Комп’ютерне моделювання діафізарного перелому при остеосинтезі титановими та сталевими пластинами з кутовою стабільністю гвинтів

Анотація

Частота виникнення переломів кінцівок з року в рік постійно зростає, що вимагає вдосконалення підходів до їх лікування, щоб зробити цей процес менш тривалим та недорогим, а також більш комфортним для пацієнта. Оперативне лікування з застосуванням пластин може забезпечити ці переваги, але все ж потребує постійного дослідження направленого на вдосконалення техніки виконання, імплантатів та покращення результатів лікування. Біомеханічні взаємодії між пластиною, гвинтами та кістковими фрагментами є одним із критичних факторів, що впливають на стабільність перелому. Наявність різноманіття типів переломів, видів пластин та матеріалів, що використовуються для їх виробництва, ускладнюють можливість перебачити механічні взаємодії, що відбуваються при застосуванні даних конструкцій і багато аспектів залишаються недостатньо вивченими. Вплив матеріалу з якого виготовлена пластина та навантаження були досліджені шляхом комп’ютерного моделювання з застосуванням методики скінчених елементів для визначення найбільш стресових ділянок та зміщення.
Мета дослідження. Визначити вплив матеріалу з якого виготовлена пластина з кутовою стабільністю, зокрема нержавіючої сталі та титану, на зміни її напружено-деформованого стану та зміщення фрагментів перелому під дією прикладеного згинального, привідного та ротаційного навантаження.
Матеріали і методи. Комп’ютерне моделювання з застосуванням методики скінчених елементів було проведено в Autodesk Inventor. Змодельована пряма пластина з кутовою стабільністю гвинтів на 10 отворів. Дослідження статичного навантаження було проведено з прикладанням зусиль під кутом 90º до осі кістки у двох площинах (що симулює згинання та відведення) та ротацію вздовж осі кістки. Зміщення та ділянки підвищеного стресу за фон Мізесом визначалися в 3 частинах пластини: центральна ділянка над зоною перелому, та ділянки навколо найближчих до центру пластини отворів. Діапазон навантажень для згинання складав від 100 Н до 1000 Н, для відведення від 100 Н до 500 Н, а для ротаційного навантаження від 1 Nm до 10 Nm. Статистичний аналіз отриманих результатів проводився з використанням Microsoft Excel 2003.
Результати та обговорення. При збільшенні навантаження відмічалося посилення стресу в пластині над зоною перелому та навколо найближчих до центру пластини отворів, при чому для нержавіючої сталі показники були вищими, ніж для титану для більшості режимів навантаження, лише в поодиноких випадках над ділянкою перелому ситуація була протилежною. При прикладанні згинального навантаження низької інтенсивності максимальні показники стресу в пластинах з нержавіючої сталі були вищими ніж у титану на 10,9 – 47,0 %, крім центральної частини пластини. Для більш інтенсивного згинального навантаження відмінності в стресових ділянках між матеріалами складали від 14,3 % в центральній частині до 35,3 % в проксимальній частині. В переважній більшості режимів навантаження у напрямку приведення стрес в пластині з нержавіючої сталі був вищим, за виключенням дистальної ділянки при невеликих силах. Різниця між показниками стресу для навантаженнях низької інтенсивності була 0,23 – 7,0 %, а при підвищених навантаженнях різниця становила від 26,9 % в проксимальній частині до 45,1 % в дистальній. Для ротаційних навантажень стресові ділянки в пластинах з нержавіючої сталі були вищими ніж у титанових пластинах на 0,47 – 4,3 %, переважно в проксимальній ділянці. Менші зміщення кісткових фрагментів були виявлені для пластин з нержавіючої сталі в порівнянні з титановими пластинами і становили відповідно 5 %, 26,4 % та
79,7 % для згинальних, привідних та ротаційних навантажень.
Висновки. Для більшості режимів навантаження найменш стресові ділянки були виявлені в титанових конструкціях, порівнюючи з нержавіючою сталлю. З іншого боку, зміщення кісткових фрагментів було більшим для титанових пластин, зокрема під дією ротаційних навантажень. У випадках коли інтенсивність навантаження зростає і при комбінованих навантаженнях, ці відмінності можуть стати вагомим фактором впливу на процес зрощення переломів.
Перспективи подальших досліджень. На даний час в клінічній практиці обидва види матеріалів використовуються у пластинах, тому результати даного дослідження можуть бути прийнятими до уваги при плануванні оперативних втручань з накісткового остеосинтезу переломів, а також сприятимуть подальшим дослідженням в даному напрямку.