镁合金胫骨骨板的结构设计与仿真

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接骨板内固定是目前临床上治疗骨折疾病最为广泛的一种方法。在接骨板一百多年的发展过程中,接骨板的材料、接骨板的结构设计及内固定治疗理念等方面都有着长足进步。现在临床上应用的接骨板多为钛合金、不锈钢等传统金属材料,由于这些材料的弹性模量偏大极易造成骨质疏松的症状,而镁合金材料与人体骨骼的弹性模量较为接近,有利于降低此类症状的发生。此外,胫骨是承载全身载荷、完成身体运动的关键部位,术后胫骨接骨板断裂失效的情况时有发生。因此,镁合金胫骨接骨板的研究对于实际的临床应用有着极为重要的现实意义。本文以镁合金接骨板固定胫骨中段横形骨折为研究背景,通过SolidWorks三维建模软件建立了四种不同类型接骨板的胫骨骨折内固定系统;通过ANSYS Workbench有限元分析软件对四种接骨板内固定系统在五种不同的载荷环境下分别进行了静力学分析。通过对镁合金胫骨骨板的有限元分析研究了不同结构类型接骨板的强度大小、刚度大小以及不同载荷对接骨板承载能力的影响,并通过力学试验和理论计算对有限元分析模型及结论进行了验证。通过有限元分析、理论计算、力学性能试验相互结合的方法,得到四种类型的镁合金胫骨骨板在五种载荷下其强度均满足镁合金材料的性能要求,其中总体强度最高的是齿形接骨板,而且接骨板表面织构的设计明显地改善了接骨板的应力分布、有效地提高了接骨板的强度。通过对不同类型的镁合金胫骨骨板进行弯曲刚度和扭转刚度的有限元分析,得到四种结构类型的接骨板均满足其弯曲刚度和扭转刚度要求,表面织构对接骨板的弯曲刚度影响不大。但是,却较大地提高了接骨板的扭转刚度。通过对镁合金接骨板的力学性能试验分析,得到接骨板的最大弯曲载荷和最大压力载荷,验证了有限元分析和理论计算时载荷设置的合理性。研究结果表明,镁合金接骨板固定胫骨骨折,既可以满足刚度的需求又可以有效地降低应力遮挡效应。因此,镁合金作为新型的骨折内固定材料具有较大优势与可行性。
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