新型可吸收螺钉与传统螺钉固定Lauge-Hansen 1型内踝骨折的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0793

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (19): 3027-3032.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0793

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

新型可吸收螺钉与传统螺钉固定Lauge-Hansen 1型内踝骨折的三维有限元分析

陈帆成，禹宝庆，施继飞，敖荣广，张旭，李得见，钱治

上海市浦东医院骨科，上海市 201399

出版日期:2018-07-08 发布日期:2018-07-08
通讯作者: 禹宝庆，博士，主任医师，上海市浦东医院骨科，上海市 201399 施继飞，主任医师，上海市浦东医院骨科，上海市 201399
作者简介:陈帆成，男，1991 年生，浙江省温州市人，汉族，复旦大学上海医学院在读硕士，主要从事骨创伤方面的研究。
基金资助:
上海市卫计委资助项目(201440062，ZK2015B17)

Three-dimensional finite element analysis on the novel absorbable screw and traditional screw for fixing Lange-Hansen type 1 medial malleolus fracture

Chen Fan-cheng, Yu Bao-qing, Shi Ji-fei, Ao Rong-guang, Zhang Xu, Li De-jian, Qian Zhi

Department of Orthopedics, Shanghai Pudong Hospital, Shanghai 201399, China

Online:2018-07-08 Published:2018-07-08
Contact: Yu Bao-qing, M.D., Chief physician, Department of Orthopedics, Shanghai Pudong Hospital, Shanghai 201399, China Shi Ji-fei, Chief physician, Department of Orthopedics, Shanghai Pudong Hospital, Shanghai 201399, China
About author:Chen Fan-cheng, Master candidate, Department of Orthopedics, Shanghai Pudong Hospital, Shanghai 201399, China
Supported by:
a grant from the Health and Family Planning Commission of Shanghai City, No. 201440062, ZK2015B17

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

可吸收螺钉：一类用聚L-乳酸等可被人体吸收降解的材料作为原料制备而成的骨科手术螺纹钉。骨折愈合前，此类螺钉在体内可起到支撑固定的作用。经过半年到1年的时间后，螺钉又可被机体完全吸收而避免二次手术。可吸收生物材料骨钉的弹性模量更接近人体骨骼的弹性模量，使得所置入的螺钉能更好地拟合骨折断端的活动，促进骨折的愈合。

生物可吸收材料：随着生物可吸收材料在临床上运用的逐渐广泛，其优势也愈加凸显，诸如无需二次手术取出，生物相容性强，组织反应少，置于体内时不影响MRI等受金属影响的操作。

摘要

背景：聚L-乳酸等一类材料作为新型生物材料用于骨科领域，具有组织相容性好，可被组织吸收，无需二次手术，不与周围组织发生反应，而且可吸收材料的弹性模量接近骨骼，更有利于骨折愈合。然而目前的文献中尚未对可吸收螺钉的生物力学方面做较为充足的阐述。

目的：利用现代计算机有限元分析技术探究新型可吸收螺钉用于固定Lauge-Hansen 1型内踝骨折固定的可行性。

方法：利用CT原始数据建立简单内踝骨折模型，利用新型可吸收螺钉、新型金属螺钉以及传统金属螺钉进行固定，并导入有限元分析软件计算分析应力集中以及位移。

结果与结论：①新型可吸收螺钉固定模型共有36 240个单元，7 660个节点，450 N压力下，螺钉最大应力为46.78 MPa，螺钉最大位移为0.239 mm，骨折远端最大位移0.248 mm；②新型金属螺钉固定模型共有36 240个单元，7 660个节点，450 N压力下，螺钉最大应力为 46.49 MPa，螺钉最大位移为0.223 mm，骨折远端最大位移 0.214 mm；③传统金属螺钉固定模型共有41 236个单元，8 121个节点，450 N压力下，螺钉最大应力为59.08 MPa，螺钉最大位移为 0.182 mm，骨折远端最大位移0.207 mm；④新型可吸收螺钉用于Lauge-Hansen 1型内踝骨折的固定中，应力总体分布均匀，发生断钉可能性小；⑤实验验证了可吸收螺钉用于简单内踝骨折的生物力学可行性。对于临床医生而言，选择新型可吸收螺钉固定治疗Lauge-Hansen 1型内踝骨折是一个行之有效的选择。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0001-8889-4544(陈帆成)

关键词: 有限元分析, 可吸收螺钉, 胫距关节, 应力, 位移, 骨科植入物, 数字化骨科

Abstract:

BACKGROUND: Poly L-lactic acid, as a novel biological material, has been used in the field of orthopedics with good histocompatibility. Poly L-lactic acid can be absorbed by tissue, without secondary surgery, and do not react with the surrounding tissue. The elastic modulus of the absorbable material is close to the bone, which is more beneficial to the healing of the fracture. However, biomechanical aspects of absorbable screws have not been adequately described in the present literature.

OBJECTIVE: To investigate the feasibility of novel absorbable screw fixation in repair of Lauge-Hansen type 1 medial malleolus fractures using three-dimensional finite element technology.

METHODS: A Lange-Hansen type 1 medial malleolus fracture models were established by using the CT scan data, and fixed by the novel absorbable screws, novel metal screws and traditional metal screw. Finite element analysis software was used to get the stress value and displacement.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) There were totally 36 240 units, 7 660 nodes in the novel absorbable screw fixation model under 450 N force; the maximum stress of screws was 46.78 MPa; the maximum displacement was 0.239 mm; the maximum displacement of the distal fracture was 0.248 mm. (2) There were totally 36 240 units, 7 660 nodes under 450 N force in the novel type metal screws fixation model; the maximum stress of screws was 46.49 MPa; the maximum displacement was 0.223 mm; the maximum displacement of the distal fracture was 0.214 mm. (3) There were totally 41 236 units, 8 121 nodes under 450 N force in the traditional metal screws fixation model; the maximum stress of screws was 59.08 MPa; the maximum displacement was 0.182 mm; the maximum displacement of the distal fracture was 0.207 mm. (4) The novel absorbable screws used in Lange-Hansen type 1 medial malleolus fracture obtained uniform total stress distribution, and small possibility of screw breakage. (5) The experiment verifies the biomechanical feasibility of absorbable screws for simple medial malleolus fracture. For Lange-Hansen type 1 medial malleolus fracture, novel absorbable screw is an alternative choice for clinical doctors.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Finite Element Analysis, Biomechanics, Ankle, Fractures, Bone, Stress, Mechanical, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

陈帆成，禹宝庆，施继飞，敖荣广，张旭，李得见，钱治. 新型可吸收螺钉与传统螺钉固定Lauge-Hansen 1型内踝骨折的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(19): 3027-3032.

Chen Fan-cheng, Yu Bao-qing, Shi Ji-fei, Ao Rong-guang, Zhang Xu, Li De-jian, Qian Zhi . Three-dimensional finite element analysis on the novel absorbable screw and traditional screw for fixing Lange-Hansen type 1 medial malleolus fracture [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(19): 3027-3032.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

医用可吸收材料主要是指聚L-乳酸等一类在体内植入一段时间可被组织吸收的生物材料^[1-2]。在20世纪80年代芬兰的Rokkanen教授首次报道将可吸收材料用于骨科内固定器械之后，这种新型材料以其可吸收性、避免二次手术的优势迅速得到了临床的应用^[3-4]。在一些报道中显示，可吸收螺钉的临床生物学效果与传统螺钉比较，在患者预后方面没有发现有较为明显的差别^[5]。可吸收螺钉往往在置入的48 h内自身发生膨胀，并可保持强度达6个月的时间，这样的生物学特性使得可吸收材料在临床上的内固定效果更为满意^[6-7]。此外，由于其具有良好的组织相容性，完全降解后的产物为水与二氧化碳，不会在体内残留^[8]，因此在临床上获得了广泛的运用^[3^，^9]。然而，目前的文献中尚未对可吸收螺钉的生物力学方面做较为充足的阐述。

有限元法作为一种计算机辅助力学分析方法，20世纪40年代由Courant提出后，在大型机械设计、工程分析、生物力学方面得到了广泛的运用^[10-12]。有限元法的基本原理是通过计算机用赋值后的有限个单元，用节点加以连接，之后施加力的载荷以及设置边界约束，模拟现实中目标物体的受力环境，预测实际受力的情况^[13]。在医学领域，有限元法也被广泛运用于骨骼，口腔以及心血管方面的受力分析^[11^，^14-16]。

文章将借助现代有限元方法，通过分析新型可吸收螺钉以及传统螺钉的受力情况，分析两者在固定Lauge-Hansen 1型内踝骨折中的生物力学情况^[17-18]，研究在生物力学方面两者的差别，为临床使用新型可吸收螺钉提供更好的生物力学依据。

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材料方法

1.1 设计 计算机模拟生物力学实验。

1.2 时间及地点 于2017年5月在上海市浦东医院骨科生物力学实验室完成。

1.3 对象 挑选1名23岁健康男性志愿者，身高172 cm，体质量76 kg，排除相关踝关节损伤、畸形、肿瘤等疾病。充分告知志愿者该实验的相关研究内容，并签署知情同意书。

1.4 方法

1.4.1 获取CT图像嘱志愿者仰卧位，采用64层螺旋CT以层厚1.25 mm扫描胫骨中下1/3段以及踝关节，获得CT图像资料。扫描参数：120 kV，240 mA，共获得扫描图像120张。

1.4.2 重建三位模型将CT图像数据以DICOM格式导入Mimics 15.0软件(比利时Materialise公司) ，设定灰度阈值为160-6 000 Hu，获取骨骼边界轮廓。之后利用区域增长以及手动图像编辑功能，对左下肢胫骨中下部分进行填充并获取。利用软件自带的三位重建功能，生成胫骨中下段网格模型，采用STL格式保存。利用CAD软件绘制出传统螺钉以及新型螺钉模型，同样以STL格式保存。

1.4.3 模型修饰与装搭将胫骨模型导入Geomagic Studio软件(美国Geomagic公司) 进行简单的松弛以及去除钉状物处理，除去不必要的细节特征，减少后续计算机的运算量。并导入螺钉的STL模型，对螺钉以及胫骨进行空间位置的正确摆放。同时骨折线的构建也在此阶段进行。

实验分组设置：将实验分为3组，分别为新型可吸收螺钉固定组、新型金属螺钉固定组以及传统金属螺钉固定组，分别以相同的方式对Lange-Hansen 1型内踝骨折模型进行固定，如图1所示。经此阶段处理完毕后，以STL格式分别导出各个模型。

1.4.4 网格优化将各个模型分别导入3-matic软件进行网格检查，以及重划分优化，避免后期运算中因网格质量问题出现的不收敛情况，以STL格式导出。

1.4.5 材料属性、参数赋值将优化后的STL网格模型分别导入Hypermesh软件(法国Altair公司)，利用Tetramesh功能将其划分为有限元体网格，并设置单元属性为solid185。

按不同材质赋予体网格材料参数^[19-21]，见表1。

1.4.6 边界、约束设置以及载荷加载将胫骨近端断面上的所有节点各方向上进行约束，模拟近端胫骨被坚固地固定。设置骨与骨之间以及骨与螺钉之间为摩擦系数0.3的滑动摩擦。设定450 N的力，其中300 N均匀施加在胫距关节面，另外150 N均匀施加于内踝关节面，如图2所示。

1.4.7 计算求解利用Hypermesh中的ANSYS(美国ANSYS公司) 接口功能，设置计算控制卡片，并以cdb格式保存并导入ANSYS中计算求解。

1.5 主要观察指标 ①不同螺钉固定时螺钉的应力分布、最大Von Mises应力、应力集中情况以及应力分布云图；②不同螺钉固定时骨折断端的最大位移情况，并进行比较。

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讨论

该篇文章主要讨论新型可吸收材料用于骨科临床的生物力学可行性研究。随着生物可吸收材料在临床上运用的逐渐广泛，其优势也愈加凸显，诸如无需二次手术取出，生物相容性强，组织反应少，置于体内时不影响MRI等受金属影响的操作^[1^，^22]。另外，可吸收生物材料骨钉的弹性模量更接近人体骨骼的弹性模量，使得所置入的螺钉能更好地拟合骨折断端的活动，促进骨折的愈合。学者们对于可吸收螺钉在临床的疗效做了大量的研究^[23]。宿玉玺等^[24]研究比较了可吸收螺钉治疗儿童肱骨外髁骨折的中期疗效。在挑选的儿童肱骨外髁骨折患儿临床资料中，其中56例作为实验组采用可吸收螺钉治疗，32例作为对照组采用传统克氏针治疗。结果发现可吸收螺钉治疗儿童肱骨外髁骨折远期疗效与克式针相比，在肘关节功能、骨折愈合、骨骺发育、骨质异常增生对比差异并无显著性意义。张斌等^[5]对可吸收螺钉替代金属螺钉治疗下胫腓联合损伤的可行性及疗效进行了研究。其中可吸收螺钉固定38例，金属螺钉固定31例，术后6个月采用Baird-Jackson评定标准评价踝关节功能。结果发现术后切口感染及皮肤坏死发生率、下地负重时间、愈合时间，比较差异无显著性意义。2组均无内固定失效及螺钉松动、断裂等并发症发生。术后6个月按Baird-Jackson评定标准评价踝关节功能，2组差异同样无显著性意义。结果显示，采用可吸收螺钉内固定能有效治疗下胫腓联合损伤，疗效与金属螺钉内固定相似，且无需二次手术取出。当然临床也出现部分使用可吸收螺钉出现并发症的病例。Barber等^[25]分析比较了可吸收螺钉固定并发症的发生率、原因和预防措施。整理研究了13篇共计668例患者的关于可吸收生物材料的研究，结果发现可吸收螺钉固定并发症与可吸收材料成分、适应证选择不当、未按手术规范操作和术后活动过早过多等多种因素有关。即使如此，可吸收材料用于临床依然存在不可避免的问题^[26-27]，诸如无法在平片中显影，使得术后与患者沟通时存在困难，在这方面，作者所在课题组采用在可吸收螺钉中添加一定比例特殊可吸收显影物质，可在患者术后复诊时通过观测显影物质的剩余量来判断骨钉的吸收情况，从而进一步用于解决临床医患沟通方面的问题。

踝关节骨折属于临床上较为常见的骨折之一，属于关节内骨折^[28-29]。距骨有与胫骨内踝部分相接的内侧面关节，以及和外踝接触的外侧面关节^[30]。脚踝骨折是最常见的肌肉骨骼损伤，损伤导致骨折断端发生严重位移^[28^，^31-32]。尽管不发生位移的内侧踝骨折适合保守治疗，但在绝大多数情况下，骨折需要通过手术加以复位治疗以达到解剖复位^[12^，^33-34]。Lauge-Hansen 1型内踝骨折是一类简单的踝关节骨折^[35]，在此次研究中建立Lauge-Hansen 1型内踝骨折模型，通过不同的螺钉固定来比较螺钉之间的优劣。

新型螺钉在设计上加宽了整体螺纹的宽度以提升螺钉与骨面的接触面积，增加螺钉的抗拔出能力，同时也分担了所受应力，降低螺钉承受的最大点应力，减少临床固定中发生断钉的风险。另外螺钉的从结果中可以看出，螺钉所受应力最大处均集中在螺钉位于骨折交汇的位置，呈现两边向中央增加的趋势。这与其他研究中螺钉力学分布研究所发现的特点接近，可能是由于螺钉的抗拔出效应以及外两个骨块提供支撑^[19^，^36]。而且3个固定组中，由金属材质的新型设计螺钉，所受的最大应力为46.49 MPa，在3组中最小；可吸收材质的新型设计螺钉，最大应力为 46.78 MPa；金属材质的传统外形螺钉受到59.08 MPa，3组中最大。其中原因可能是新型设计螺钉加宽了螺纹与骨面的接触面积，分摊更多的压力，降低了最大应力，将应力更加均衡地分散在螺钉上，降低了发生断钉的风险。目前临床上最常用的可吸收螺钉为Biofix(自身增强聚乳酸SRPLLA)，该螺钉抗弯强220-400 MPa，抗剪切强度为180-250 MPa^[37]，该实验中的螺钉所受应力小于螺钉的最大可能承受应力，因此发生断钉的可能性较小。

螺钉的最大位移均出现在螺钉的尾部，并且从尾端到头端依次递减，这与很多研究的发现相类似^[38-39]。新型可吸收螺钉固定组、新型金属螺钉固定组及传统金属螺钉固定组3组的螺钉最大位移分别是0.239 mm，0.223 mm以及0.182 mm，其中传统金属螺钉固定组的最大位移在3组中最小，说明金属材质弹性模量大，不易发生形变的特性，然而这个弹性模量与人体骨骼的弹性模量差距过大也不利于骨折的愈合。另一方面，根据Haller等^[40]学者的研究， 2 mm这一骨折断端间距是作为关节内骨折能否愈合的评估标准之一，过大的骨折复位间距可能引起骨折的延迟愈合，畸形愈合，甚至不愈合。因此在该研究中，3个模型均能较好地达到2 mm骨折复位的标准，表明3种螺钉均可以胜任固定内踝骨折的治疗。然而采用新型可吸收材料的螺钉具有比金属螺钉更小的弹性模量，最终的位移也会稍大一些，提示在临床上，采用新型可吸收材料固定的螺钉患者，需要保持早期的保养，减少负重，降低骨折失败率的可能。

当然此次研究也存在着不足之处，实验仅仅通过非线性的静力分析模拟了Lauge-Hansen 1型内踝骨折某一个时刻的受力，并不能很好地反映踝关节在现实生活中一个动态的变化，这可能引起骨折位移预测值距离实际值偏小的情况发生。另外，内踝骨折通过可吸收螺钉固定之后的3-6个月，会发生机械强度的下降，这一点研究也没有较好地反映出来。同时，骨骼所采用的参数赋值均默认均一，这可能与实际骨骼存在一些偏差。

结论：综上所述，新型可吸收螺钉用于Lauge-Hansen 1型内踝骨折的固定中，应力总体分布均匀，发生断钉可能性小。同时，研究验证了可吸收螺钉用于Lauge-Hansen 1型内踝骨折的生物力学可行性。对于Lauge-Hansen 1型内踝骨折，新型可吸收螺钉固定将成为临床内固定选择之一。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

新型可吸收螺钉与传统螺钉固定Lauge-Hansen 1型内踝骨折的三维有限元分析

Three-dimensional finite element analysis on the novel absorbable screw and traditional screw for fixing Lange-Hansen type 1 medial malleolus fracture

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[2]	陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折：最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1404-1409.
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