有限元方法比较不同直径外固定系统自攻螺钉材料的抗旋转生物力学性能研究

摘要

目的 通过三维有限元方法比较不同直径外固定系统自攻螺钉材料的抗旋转生物力学性能.方法 通过有限元分析实验,建立三维有限元模型,比较临床常用的不同直径不同金属材料(钛合金、不锈钢、铁、铝合金、铜合金及镁合金)的自攻螺钉钻入骨皮质时螺钉和胫骨的抗旋转应力大小及变形大小.结果 当施加扭矩载荷(2N·m),等效云图结果显示顺时针力矩载荷施加时应力载荷最集中,总体形变最大的部位均位于螺钉的钉尾.各种金属的应力载荷无明显差别,而总变形量差别较大,镁合金、铝合金的变形量大于铜合金、钛合金、不锈钢和铁.螺钉的应力载荷最大处和螺钉的直径从3mm增加到3.5 mm时,应力峰值差异最大的金属材料是不锈钢和铁(46.2％),其次为铜合金(45.9％)和钛合金(45.8％),而变形最显著的是铝合金(63.3％)和镁合金(61.7％);而螺钉的直径从3.5mm增加到4mm,螺钉应力峰值下降率相似.当施加相同的扭矩载荷(2N·m)时,不同的金属材料表现出相似的特性,随着螺钉直径的增加,应力峰值下降,而总变形量也出现下降的趋势.结论 铜合金的生物力学性能与钛合金相似,而镁合金和铝合金由于相对质软,但质轻,是否适宜成为外固定材料需要细胞毒性,生物相容性等实验进一步检验.