常用脛骨骨折外固定架的力學(xué)性能測(cè)試

安智成 李明志 陳世斌 高永昌

摘要：為了對(duì)外固定架的選用提供理論依據(jù)，該研究將llizarov外固定架、傳統(tǒng)Taylor外固定架、改進(jìn)Taylor外固定架進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)比分析了它們的抗拉壓和抗扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在抗拉壓性能方面，llizarov外固定架顯著優(yōu)于兩種Taylor外固定架，而在抗扭轉(zhuǎn)能力方面，llizarov外固定架明顯低于另外兩種。研究表明，3種外固定架力學(xué)性能各具自身優(yōu)勢(shì)，在臨床中可依據(jù)實(shí)際需要合理選用外固定架。

關(guān)鍵詞：外固定架脛骨骨折力學(xué)測(cè)試剛度值

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.7;R683文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract： In order to provide theoretical basis for the selection of external fixators， the mechanical properties of Llizarov external fixator， traditional Taylor external fixator and improved Taylor external fixator were tested in this study， and their tensile， compression and torsion resistance mechanical properties were compared and analyzed.The experimental results show that llizarov external fixators are significantly superior to the other two Taylor external fixators in tensile and compression performance， while llizarov external fixators are significantly inferior to the other two Taylor external fixators in torsion resistance.The results show that the mechanical properties of the three external fixators have their own advantages， and the external fixators can be rationally selected according to the actual needs in clinical practice.

KeyWords：Tibial fractures;External fixator;Mechanical testing;Stiffness

1引言

因碰撞、摔傷等引發(fā)的患者脛骨骨折是骨科最常見(jiàn)的骨科疾病之一，如果處理不當(dāng)將會(huì)造成關(guān)節(jié)復(fù)位不良和截肢等嚴(yán)重后果[1]。依據(jù)患者骨折癥狀的不同，臨床可采用髓內(nèi)釘固定和固定架外固定等不同方式進(jìn)行復(fù)位固定。復(fù)位和固定是治療骨折的關(guān)鍵，良好的治療手段應(yīng)該最大限度地保留骨折部位周?chē)难瑸楣趋烙咸峁┝己玫纳飳W(xué)環(huán)境，保證骨折部位力學(xué)環(huán)境，在愈合的中后期提供適宜的應(yīng)力刺激。外固定架因復(fù)位效果好及對(duì)患者損傷小的優(yōu)點(diǎn)在伴有軟組織損傷和感染的開(kāi)放性骨折脛骨骨折中應(yīng)用最廣[2]。

與髓內(nèi)釘、接骨板等內(nèi)固定方式相比，外固定架技術(shù)可以減少骨骼的局部創(chuàng)傷和骨膜血運(yùn)的破壞，減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)，具有生物學(xué)優(yōu)勢(shì)[3]。目前，常用的脛骨骨折外固定架有l(wèi)lizarov外固定架和Taylor外固定架兩種[4]。國(guó)內(nèi)外對(duì)脛骨骨折外固定架的臨床應(yīng)用報(bào)道較多，且多通過(guò)骨骼替代物和固定架一體的結(jié)構(gòu)研究穿針角度、固定架構(gòu)型，環(huán)直徑和環(huán)間距等單因素變化對(duì)整體系統(tǒng)剛度的影響[5-7]。良好的生物力學(xué)環(huán)境和適度的生物刺激對(duì)骨骼的愈合具有積極意義，因此，研究人員對(duì)環(huán)直徑和環(huán)間距相同的3種外固定架進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試對(duì)比，為臨床應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

2材料和方法

2.1 測(cè)試對(duì)象及外固定架的安裝

力學(xué)測(cè)試對(duì)象為Ilizarov外固定架、傳統(tǒng)Taylor外固定架和改進(jìn)Taylor外固定架，3種外固定架由固定環(huán)、連接桿及連接螺母組成（其中傳統(tǒng)Taylor外固定架組件如圖1（a）所示）。3種外固定架的固定環(huán)均選用直徑130mm厚度7mm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán) （Smith and Nephew）。llizarov外固定架的固定環(huán)用4根直徑為6mm螺紋桿連接。傳統(tǒng)的Taylor外固定架（鉸接部位可自由轉(zhuǎn)動(dòng)）外固定架由外徑13mm內(nèi)徑6mm的螺紋桿套和直徑6mm的螺紋桿配合連接上下兩固定環(huán)，連接后螺紋桿套和螺紋桿可軸向旋轉(zhuǎn)。改進(jìn)的Taylor外固定架（鉸接部位定向轉(zhuǎn)動(dòng)）也通過(guò)螺紋桿套和螺紋桿配合連接，但由于零件端部為定向球鉸，故只能在一定范圍內(nèi)定向轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)整3種外固定架使兩固定環(huán)保持平行且間隔距離為170mm，擰緊各螺母，組裝好llizarov外固定架和Taylor外固定架。用螺栓螺母將特定夾具和兩固定環(huán)連接起來(lái)固定在多功能材料試驗(yàn)機(jī)上。

2.2 測(cè)試方法

測(cè)試所用設(shè)備為UTM5205X-Z拉扭多功能材料試驗(yàn)機(jī)（試驗(yàn)機(jī)如圖1（b）所示）），該試驗(yàn)的最大測(cè)試力200 kN，分辨率0.4N，數(shù)據(jù)采樣頻率1000Hz。將3種外固定架分別垂直裝夾在實(shí)驗(yàn)機(jī)上，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)固定架施加50 N的預(yù)載荷并完全卸載3次，調(diào)零后以1 mm/min的速度施加軸向力并設(shè)定載荷范圍- 600 N～100N（以軸向拉力方向?yàn)檎＿M(jìn)行扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)固定架施加3 N·m的預(yù)載荷并完全卸載3次，調(diào)零后以1°/min的速度施加扭矩并設(shè)定載荷范圍-5 N·m～5 N·m（以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正）。通過(guò)專(zhuān)用軟件記錄壓縮和扭轉(zhuǎn)載荷下兩固定架的形變量。

3結(jié)果及討論

每種固定架的3次壓縮和扭轉(zhuǎn)中載荷-位移曲線(xiàn)幾乎重合，表明實(shí)驗(yàn)具有良好的重復(fù)性。計(jì)算各外固定架的拉壓剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，并進(jìn)行單因素方差分析檢驗(yàn)（F檢驗(yàn)，P﹤0.01）。取3組測(cè)試數(shù)據(jù)均值繪圖，軸向壓縮和扭轉(zhuǎn)載荷下各外固定架的形變情況如圖3和圖4所示。

在抗壓縮剛度方面，3種外固定架的載荷-位移曲線(xiàn)都呈現(xiàn)出明顯的線(xiàn)性特性，如圖5所示。llizarov外固定架的抗壓剛度約為1715N/mm， 而傳統(tǒng)Taylor外固定架和改進(jìn)Taylor外固定架的抗壓剛度分別約為586N/mm和495N/mm，表明Ilizarov外固定架的抗壓縮能力明顯優(yōu)于兩種Taylor外固定架（高2倍以上）。而傳統(tǒng)Taylor外固定架的抗壓縮剛度比改進(jìn)Taylor外固定架的抗壓縮剛度約高18%。

在抗扭轉(zhuǎn)剛度方面，3種外固定架的載荷-位移曲線(xiàn)也都呈現(xiàn)出明顯的線(xiàn)性特性，如圖5所示。Ilizarov外固定架的抗扭轉(zhuǎn)剛度約為347N·m/rad，而Taylor外固定架和改進(jìn)Taylor外固定架的抗扭轉(zhuǎn)剛度分別約為1371N·m/rad和1566N·m/rad，兩種Taylor外固定架的抗扭轉(zhuǎn)能力明顯優(yōu)于Ilizarov外固定架。而改進(jìn)的Taylor外固定架的抗扭轉(zhuǎn)剛度比傳統(tǒng)Taylor外固定架的抗扭轉(zhuǎn)剛度約高14%。

4結(jié)語(yǔ)

使用外固定架治療脛骨骨折的目標(biāo)是對(duì)骨折處復(fù)位和固定并提供良好的生物力學(xué)環(huán)境，以防止骨折延遲愈合或骨不連。該研究對(duì)llizarov外固定架、傳統(tǒng)Taylor外固定架、改進(jìn)Taylor外固定架這3種外固定架進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，計(jì)算拉壓剛度和扭轉(zhuǎn)剛度并進(jìn)行比較，得出：llizarov外固定架對(duì)比其他兩種差異較大，其抗壓強(qiáng)度高而扭轉(zhuǎn)剛度低。整體上3種外固定架綜合力學(xué)性能良好，均能滿(mǎn)足臨床應(yīng)用要求。在臨床中可依據(jù)患者需求和手術(shù)因素綜合考慮，合理選用外固定架。

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