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【摘要】 ［目的］ 设计一种新型的儿童用带孔槽皮质外固定式三板假体，利用儿童骨骼生长增粗时向板内孔槽及板间生长的趋势，达到假体与骨的生物整合，用以提高儿童大段植入性假体的远期固定效果。［方法］ 利用计算机辅助技术，根据结构力学原理，设计带孔槽的皮质外固定式三板假体，使三块板包绕固定在骨皮质外，在骨的横截面上组成等边三角形；运用有限元分析方法(FEA)，对设计的假体进行整体结构的应力分析，确定合适的孔槽尺寸（备选孔槽尺寸分别为3 mm×15 mm，3 mm×8 mm，3 mm×4 mm，3 mm×2 mm）。［结果］根据FEA结果，选择出了最优化的假体模型，使假体和骨整体结构所受最大应力为最小，应力分布较均匀。应用快速成型技术制造出了这种假体的树脂模型，并进一步机械加工出了316-L医用不锈钢假体。［结论］本实验设计的新型儿童用皮质外固定式三板假体，其假体结构、机械强度较好，其特殊的设计使假体与骨具有生物整合的趋势，通过术后远期形成坚固的假体-骨整体结构，加强了假体的远期固定效果，为儿童大段植入性假体的松动问题提供了一种新的解决方法。
【关键词】 皮质外固定； 三板假体； 有限元分析
Extracortical triplate prothesis for children ∥MA Jun-xiong, WANG Zhen. Department of Orthopaedics, Xijing Hospital.the Fourth Military Medical University, Xi’an, 710032, China
Abstract: ［Objective］A novel extracortical triplate prothesis was designed to improve the long-term results of the survival of massive endoprothesis in children, which took advantage of the biointegration of the prothesis into the bone. ［Method］Computer-aided design (CAD) technique was used to design this prothesis with different sizes of slots (The sizes of the slots were: 3 mm×15 mm, 3 mm×8 mm, 3 mm×4 mm, and 3 mm×2 mm, respectively). The bone was surrounded by three plates of the prothesis, when a right triangle was made from the three plates on the transverse section of the bone. The finite element method (FEM) was adopted to determine the loading distribution on each prothesis.［Result］According to the results of FEA, the best design was chosen,in which the stress was the tiniest and well distributed. Rapid prototyping (RP) was employed to build the model, based on which the 36-L stainless steel prothesis was manufactured.［Conclusion］A novel extracortical triplate prothesis was designed, which had the optimized structure and mechanical strength. As the fixation strength would be enhanced because of the biointegration of the prothesis into the bone, the extracortical triplate prothesis may provide an alternative method to improve the long-term results of the survival of massive endoprothesis for children.
Key words：extracortical fixation; triplate prothesis; finite element analysis(FEM)
恶性骨肿瘤被切除后，髓内柄固定是下肢骨缺损修复固定中的最常用固定方法。这种方法易于操作，术后早期固定效果良好。然而，随着治疗学的进步，骨肿瘤患者的生存期明显延长［1］，术后远期的假体松动问题开始受到愈来愈多的重视。目前假体松动是人工关节置换术后最常见的并发症，直接影响假体的使用寿命，并成为术后返修的主要原因［2］。尤其对于儿童患者，随着骨骼的生长，髓腔逐渐增粗，髓内柄固定难以避免松动，目前，儿童用假体的松动问题尚无有效的解决方法。
假体与骨的生物整合是解决假体松动问题的关键。只有假体与骨骼紧密结合在一起，形成一个坚固的整体结构后，才能拥有较好的远期固定效果。为此，本课题组希望通过计算机辅助技术及有限元分析方法来设计一种新型假体，并优化其假体结构，而后利用快速成型技术及工业生产技术制造出假体实物，为进一步的动物实验及临床实验打下基础，从而为儿童用假体的松动问题提供一种新的解决方法。
1 三板假体设计
1.1 三板假体（图1）：利用Pro/E软件辅助设计假体模型。假体材料选用316-L医用不锈钢。假体结构包括中段的主干和两端各三块板，主干和板为一个整体。主干为圆柱状，直径17.5 mm，长30 mm，用于填补修复肿瘤切除后残留的大段骨缺损；板规格为32.5 mm×7 mm×1 mm，板上有2或3个螺钉孔眼，孔径3.5 mm，三块板包绕在骨皮质外，通过螺钉固定于骨表面。为达到最佳的力学稳定性，三块板在骨的横截面上组成等边三角形。板上设计了宽3 mm的孔槽，用以减少板对骨膜血供的压迫。备选的孔槽长度为：15 mm、8 mm、4 mm、2 mm。由于不同的孔槽规格将影响假体的整体机械性能，因此作者根据上述备选孔槽规格设计了4种假体，并通过下述的有限元分析方法对其进行分析评价，进一步优化假体设计。
1.2 螺钉：材料为316-L医用不锈钢，为单皮质全螺纹螺钉，直径3.5 mm，长度5 mm。
图1四种假体模型（由左至右分别为15 mm、8 mm、4 mm、2 mm孔假体）
2 有限元分析
2.1 技术路线（图2）
图2技术路线
2.2 模型的简化 本研究采用Pro/E软件绘制模型，Ansys软件进行有限元分析。假定胫骨中段截除30 mm后（模拟胫骨中段肿瘤切除后的情况），剩余上下两段胫骨，骨模型简化为空心圆筒，长均为65 mm，外径14 mm，内径7 mm。骨、三板假体及螺钉为各向同性材料［3］。
2.3 分析前处理
2.3.1 材料定义 骨和假体均按弹性体处理，骨虽不是弹性体，但本研究属于小变形问题，在小变形范围内简化不会影响应力分布规律。弹性小变形问题分析时只需定义材料的弹性模量和泊松比。这里定义3种材料：骨、三板假体及螺钉［4］。各材料参数见表1。
表1 各材料的力学参数材料弹性模量（GPa）泊松比（MP）骨13.70.3三板假体、螺钉2000.3
2.3.2 建立几何模型 在Pro/E软件中分别建立骨、三板假体、螺钉的几何模型（零件），并进行装配，制作成组件，不同物体之间共用界面不能有间隙。为简化计算，将螺钉和三板假体视为一个整体。将建立好的模型导入到Ansys10.0软件。
2.3.3 定义接触 螺钉和骨之间设定接触，选择Bonded。其他界面设置为自由界面。
2.3.4 选择单元和划分网格 建立8结点6面体实体单元。分别在骨、三板假体、螺钉几何模型基础上划分单元网格，划分每一个物体时选择相应的材料模型。
a.胫骨：上下两段均被分为39 540个结点，25 536个单元。
b.四种假体及螺钉：
3 mm×15 mm假体，44 465个结点，26 807个单元；
3 mm×8 mm假体，44 513个结点，26 796个单元；
3 mm×4 mm假体，50 970个结点，30 742个单元；
3 mm×2 mm假体，50 841个结点，30 447个单元。
2.4 求解
2.4.1 求解类型 静力结构分析、小变形。
2.4.2 边界条件 下段胫骨底部完全固定(此时整个结构受力最大)。
2.4.3 外加载荷 载荷施加部位为上段胫骨顶部。载荷包括竖直向下的面力和水平方向的面力，大小均为100 N。
2.4.4 求解 在当前设置下直接求解。
2.5 后处理和结果分析
2.5.1 结果输出进入Ansys通用后处理模块，输出结果。
2.5.2 结果分析结果报告包括不同假体板模型所受的最大应力、最大切应力及应力强度。本次研究结果中，所有的最大应力均出现在假体上。结果清楚地显示了不同假体在外加载荷下承受最大应力的差异，应力集中程度是不同的。其中，孔槽大小为3 mm×8 mm时，假体和骨整体结构所受最大应力为最小，应力分布也较其它均匀。（表2，图3）。
表2 各假体所受的最大应力（Pa）假体最大应力最大切应力应力强度15 mm孔假体2.35×1081.18×1082.37×1088 mm孔假体2.21×1081.12×1082.24×1084 mm孔假体2.56×1081.29×1082.58×1082 mm孔假体2.81×1081.42×1082.83×108
3 假体制造
3.1 树脂模型
利用快速成型技术，在西安交通大学快速成型技术中心制作出假体的树脂模型（图4）。
3.2 316-L医用不锈钢假体
根据设计图纸及树脂模型，由工厂机械加工出316-L医用不锈钢假体（图4，图5）。 图3各假体的应力分布（a：15 mm孔假体；b：8 mm孔假体；c：4 mm孔假体；d：2 mm孔假体） 图4树脂模型（上）及316-L医用不锈钢假体（下） 图5316-L医用不锈钢假体4 讨论
目前，大段内用假体被广泛应用于骨肿瘤手术，以促进患者早期活动的恢复。其中，髓内柄固定是下肢骨缺损修复固定中的最常用方法。然而，假体的存活依赖于解剖学位点、假体种类和固定方法等［5］。髓内柄固定常因无菌性松动的发生，需要再次手术。尤其对于儿童患者，随骨骼生长，髓腔逐渐增粗，髓内柄固定难以避免松动。假体松动的问题尚无有效的解决方法。
为此，本课题组设计了一种新型的儿童用皮质外固定式三板假体。在固定的早期，依靠螺钉将板固定于自体骨的表面，三块板包绕在骨皮质外，在横截面上组成等边三角形，符合结构力学的最佳固定位置，可以达到稳定的早期固定效果。而随着儿童骨骼的生长增粗，自体骨将向板内孔槽和板间生长，最后新生骨将包裹假体板，这种趋势可以促进自体骨和假体板的生物整合，得到坚固的假体-骨整体结构，从而得到满意的远期固定效果。这种固定方式不侵袭髓腔，可以避免髓腔增粗引起的松动，是一种可行的替代髓内柄固定的新技术。
皮质外钢板固定的应用在创伤骨科已有悠久的历史。但是，钢板的压迫对骨膜血供有一定的影响，可以抑制新骨生成，延缓骨折愈合，而皮质骨缺血程度主要取决于板和骨的接触面积［6］。因此，作者在假体板上设计了孔槽，通过减少板与骨的接触面积来降低对骨膜血供的破坏。孔槽的大小直接关系到整个假体的结构和机械强度，所以孔槽的设计是假体设计中的难点。本研究引入有限元分析方法，模拟假体在活体内的真实受力情况，分析比较不同大小孔槽的假体其应力大小和分布。有限元分析结果显示，孔槽大小为3 mm×8 mm时，假体和骨整体结构所受最大应力为最小，应力分布也较其他均匀。因此作者选择3 mm×8 mm孔槽作为设计标准，利用快速成型技术制作出了假体树脂模型，而后进一步机械加工出了316-L医用不锈钢假体。
新型的儿童用皮质外固定式三板假体，具有早期固定牢固、生物整合性强、远期固定效果好等优点，为儿童大段植入性假体的松动问题提供了一种有效的解决方法。但是作者的设计和分析是基于有限元分析理论，并不能完全模拟活体内的真实情况，其实际效果，尤其是远期效果，仍有待进一步的动物实验研究加以验证。
【参考文献】
［1］ Marina N, Gebhardt M, Teot L,et al.Biology and therapeutic advances for pediatric osteosarcoma［J］.Oncologist, 2004, 9: 422-441.
［2］ 郑稼，金毅，赵炬才.人工关节术后松动因素研究进展［J］.中国矫形外科杂志，2006，14：381-383.
［3］ Lennon AB，P rendergast PJ. Evaluation of cement stresses in finite element analyses of cemented orthopaedic implants［J］. Journal of Biomechanical Engineering, 2001,6: 623-628.
［4］ 李智，王臻，孙峥.有限接触式带锁髓内钉的有限元分析及临床应用［J］.中国矫形外科杂志，2006，14：1082-1085.
［5］ Cobb JP,Ashwood N,Robbins G,et al.Triplate fixation: a new technique in limb-salvage surgery［J］. J Bone Joint Surg(Br), 2005, 87: 534-539.
［6］ Gunst MA, Rahn BA, Ruedi T,et al.Bone blood suplly after change of implant［J］. Helv Chir Acta, 1985, 52:177-180.
作者单位：第四军医大学西京医院骨科，西安