骨板及螺钉对股骨产生明显的应力遮挡效应,仅靠螺钉加压对应力遮挡效应的降低作用有限.本文建立的接骨板对股骨应力遮挡的分析方法可广泛应用于其他骨骼骨折应力遮挡的分析.     

锁定加压接骨板固定股骨骨干骨折生物力学特征的三维有限元分析

基于人体股骨CT数据,结合股骨骨折不同阶段的结构特征,建立了锁定加压接骨板(LCP)固定股骨中部骨折的医学装配模型,运用三维有限元分析(3D-FEA)方法,选择一倍体重(70kg)生理载荷和约束条件,计算分析锁定加压接骨板固定股骨骨折在不同愈合阶段时股骨及LCP中的应力分布。结果表明,在骨折部位未发生愈合阶段与软组织形成阶段,股骨及LCP中应力分布相近,股骨内最大应力值(371.23、272.76MPa)远高于自然股骨,且应力主要分布于骨折处以上部位股骨;在骨痂形成阶段,部分股骨内应力向下转移,最大应力值(68.17MPa)较前两阶段明显降低且低于正常骨的极限强度,安排适当的康复训练有利于新骨生长和患者康复。     

低应力遮挡效应接骨板的研究与设计

在骨折的治疗中,接骨板的应用最为普遍,接骨板种类繁多,出现问题也较多,比如断钉、断钢板、骨折不愈合、骨质愈合不良等问题。为了有效降低上述问题发生,促进骨愈合我们研究设计了低应力遮挡效应接骨板。1构造1.1低应力遮挡效应接骨板的螺孔为长方形或长椭圆     

锁定接骨板外置治疗42A3型骨折的生物力学分析

目的：构建锁定接骨板外置治疗胫骨干横形骨折（AO-OTA分型：42A3型）的模型，运用有限元分析的方法，分析不同骨折断端分离间隙时，接骨板、螺钉及胫骨的应力及分布情况，并为该治疗方案提供理论依据。方法：获得1名健康志愿者左侧胫骨的CT扫描DICOM图像，使用Mimics 21.0软件、Geomagic Studio 2014软件、SolidWorks软件、Hypermesh14.0软件、MSC.Patran 2019软件和MSC.Nastran 2019软件建立接骨板外置治疗不同骨折分离间隙的42A3型骨折有限元模型，并通过有限元分析胫骨、接骨板及螺钉的最大应力值及分布情况。结果：在0.2～2.0 mm分离间隙下，随着骨折断端分离间隙增大，力加载终止时刻及力加载全程胫骨、接骨板、螺钉最大应力值均呈上升趋势；且接骨板最大应力值>螺钉最大应力值>胫骨最大应力值；接骨板最大应力值在接骨板第3、4、5板孔附近；螺钉最大应力值在第3螺钉尾部；胫骨最大应力值出现在骨折断面处；胫骨、接骨板、螺钉力加载全程最大应力值均大于其自身力加载终止时刻最大应力值。结论：当42A3型骨折断端分离间隙小...     

基于骨愈合过程的内固定物参数研究

探究螺钉布局和内固定物材料对内固定系统稳定性及骨愈合过程的影响。运用有限元方法模拟不同试验方案的骨愈合过程,观察愈合过程中接骨板与螺钉的应力、骨痂的应变及股骨密度的变化并得出最佳组合方式。骨愈合过程接骨板及螺钉上应力集中点出现转移,前期集中于骨折线附近,后期向骨折远端转移。考虑前期骨痂的形成与后期股骨的吸收,本试验最佳组合为A1-B2。     

有限元法分析不同固定方式在胫骨远端粉碎性骨折骨愈合中的生物力学差异

背景：胫骨远端粉碎性骨折伴软组织损伤的治疗具有挑战性，新型逆行胫骨髓内钉、外置接骨板是重要的治疗手段，但其在骨折愈合不同时期、不同负重情况时的骨折端应变、应力遮挡情况未见报道。目的：通过有限元分析法探讨骨折愈合不同时期逆行髓内钉及外置接骨板的生物力学差异，为临床应用及康复锻炼提供科学参考。方法：利用1名40岁健康男性的胫骨CT数据，建立胫骨远端粉碎骨折的有限元模型，构建胫骨逆行髓内钉、外置接骨板固定模型及骨痂模型并根据骨折的固定原则进行装配。使用ANSYS软件进行有限元分析，比较骨折愈合不同时期时逆行髓内钉及外置接骨板2种固定方式的骨折端位移、胫骨应力遮挡、骨痂应力、胫骨及固定装置应力分布情况。结果与结论：(1)胫骨骨折端相对位移随着骨折愈合的进行逐渐减小，在术后3个月后位移明显减少；术后0,1个月，外置接骨板组的垂直位移及总位移均大于逆行髓内钉组，2种固定方式的Z轴位移(水平内外侧位移)均较X、Y轴位移明显，且接骨板模型的Z轴位移差异最明显；2种固定方式的Z轴位移最大位置均位于胫骨外侧，位移最小位置均位于胫骨内侧；(2)骨折愈合的应力遮挡率随骨折时间延长而逐渐降低；逆行髓内钉的应力遮...     

应力松弛接骨板对骨应力遮挡率影响的实验研究

将螺孔部衬有不同数量、不同厚度聚乙烯垫圈的３１６Ｌ不锈钢接骨板置于２０根聚甲基丙烯酸甲酯模拟骨中段。分别在固定后不同时期测定不同载荷下接骨板内二螺孔间的外表面及接骨板对侧模拟骨中段的应变值，从而计算出应力遮挡率。结果发现，有垫与无垫接骨板组在术后１０周内的应力遮挡率无统计学差异，１０周以后两组间出现显著性差异，无垫组保持不变，有垫组的应力遮挡率逐渐下降。在垫圈厚度相同时，衬垫数量越多（本实验最多采用４孔４垫），后期应力遮挡率下降越明显。表明应力遮挡率的变化与垫圈数量关系密切。     

螺钉间夹角对桡骨远端不稳定骨折接骨板应力影响仿真研究

目的比较4种螺钉间夹角排布对治疗桡骨远端不稳定骨折的术后掌侧接骨板应力分布情况,并找出最优固定角度。方法选取1例健康男性志愿者,对其左手桡骨分别建立含骨折断面和骨痂的桡骨远端不稳定骨折的三维有限元模型。掌侧锁定钢板远端螺钉间夹角分别采用0°、5°、10°、15°。选择竖直提起重物情况作为生理载荷和约束条件,在竖直方向施加100 N的载荷,模拟手臂提起重物的情况,并计算分析出4种不同螺钉排布角度情况的应力分布。通过比较4种排布方式,选择出其中应力最小的排列方式。结果螺钉间夹角0°～15°时最大应力分别为580.06 MPa、493.13 MPa、594.38 MPa和604.20 MPa。在螺钉间夹角5°的情况下竖直提起重物,掌侧锁定钢板上的最大应力小于其他螺钉间夹角排列方式。结论增加远端头部螺钉夹角角度确实能降低接骨板的局部应力。采用螺钉间夹角5°的排列方式可以有效地防止掌侧锁定接骨板应力集中,提高掌侧锁定接骨板使用寿命。     

应力松弛接骨板对骨应力遮挡率影响的实验研究

将螺孔部衬有不同数量、不同厚度聚乙烯垫圈的３１６Ｌ不锈钢接骨板置于２０根聚甲基丙烯酸甲酯模拟骨中段。分别在固定后不同时期测定不同载荷下接骨板内二螺孔间的外表面及接骨板对侧模拟骨中段的应变值，从而计算出应力遮挡率。结果发现，有垫与无垫接骨板组在术后１０周内的应力遮挡率无统计学差异，１０周以后两组间出现显著性差异，无垫组保持不变，有垫组的应力遮挡率逐渐下降。在垫圈厚度相同时，衬垫数量越多（本实验最多采用４孔４垫），后期应力遮挡率下降越明显。表明应力遮挡率的变化与垫圈数量关系密切。     

应力松弛接骨板对骨折愈合骨痂及板下骨改建的影响

目的明确应力松弛接材板固定对骨折愈合骨痴及板下村改建的影响。方法将兔胫骨干横形截骨后,分别以应力松弛接骨板（Stress,relaxationplateSRP）和坚硬接骨板（RigidplateRP）固定。术后4－24周,偏光及透射电镜检查对两组骨痴及板下什改建进行研究。结果早期两组问骨痴及板下骨结构改变相仿,表现为骨痴胶原排列紊乱,折光性弱,板下骨吸收腔形成。］2周,后SRP组骨痴板层骨化,板下骨吸收胜逐渐变小;而RP组,好痴及板下骨吸收腔逐渐增多、增大,直至松质骨化。透射电镜：48周时财五间均出现活跃破骨细胞,SRP组督表面向时可见较…     

钛涂层317L接骨板螺钉骨界面的光镜观察

报告了钛涂层３１７Ｌ接骨板螺钉骨界面光镜观察结果，两种螺钉植入后均形成骨整合骨界面，但钛涂层３１７Ｌ接骨板螺钉骨界面新骨形成较早，炎性反应较轻，金属与骨结合更紧密，则示涂层３１７Ｌ接骨板累钉骨界面金属与骨仅为贴合关系，表明钛涂层３１７Ｌ接骨板螺钉骨界面及组织生物相容性优于３１７Ｌ接骨板螺钉。     

ANSYS疲劳分析在接骨板选型评估中的应用

目的 通过对比股骨远端接骨板中A型、B型锁定加压接骨板(locking compression plate, LCP)的疲劳强度,为测试其弯曲强度及疲劳性能时对接骨板选型提供理论评估方法。方法 通过对不同类型接骨板进行弯曲强度性能测试与疲劳性能测试,再结合ANSYS Workbench对接骨板总变形、von Mises应力及疲劳使用寿命进行有限元分析。结果 A型接骨板疲劳强度比B型接骨板高30.7%,A型接骨板应力比B型接骨板要低,A型接骨板最低疲劳使用寿命比B型接骨板要高17%。结论 A型接骨板的疲劳性能比B型接骨板良好,故A型接骨板的失效可能性比B型接骨板的可能性要低。研究结果为测试新研发的两种接骨板各种性能时对不同接骨板选型辅助提供参考。