带锁髓内钉中棒槌形高螺纹锁钉与通用锁钉抗弯强度及应力分布的比较

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.23.016

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (23): 3700-3705.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.23.016

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带锁髓内钉中棒槌形高螺纹锁钉与通用锁钉抗弯强度及应力分布的比较

夏关平¹，王永清^1，2，董黎敏¹，刘磊¹，董衍生¹，王业林²

¹天津理工大学，天津市 300384；²天津市第四中心医院骨科，天津市 300140

出版日期:2017-08-18 发布日期:2017-09-01
通讯作者: 王永清，教授，主任医师，硕士生导师，博士生导师，天津市第四中心医院骨科，天津市 300140
作者简介:夏关平，男，1989年生，湖南省衡阳市人，天津理工大学在读硕士，主要从事机械强度分析与现代设计理论方面的研究。
基金资助:
天津市卫生局科研项目(09ky08)

Bending strength and stress distribution of the interlocking intramedullary nails with high-thread wooden club-shaped nails versus traditional nails

Xia Guan-ping¹, Wang Yong-qing^{1, 2}, Dong Li-min¹, Liu Lei¹, Dong Yan-sheng¹, Wang Ye-lin²

¹Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China; ²Department of Orthopedics, The Fourth Central Hospital of Tianjin, Tianjin 300140, China

Online:2017-08-18 Published:2017-09-01
Contact: Wang Yong-qing, chief physician, Master’s supervisor, Doctoral supervison, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China; Department of Orthopedics, The Fourth Central Hospital of Tianjin, Tianjin 300140, China
About author:Xia Guan-ping, Studying for master’s degree, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China
Supported by:
the Research Project of Tianjin Health Bureau, No. 09ky08

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

静力型固定：指髓内钉在固定骨折过程中，在手术后骨折愈合早期能提供相对静止-稳定的愈合环境，这种愈合环境能促进骨折愈合，不过在愈合后期如果还是跟早期一样的状态，由于骨折愈合需要力的刺激，一般常见的锁钉由于应力遮挡效应是骨折端受的应力少，基本上集中在锁钉中间，这样骨折端由于缺少力的刺激不利于愈合，在取出内固定后就会出现不愈合的情况出现，这种锁钉和骨折一直处于相对静止的状态称为静力型固定。

动力型固定：指髓内钉在固定骨折过程中，在手术后骨折愈合早期能提供相对静止-稳定的愈合环境，这种愈合环境能促进骨折愈合，在愈合后期，由于棒槌形高螺纹锁钉的特殊结构——棒槌形高螺纹，设计的高螺纹使它能够减少应力遮挡效应，促进骨组织愈合，而棒槌形结构能减少应力集中，这样锁钉与骨组织有个相对运动的状态，所以把这种内固定称为动力型固定。

摘要

背景：目前带锁髓内钉成为治疗四肢骨折的主要方法之一，但是常见的带锁髓内钉多为静力型带锁髓内钉，会出现断钉、退钉等现象，这些都跟带锁髓内钉中的锁钉强度有关，因而课题组设计了一种新型棒槌形高螺纹锁钉，并研究其力学特性。

目的：测量棒槌形高螺纹锁钉的抗弯曲强度，分析其应力分布状况，对其生物力学性能进行测评，为其临床应用提供理论依据。

方法：通过三点弯曲力学实验测量棒槌形高螺纹锁钉与通用锁钉的抗弯曲强度，运用有限元法模拟胫骨中段横行骨折，分析2种不同锁钉在胫骨骨折中的受力及应力分布情况。

结果与结论： ①三点弯曲实验中，棒槌形高螺纹锁钉在跨距20 mm和30 mm时的平均最大载荷分别为3.52 kN和1.81 kN，均比通用锁钉承受的载荷大；②有限元分析中，棒槌形高螺纹锁钉的平均最大位移与平均最大应力值均比通用锁钉小，且应力相对较分散；③使用棒槌形高螺纹锁钉的带锁髓内钉模型的平均最大应力值和最大轴向位移分别为131 MPa和3.27 mm，而使用通用锁钉的带锁髓内钉模型分别为162 MPa和4.07 mm；棒槌形高螺纹锁钉的平均最大应力值和最大轴向位移分别为26.5 MPa和0.323 mm，通用锁钉分别为34.3 MPa和0.407 mm；④结果表明，棒槌形高螺纹锁钉的抗弯曲强度较高，能够使应力相对分散，提高其抗疲劳强度，锁钉不易发生疲劳断裂。

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: 0000-0001-9445-1766(夏关平)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 带锁髓内钉, 锁钉, 有限元分析, 力学

Abstract:

BACKGROUND: Interlocking intramedullary nailing is a main method for bone fractures, but traditional static intramedullary nails usually lead to nail breakage and loosening. Thereafter, we design a novel high-thread wooden club-shaped screw (HTWCSS) and explore its mechanical properties.

OBJECTIVE: To measure the bend strengths of HTWCSS, analyze its stress distribution, and to evaluate its biomechanical properties, thereby providing theoretical basis for its clinical application.

METHODS: The bend strength of HTWCSS and traditional nails were measured via three-point bending experiments. Transverse fractures of the middle tibia were simulated using finite element method, and then the force and stress distribution of the two different nails were analyzed.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The average maximum load of HTWCSS was 3.52 kN and 1.81 kN at span of 20 mm and 30 mm, respectively, which were larger than those of the traditional nails. (2) The average maximum displacement and the stress of HTWCSS were smaller than those of the traditional screws in finite element analysis, and the stress distribution was relatively dispersed. (3) The average maximum axial displacement and stress HTWCSS, traditional interlocking screws, wooden club-shaped screws and traditional screws were 131 MPa and 3.27 mm, 162 MPa and 4.07 mm, 26.5 MPa and 0.323 mm, and 34.3 MPa and 0.407 mm, respectively. (4) These results suggest that HTWCSS has relative high bend strength, and it is able to disperse stress and improve fatigue strength bend strength, further reduce screw broken.

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: Bone Nails, Finite Element Analysis, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

夏关平，王永清，董黎敏，刘磊，董衍生，王业林. 带锁髓内钉中棒槌形高螺纹锁钉与通用锁钉抗弯强度及应力分布的比较[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(23): 3700-3705.

Xia Guan-ping, Wang Yong-qing, Dong Li-min, Liu Lei, Dong Yan-sheng, Wang Ye-lin. Bending strength and stress distribution of the interlocking intramedullary nails with high-thread wooden club-shaped nails versus traditional nails[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(23): 3700-3705.

图/表（结果） 1

2.1 三点弯曲实验结果 从实验结果可知，HTWCSS在跨度为20 mm和30 mm时能承受的平均最大载荷分别为3.52 kN和1.81 kN，均比通用锁钉承受的载荷要大，由于锁钉在骨折固定中的受力情况与工程问题上的简支梁相似，都是两端支撑中间受力的结构。由材料力学知识可知弯曲正应力是影响弯曲强度的主要因素。根据弯曲应力的计算公式如下：

σ=My/I_z，或者σ=My/I_z=Fdy/I_z，

在一般情况下，梁的最大正应力发生在弯矩最大的截面上，且距中性轴最远之处，其值为σ_max=M_maxy_max/I_z，式中σ为横截面上任意一点处的应力，F为水平截面上承受的法向力，在这里为承受的载荷，I_z为截面惯性矩I_z=πd³/64，y为该点到中性轴的距离，在这里中性轴为螺钉的中轴线，由此可知应力法向压力成正比，由公式可知在其他条件一样的情况下，力越大，应力就越大。因而在同一挠度变形下前者HTWCSS比通用螺钉具有更高的抗弯曲强度。当HTWCSS的挠度到达一定程度时螺纹的丝底会发生裂缝，而通用锁钉相对能够发生较大的挠度变形而不发生破坏。实验中2种长度的两种锁钉载荷-位移平均值曲线见图3。

2.2 有限元分析结果 从有限元分析得出的数据可知，两种模型在轴向载荷分别为250，500，1 000和1 500 N时，胫骨平台与锁钉的轴向最大位移值和最大应力值均依次变大。而使用HTWCSS的胫骨骨折模型比使用通用锁钉的轴向最大位移和最大应力值要小。而两种模型中，HTWCSS的最大位移和最大应力值也比通用锁钉的小，且其应力分布呈现的比后者也相对分散。其具体轴向最大位移结果见图4A，具体最大应力值见图4B。

本实验中髓内钉与锁钉应力集中在远端第一锁钉处，HTWCSS与通用螺钉的有很大的区别，其具体平均最大位移见图4A，平均最大应力值见图4B。其中HTWCSS平均最大应力值为26.5 MPa，轴向平均最大位移为0.323 mm；通用锁钉平均最大应力值为34.3 MPa，轴向平均最大位移为0.407 mm。而使用HTWCSS的带锁髓内钉模型平均最大应力值为131 MPa，轴向平均最大位移为3.27 mm，使用通用锁钉的带锁髓内钉模型平均最大应力值为162 MPa，轴向平均最大位移为4.07 mm；以上结果表明在负载作用下HTWCSS比通用锁钉应力不易集中，抗疲劳性强，抗弯曲强度更高，对带锁髓内钉固定稳定性更可靠。

髓内钉及锁钉的应力分布情况见图5，6。

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引言

材料方法

1.1 设计 三点弯曲实验，有限元分析。

1.2 时间及地点 于2014年11月在天津金兴达公司完成。

1.3 材料 带锁髓内钉的HTWCSS及通用锁钉材质均为Ti-6Al-4V，实验材料提供、加工制作和实验均在天津金兴达实业公司完成。

1.4 方法

1.4.1 三点弯曲力学实验以国人胫骨髓腔参数测量结果为依据，将2种锁钉长度按40 mm、50 mm分为2组，跨距分别为20，30 mm进行实验，每组均为5根实验试件。其中HTWCSS螺纹外径为(4.8±0.02) mm，丝底直径中间为(4.0±0.03) mm，两端为3.0±0.02 mm；通用锁钉为螺纹外径为(4.8±0.02) mm，丝底直径为(4.0±0.03) mm。为避免其他因素对实验结果造成影响，对实验试件进行简化处理，去除锁钉尾部(见图1A)。将锁钉安放到力学实验机上进行三点弯曲加载(见图1B)，加载速度为1 mm/min，进行连续加载，测量锁钉的抗弯曲强度。

1.4.2 轴向压缩的有限元分析经CT扫描获取胫骨的二维断层扫描图像，通过医学三维重建软件Mimics构建胫骨的三维形态，并经逆向工程软件Geomagic Studio处理最终得到胫骨三维实体模型。根据2种不同锁钉及胫骨髓内钉的设计参数，使用工业设计软件Pro/E分别建立2种锁钉与髓内钉的实体模型(由于分析中不考虑螺纹受力的影响，因而将锁钉模型上不带有螺纹)，并分别与三维胫骨模型装配。将已装配好的2组模型分别导入有限元分析软件ANSYS中进行模型切割，得到胫骨中段横行骨折的模型，见图2。

在ANSYS中，使用二次四面体进行单元网格划分，在不影响有限元分析的情况下，网格划分遵循精细与经济兼顾的原则。定义髓内钉与皮质骨, 远端锁钉及近端锁钉与皮质骨之间为绑定连接，其余接触面设置为无摩擦硬接触。调整胫骨骨折模型到人正常站立位时的解剖位置，将胫骨远端三维有限元模型下缘全部节点的自由度约束为零作为边界条件。在胫骨平台上建立刚性区域，通过刚性区域的质量点施加轴向压缩载荷。其中分别对2种模型加载250，500，1 000和1 500 N 4种轴向载荷力，模拟60 kg的正常人在双足站立、单足站立、慢走、快走时胫骨平台的受力情况^[16]。经有限元分析不同载荷作用下，得到胫骨骨折模型中2种锁钉的受力情况和应力分布。

1.5 主要观察指标 在实验加载完成后观察锁钉的断裂情况，同时在电脑上观察它们载荷与位移的变化关系，并保存载荷随着位移的曲线数据。

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

讨论

3.1 HTWCSS设计及其生物力学研究的意义 20世纪70 年代以后，带锁髓内钉种类不断增加，但有一共同点即带锁能力，使用方法上可分为静力型及动力型两种。带锁髓内钉国内译名不一，如带锁、交锁、内锁锁式、加锁等。李强等^[3-5]认为交锁髓内钉固定，具有中心型固定、防旋转、防缩短、骨折愈合快等优点，但仍存在感染、延迟愈合、畸形愈合、甚至不愈合等严重并发症。有研究指出通用交锁髓内钉应力遮挡效率较高，临床应用时需及时对其动力化。有学者认为，带锁髓内钉采用闭合复位，闭合穿钉技术，具有手术创伤小、固定牢固骨折愈合率高、感染率低等优点，可行早期功能锻炼和负重。但是不足之处及并发症越来越引起人们的重视，常见的有操作复杂，手术时间长，创伤相对较大，延迟愈合和不愈合，断钉等，其公认的主要原因为静力性固定-应力集中-断钉，静力性固定-应力遮挡-延迟愈合和不愈合。

由于静力型带锁髓内钉固定在骨折愈合前存在高应力遮挡和应力集中，容易引起内固定发生锁钉疲劳断裂、退钉等力学失效，并诱发一系列的临床并发症。静力型带锁髓内钉由主钉，远、近端锁钉3部分组成，而锁钉是用来传递骨与髓内钉之间的工作载荷的。然而，锁钉孔和锁钉螺纹上存在应力集中，这是由它们的几何特征决定的^[17]。大量研究表明，高的应力集中在远端锁钉孔和锁钉螺纹上，使它们容易发生塑性屈服和疲劳失效^[18-20]。这样的力学失效将会导致延缓骨折愈合，需要再次手术进行修复。因此，对医学工程研究者和整形外科医生来说，提高远端锁钉孔和锁钉的机械强度是一个至关重要的问题。而这正是设计HTWCSS的出发点和立足点。

而本次研究将传统的力学测试与有限元分析法相结合，分别从体外力学测试和体内环境模拟等多个角度测试HTWCSS的力学性能，并与通用锁钉进行对比，能够真实、客观地反应其力学性能的好坏。对于许多医疗器械来说，其力学性能的优劣往往决定了其临床应用价值的大小，因此对其力学性能的评价有着重要意义。

3.2 WCSS的力学优势 1985年有学者首次应用PLA/PGA共聚物制成可吸收固定钉治疗骨折，随后可吸收螺钉开始应用于骨折治疗，但其强度不足等问题阻碍了其发展。目前，国内外临床上应用的带锁髓内钉主要是静力型带锁髓内钉，其存在的最大缺陷是高的应力遮挡效应和断钉风险。而据相关文献报道，锁钉断裂的主要原因是锁钉弯曲强度不够且应力在锁钉与髓内钉连接处集中易导致锁钉发生疲劳破坏，使固定失效。需要二次手术取出锁钉给患者带来的病痛和经济负担以及骨愈合延迟或不愈合。髓内钉在体内的失效多是由疲劳破坏引起的，而应力集中是它的罪魁祸首。据相关文献报道，Hgel等^[4]研究指出锁钉失效率高达6.3%。且大多发生在静力型带锁髓内钉固定中，一般在术后6-12周易发生锁钉断裂^[6]。

带锁髓内钉是通过远、近端横行锁钉达到防旋固定目的，当肢体运动产生交变载荷作用于髓内钉而产生交变应力时，横行锁钉部位存在明显的应力集中，故锁钉容易断裂。而HTWCSS具有很好的弹性变形能力，当肢体运动时，锁钉能够承受较大的弹性形变，使骨折断端发生接触加压，可以吸收了大部分工作负荷；同时，髓内钉与骨干之间也会有轻微的相对滑动，使摩擦消耗了部分作用力，从而减少了锁钉以及髓内钉的受力，降低了应力集中和应力遮挡。此外，HTWCSS本身独特的外形结构，也具有使应力相对分散的作用。从而可以最大程度地降低锁钉上的应力集中和应力遮挡，使疲劳破坏减少，因此HTWCSS更不容易发生疲劳断裂。

在临床应用上，通常带锁髓内钉的锁钉孔的直径要比较锁钉大0.5-1.0 mm^[17]，当时髓内钉长时间负重时会使锁钉孔与锁钉之间产生轻微的摩擦，从而导致锁钉孔与锁钉都会磨损，影响锁钉的强度，长此以往容易使锁钉发生疲劳破坏，同时也可能会引起锁钉退出的危险，造成锁定失效。同时，髓内钉在髓腔内活动度加大，使髓腔对髓内钉的束缚作用降低，易形成远端骨折端以锁钉为轴形成前后成角畸使髓腔对髓内钉的束缚作用降低，易形成远端骨折端以锁钉为轴形成前后成角畸形。而HTWCSS与锁钉孔之间采用适度的过盈配合可以很好的克服这一困难，提高了带锁髓内钉固定的稳定性，为骨折固定提供强有力的保证。

高螺纹锁钉把持骨质的力量较通用锁钉要强。在骨折愈合后期，高螺纹锁钉特定的螺纹、螺距远侧会出现骨质吸收现象，使骨折断端存在压应力。而Wolff定律指出，骨折愈合对力的刺激很敏感，而这种压应力刺激能够促使骨膜骨痂生长，促进骨折愈合，同时又解除了髓内钉对骨折处的应力遮挡。因而使用高螺纹锁钉不用中期去除远端锁钉，可以实现从静力型向动力化自动转变，促进骨折愈合，免除二次手术带来的负面影响。

3.3 实验结果讨论 研究表明，锁钉断裂的主要原因是强度不够；另一方面，髓内钉负重时应力集中在髓内钉与交锁钉的连接，Bhat等^[10]研究指出髓内钉或锁钉易发生疲劳断裂，使内固定失效。临床上，带锁髓内钉的锁钉断裂频发的一个重要原因是锁钉的强度不足，增大锁钉的直径可以提高其强度，然而锁钉孔径也随之加大，这样势必会削弱髓内钉的强度，同时会使带锁髓内钉固定存在安全隐患。由三点弯曲力学实验可知，HTWCSS在一定挠度变形范围内其比通用锁钉具有更高的抗弯曲强度。但受车削加工影响且实验用器械加工精度不高，锁钉丝底会有细微的车痕从而降低了锁钉强度。在有效挠度变形内，HTWCSS承受的最大载荷远远大于人体正常活动时胫骨骨折固定中锁钉所承受的负荷(胫骨平台正常活动时承受的最大载荷为 1 500 N)，因而能够提供对骨折固定的要求。该实验证明了HTWCSS可以保证在直径大小不变的情况下，提高了锁钉的强度，使带锁髓内钉固定更加稳定可靠。

髓内钉及锁钉的应力分布是衡量内固定物优劣的一个重要标准，理想的内固定物应该是均匀的分布在髓内钉及锁钉上，而不是过度集中在髓内钉或锁钉的某一部位。通常情况下内固定发生疲劳断裂的应力水平大约在500-600 MPa^[21]。在轴向载荷下，带锁髓内钉模型的最大应力值为298 MPa，没有超出此范围，髓内钉及锁钉都不会发生疲劳断裂。

本实验建立了带锁髓内钉及胫骨骨折有限元模型，并模拟胫骨平台不同情况下的受力，分析HTWCSS和通用锁钉的抗弯曲强度及应力分布。以往有大量实验使用有限元法分析髓内钉的稳定性。本实验中有限元模型与实体解剖形态相似性很高，有限元方法结果与实验力学结果吻合，显示有限元法是研究髓内钉力学性能的有效方法。本实验的计算结果中，髓内钉及锁钉应力集中情况与Shih等^[22]实验结果吻合，髓内钉抗弯强度与Horn等^[23]实验结果相吻合，验证了本实验模型的有效性与可靠性。本实验结果表明，在负载作用下HTWCSS与通用锁钉相比，应力不易集中，抗疲劳性强，抗弯曲强度更高，对带锁髓内钉固定稳定性更可靠。

3.4 实验不足之处 三点弯曲力学实验仅测试了锁钉所承受的载荷与位移之间的关系，未测试其他方面的力学性能，且实验用的加工精度不高，对实验结果造成了负面影响。有限元分析中对胫骨受力简化处理，仅分析了垂直轴向压缩载荷下胫骨中带锁髓内钉模型和锁钉的轴向最大位移及应力分布，尚未分析其他载荷时的情况。而骨折固定后的实际受力情况会受到肌肉及韧带等软组织的影响，往往是多种载荷的叠加。此外分析中假设骨折横断面不传导力，可能与实际情况不符，但这样可消除不同横断面传导变异载荷的影响。由有限元分析的结果与其他实验结果对比可知，尽管存在上述不足，分析结果依然有效。

3.5 结论 HTWCSS在骨折愈合早期能够达到内固定要求，具有较高的抗弯曲强度，能够使应力相对分散，提高锁钉的抗疲劳强度，且与髓内钉紧密配合，使锁钉不容易断裂或退钉；骨折愈合后期，HTWCSS特定的螺纹、螺距远侧会出现骨质吸收现象，解除髓内钉对骨折处的应力遮挡，使其在临床应用上不用中期去除锁钉，从理论分析的预测临床上基本上由静力性固定向动力化固定的转变，促进骨愈合, 免除二次手术。该高螺纹锁钉用于促进组织工程骨的愈合具有科学性和可行性。

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

带锁髓内钉中棒槌形高螺纹锁钉与通用锁钉抗弯强度及应力分布的比较

Bending strength and stress distribution of the interlocking intramedullary nails with high-thread wooden club-shaped nails versus traditional nails

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