意外事故例如车祸、运动冲击和高空坠落等导致的骨折是骨外科常见的急性疾病之一,骨折一旦发生,必须即刻进行有效的治疗,骨折内固定术是治疗骨折的主要手段。骨螺钉作为内固定手术中重要的固定器械,其植入初期及后期慢性愈合后的稳定性都将影响临床的治疗效果。目前临床上螺钉松动发生率较高,因骨螺钉稳定性降低导致的手术失败率明显增加,为此进行的二次手术给患者带来了更多的损伤,同时也增加了医生的工作强度,给患者和医生带来巨大的精神压力。充分了解骨螺钉失效的影响因素及失效机制,能为提高临床骨折内固定的稳定性提供新的思路,对于提高人民群众的健康水平和生活质量,有着重要的价值。骨密度与螺钉置入角度,手术过程的先导孔直径与螺钉直径的适配关系,骨螺钉的齿型差异及结构参数是影响骨螺钉稳定性最重要的因素,本文采用实验、仿真和3D打印技术,选用尸骨、新鲜牛骨股骨、人工骨股骨和聚氨酯有机发泡材料三种作为实验对象,针对不同骨螺钉稳定性影响因素的实验设计,实验材料的选取会有所区别。实验刀具主要使用的是医用麻花钻头、医用细牙深螺纹丝锥和医用摆锯等一系列临床手术用刀具及工具。螺钉稳定性测试使用直径4.0mm的不锈钢深螺纹螺钉。使用六轴机械手辅助平台模拟临床手术骨钻削,攻丝以及置入骨螺钉的过程。观察骨钻孔机攻丝后的骨螺纹质量,测量骨螺纹的深度及横截面积,提出新的螺钉稳定性评价指标;观察螺钉拔出过程的破坏形式,包括骨孔挤压损伤以及骨孔内壁的挤压破坏,研究骨螺纹孔的破坏分型;通过螺钉的标准拔出力测试分析最终综合评估螺钉即刻稳定性。整合以上研究内容,综合分析提升螺钉的稳定性方法。本文主要结论如下:(1)低骨密度聚氨酯材料的拔出力曲线变化趋势与中密度聚氨酯,人工骨及人骨有很大差异,低密度聚氨酯作为实验材料的获的实验结果参考意义不大。中密度聚氨酯拔力曲线变化趋势与尸骨相似,其可以作为有效的骨替代实验材料。牛骨材料螺钉拔出时破坏形式与人骨类似,可以作为较理想的拔出力试验替代材料,人工骨材料从形状到力学性能上与人骨保持很好的一致性,是最理想的骨替代材料。(2)皮质骨的骨密度是影响骨螺纹稳定的重要因素,由拔出力密度曲线发现,低密度骨质基本无法提供有效的拔出力,皮质骨为螺钉提供了主要的拔出力,随着皮骨密度的增加,螺钉的拔出力逐渐增大,但随着皮质骨密度进一步增大,其拔出力上升不显著。建议临床治疗将骨螺钉布置在皮质骨层平均厚度较厚区域,能够为螺钉提供更好即刻拔出强度,提升螺钉钢板系统的紧固效果。(3)理想的螺钉置入角度为垂直置入螺钉,当螺钉呈角度置入中密度聚氨酯材料中,随着置钉角度越大,螺钉的拔出力增大,当置钉角度过大时,螺钉会在骨孔中出现以螺钉中端靠近骨面接触点为轴心进行长轴面的旋转,螺钉中段会挤压骨界面,骨界面接触部位出现裂纹和蹦碎,而髓内的螺钉钉尖会挤压破坏压髓内松质骨及髓质,严重破坏骨孔内部结果,大角度置入螺钉会增加骨界面破坏的风险。(4)在牛骨材料的拔出力实验中,螺钉拔出力随先导孔直径减小而增大,随着先导孔直径减小,攻丝过程对骨螺纹孔口的挤压破坏加剧,螺纹孔的骨裂纹尺寸增大,骨螺纹槽边缘破损区域增多,骨螺纹螺纹深度及横截面积增大,同时先导孔直径过小会增加骨界面发生二次骨折的风险。(5)螺钉的拔出力随着螺钉TSF因子的增大而增大,HA浅螺纹螺钉在系列螺钉中能提供最大的拔出力,HB深螺纹螺钉在同等载荷下发生断裂失效的风险最高。仿真结果表明,HD非对称螺钉的螺纹应力集中区域最小,螺牙在承受载荷是受力分布最均匀。针对螺钉齿形的优化选型,HA浅螺纹螺钉是最优推荐。(6)3D打印技术能为骨螺钉结构的优化选型提供快速解决方案,选用医用3D打印置入材料进行螺钉稳定性测试可以在一定程度上预测不同结构螺钉稳定性差异,可以降低定制螺钉带来的高昂成本。