锁定内钉与螺丝的设计与材料对机械强度的影响.pdf

The Effects of Material and Design on The Mechanical Strength of Locked Nails and Screws 鎖定內釘和螺絲的設計與材料對機械強度的影響 林晉1 趙振綱2 徐慶琪 3 林偉澎4 Jinn Lin1 Ching-Kong Chao2 Ching-Chi Hsu2 Wei-Peng Lin1 1 國立臺灣大學附設醫院骨科教授 2 國立臺灣科技大學機械系教授 3 國立臺灣科技大學機械系助理教授 4 國立臺灣大學附設醫院骨科主治醫師 全國科學委員會支助 1 摘要 宗旨：這項生物力學實驗的目的是要研究不鏽鋼或鈦合金對鎖定內釘和螺絲設計在 機械性能上的影響。 方法：比較特別地設計製作同樣結構的不鏽鋼或鈦合金鎖定內釘和螺絲之機械性能。 研究的結構因素，鎖定螺絲包括內徑和根部半徑，鎖定內釘包括外徑和釘孔大小。機 械性能則包括抗彎勁度、強度和疲勞壽命。有限元素模型則用於模仿機械測試和計算 應力集中因子。 結果: 增加根部半徑和內徑能有效地增加鎖定螺絲的疲勞強度。特別是當增加半徑， 鈦合金螺絲的疲勞強度比不鏽鋼增加了更多。相反的，鈦合金鎖定內釘比相對的不鏽 鋼內釘弱。有限元素模型可以準確預測機械力學測試的結果，螺絲的相關系數範圍從 -0.58到-0.84 ，內釘為-0.98。應力集中因子範圍螺絲為從1到1.81，內釘為從3.06到4.17 。 結論：更大的根部半徑和內徑，鈦合金鎖定螺絲比相對不鏽鋼螺絲能提供更強的疲勞 強度。然而，由於高裂痕敏感性，鈦合金鎖定內釘反而失去他們優越機械強度的好處， 這個發現臨床上應用時需特別關心。有限元素分析能可靠地用於鎖定內釘和鎖定螺絲 的研究與開發。 關鍵詞： 機械性能，鈦合金，不鏽鋼，鎖定內釘 2 前言 鎖定內釘廣泛被接受為下肢長骨骨折的治療方法 [1] ，它有最小的組織傷害和高固定穩 定的好處。常規鎖定內釘系統通常使用的材料是不鏽鋼。但是，由於鈦合金具有優秀 的性能組合：更好的 biocompatibility 、耐腐蝕性、在電腦斷層掃瞄和核磁共振檢查有 較少的人工干擾，鈦合金的使用最近增多了 [2-4] 。然而，與不鏽鋼比較，鈦合金的憂 慮是裂痕敏感性（ notch sensitivity ）的材料性質，會大大地減少其疲勞強度，導致植 入物高風險的破損和手術失敗[3,5] 。這個裂痕敏感性作用，在幾何結構上突然變動的 地區會特別厲害，例如鎖定螺絲的螺紋或內釘的釘孔。 比較由鈦合金或不鏽鋼製成的鎖定內釘的機械性能研究不多 [6] 。在本研究，特別 地製造同樣幾何和維度的鈦合金或不鏽鋼鎖定螺絲和鎖定內釘，比較機械性能包括勁 度，降伏強度和疲勞強度，並探討鎖定內釘和螺絲設計在機械性能上的影響。假說是 鈦合金植入物應該更能抵抗疲勞破壞，疲勞破壞是骨折固定器常見的破壞機轉。然而， 在高裂痕敏感性的情況，鈦合金植入物的疲勞強度也許減弱。另一個假說是有限元素 分析可以可靠地預測機械測試的結果和估計裂痕敏感性的嚴重度。 材料與方法 被測試的內釘和螺絲的結構 特別設計的鎖定螺絲和內釘(United, Taipei, Taiwan)是由ASTM (American Standard of Tested Materials) F138 等級2.2規格的不鏽鋼或ASTM F136-96鈦合金(Ti6Al4V) (Carpenter Technology, Reading, PA)作成。不鏽鋼降伏強度786 MPa和伸長率26% 。 鈦合金降伏強度795 MPa和伸長率 10% 。由於疲勞強度決定因素是內徑和螺紋的根部 半徑[7] ，在本研究中製造的鎖定螺絲有二不同內徑、3.8和4.1 mm和三不同根部半徑： 0.1 ，0.3和0.5 mm (表1) (圖 1A) ，螺絲的其他結構完全相同，螺絲全長是55 mm ，使 3 用沒有螺紋的光滑螺栓作為控制組。至於鎖定內釘 (表2) ，金屬管全長110 mm ，有一 個圓孔在中心，代表最壞的臨床情況（wor