不同填充块对内侧开放楔形胫骨高位截骨应力分布的影响

摘    要 目的 分析填充块材料和尺寸对胫骨截骨模型应力分布的影响。方法 建立3种不同材料(髂骨、松质骨和聚醚醚酮)、5种不同尺寸填充块，分别植入胫骨截骨模型，对模型进行力学加载，分析模型的应力分布和边缘位移。结果 就3种材料而言，植入髂骨材料的填充块模型在胫骨近端、钢板的应力和边缘位移低于松质骨和聚醚醚酮材料，但髂骨材料的填充块应力最高；在不同尺寸填充块植入截骨间隙时，胫骨截骨各部分应力分布和边缘位移存在差异，特别是填充块宽度从30 mm减小到10 mm,胫骨近端、钢板和填充块应力峰值平均分别增加了49.3%、92.7%、54.4%。结论 不同的填充块参数会影响胫骨截骨不同部位的应力分布。研究结果为临床胫骨截骨填充块参数的选择提供理论依据。

关键词：内侧开放楔形胫骨高位截骨术; 填充块; 应力; 边缘位移;

内侧开放楔形胫骨高位截骨术(medial opening wedge high tibial osteotomy, MOWHTO)是膝关节内翻对线的早期和中度内侧单间室骨关节炎的一种成熟治疗方法，该手术一直被认为对年轻和活跃患者有效[1,2,3,4]。然而，MOWHTO在截骨部位形成1个开口间隙，截骨间隙骨的延迟愈合、不愈合成为MOWHTO 主要并发症[5,6,7,8]。因此，各种骨空洞填充块被用作植骨材料，如自体骨移植、同种异体骨移植或人工骨替代物[9]。研究证实，填充块的加入限制了钢板和外侧皮质的张拉应变，保护这些区域在长时间负荷下不会发生骨折[10]。目前研究主要集中于填充块的植入问题，而填充块尺寸对胫骨截骨稳定性影响的研究还鲜有报道。本文利用有限元方法研究植入不同材料和尺寸填充块的胫骨截骨模型的受力分布以及边缘位移变化，从而通过建立明确的填充块材料和尺寸，为临床MOWHTO中填充块的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 有限元模型建立

将第4代Sawbone #3401人工骨的计算机断层(computed tomography, CT)扫描图像(CT层厚0.625 mm; 图像分辨率512 × 512像素；管电流90 mA;管电压60 kV)导入Mimics 21.0(Materialize公司，比利时)中，经过阈值分割、擦除、区域生长等命令操作，重建完整的左侧胫骨三维模型。利用逆向工程软件Geomagic Studio 19.0(Geomagic公司，美国)对胫骨三维模型进行表面优化和曲面拟合，构建NURBS曲面，将所得模型通过SolidWorks 20.0(SolidWorks公司，美国)进一步将胫骨近端的表面模型转换为具有光滑和无缝表面的实体模型。在矢状面上，胫骨骨干与地面垂直。在内侧截骨部位进行约10 mm扩张，作为MOWHTO中指定的矫正[6,11,12](见图1)。

根据发布的TomoFix钢板参数重建骨板，并在有经验的外科医生的指导下，钢板被放置在胫骨近端前内侧区域。为了简化，将8枚直径5 mm锁定螺钉上的螺纹去掉。然后，建立5种不同尺寸填充块(见表1),并将其植入到胫骨模型的截骨间隙中，构建植入5种不同尺寸填充块的胫骨截骨模型(见图2)。所有模型都导入HyperMesh 19.0(Altair公司，美国),并用C3D4四面体单元划分网格。

1.2 材料属性和接触设置

所有模型均在ABAQUS 2020(Simulia公司，法国)中的相同条件下设置。将均质、各向同性、线弹性材料特性分配给模型的不同部分[13,14,15]。填充块定义为髂骨、松质骨和聚醚醚酮(polyetherether-keton, PEEK)3种不同材料，材料属性见表2。此外，设置胫骨-螺丝钉和钢板-螺丝钉界面粘结，以模拟牢固的固定和没有界面松动。设置胫骨-填充块界面为面对面接触单元，允许分离和滑动，接触面摩擦因数为0.3[16]。

1.3 边界和载荷条件

在实验中，使用分布式耦合约束来施加载荷。

在胫骨平台上方2 mm处建立两个参照点，并与相应的内、外侧平台参考面相连[17]。在参照点施加2 kN生理载荷，其中60%转移到内侧间隙，40%转移到外侧间隙，模拟成人单肢站立时膝关节的轴向压缩载荷[18]。在所有测试中，设置胫骨截骨模型的远端为完全约束[12,18,19]。

2 结果

2.1 有限元模型验证

在2 kN轴向载荷下，将计算结果与有限元实验结果[18,20]进行比较。结果显示，没有填充块模型的最大应力为251.1 MPa, 胫骨最大应力为114.4 MPa, 最大位移为1.483 mm, 楔形刚度为1 349 N/mm。楔形刚度与Luo等[18] [(1 696 ± 205) N/mm]和Ji等[20](985.1 N/mm)相似，表明所建有限元模型具有较好的有效性，并可用于进一步的分析。

2.2 胫骨近端应力分析

所有胫骨截骨模型的胫骨近端应力峰值均出现在外侧铰链的后部[见图3(a)]。在3种材料中，植入髂骨材料填充块的模型胫骨近端应力最低，植入PEEK材料填充块的模型胫骨近端应力最高。此外，与植入填充块1的模型相比，植入填充块2～5模型在髂骨材料下胫骨近端最大应力分别增加了1.8%、11.8%、17.5%和63.0%,植入填充块2～5模型在松质骨材料下胫骨近端最大应力分别增加了2.2%、13.5%、20.6%、71.0%,植入填充块2～5模型在PEEK材料下胫骨近端最大应力分别增加了2.4%、15.8%、22.4%、75.1%[见图4(a)]。

2.3 钢板应力分析

在所有模型中，钢板的应力分布规律相似，应力集中在钢板的后部和由钢板支撑开口楔形的整体区域，峰值位于钢板组件的第5和8个螺钉处[见图3(b)]。填充块长度从63 mm减小到42 mm或21 mm时，填充块材料和尺寸对于钢板应力的影响很小。相比之下，宽度减小不仅对钢板的应力分布产生影响，使应力峰值从第8个螺钉处转移到第5个螺钉处，而且显著增加了最大应力。特别是宽度从30 mm减小到10 mm, 在3种材料填充块植入下钢板应力分别增加了85.4%、96.3%和96.2%[见图4(b)]。

2.4 填充块应力分析

填充块应力集中于填充块内侧的后部区域。其中，髂骨材料的填充块应力最高，填充块1～5应力分别为19.2、15.9、34.0、28.9、55.5 MPa; PEEK材料的填充块应力最低，填充块1～5分别为5.7、6.0、10.9、9.7、15.6 MPa。就3种材料的填充块平均应力而言，填充块1～4应力分别比填充块5应力低64.7%、67.8%、35.2%和43.6%(见图5)。

2.5 边缘位移

对于所有模型，边缘aa的开口楔形始终受到拉伸，但在边缘bb和cc的开口楔形始终受到压缩。所有模型中，边缘cc处的位移最大，其次是边缘aa, 而边缘bb处的位移最小。在3种填充材料中，植入PEEK材料填充块的模型边缘位移最大，植入髂骨材料填充块的模型边缘位移均最小。与植入填充块5的模型相比，植入填充块3的模型在髂骨材料下边缘aa、bb和cc的位移分别减少了81.1%、4.0%、79.6%,植入填充块3的模型在松质骨材料下边缘aa、bb和cc的位移分别减少了78.5%、38.7%、76.4%,植入填充块3的模型在PEEK材料下边缘aa、bb和cc的位移分别减少了75.6%、48.8%和74.3%。就3种材料模型平均位移而言，从内侧前部边缘cc到内侧后部边缘aa的情况下，植入填充块1～5模型位移分别减少49.0%、50.4%、53.9%、37.1%、50.3%(见图6)。

3 讨论

MOWHTO被认为是治疗膝关节内翻畸形合并骨关节炎和内侧室局灶性骨坏死的一种替代方法，然而，MOWHTO不可避免产生的缺口只能缓慢地用各种骨空洞填充块进行填充[9,16]。目前有多种骨空隙填充材料可供选择，自体骨是骨移植的“黄金标准”,但供骨部位的发病率是患者和外科医生主要关注的问题。同种异体移植具有各种尺寸和形状的可用性，以及无供体部位发病率。随着脊柱融合、关节置换翻修、关节融合等需求的增加，异体骨供体相对不足[21,22]。然而合成骨移植物价格昂贵，导致截骨的植入成功往往受植骨材料不足的限制[23]。但截骨间隙植骨已被证明在降低种植失败、侧铰断裂风险和保证结构稳定方面具有明显的生物力学优势[12,17]。因此，选择合适的填充块植入胫骨截骨间隙，对提高术后稳定性非常重要。本文建立了在髂骨、松质骨和PEEK材料下植入5种不同尺寸填充块的胫骨截骨三维有限元模型，并模拟单肢站立期间膝盖的压缩负荷进行加载，观察植入填充块模型的应力分布和边缘位移，以寻找理想的填充块尺寸。

本文发现，在植入不同材料和尺寸填充块时，不同的填充块参数会影响胫骨截骨不同部位的应力分布。所有模型的胫骨近端应力主要分布在外侧铰链区，钢板应力集中分布在钢板后部和由钢板支撑开口楔形的整体区域，填充块应力集中于填充块内侧的后部区域。Zhao等[17]针对胫骨近端和钢板应力分布的结果与本文类似，但该研究没有详细阐述填充块的应力分布情况。此外，胫骨近端所受应力最大，钢板和填充块应力较小，这与Yang等[12]在站立条件下进行截骨填充的研究结果不一致，可能与填充块-骨界面的接触设置不同有关。

在相同材料和力学加载状况条件下，减小填充块的尺寸，特别是宽度，导致胫骨近端、钢板和填充块的应力明显变得越来越大。除了产生的应力增加外，填充块宽度的减小还对钢板的应力峰值位置产生影响，使应力峰值从第8个螺钉处转移到第5个螺钉处。但Zhao等[17]使用50 mm×15 mm×10 mm填充块填充时的钢板应力峰值位于钢板近端组件的第4个螺钉处，与本文加载载荷大小和钢板轮廓不同有关。

在无填充块模型中边缘aa位移为拉伸状态下42 μm, 边缘bb和cc位移分别为压缩状态下82、258 μm, 在3个边缘中，边缘cc位于更靠后的区域，这是生理活动期间负载最大的区域。此外，与内侧钢板区相比，外侧铰链区是截骨后结构缺陷最薄弱的区域。因此，为外侧铰链创造1个完整的支点对于稳定截骨部位至关重要[17]。

研究表明，胫骨倾斜度增加将在胫骨平台上重新分配胫股接触压力，使截骨术向前打开，增加胫骨前移和半脱位[24]。本文发现，植入3种材料的填充块1～3模型在边缘aa和cc的平均位移约为6、13 μm, 植入填充块4模型在边缘aa和cc的平均位移约为14、22 μm, 植入填充块5模型在边缘aa和cc的平均位移约为28、56 μm。在边缘aa处，植入填充块2～5结构的楔形位移分别是植入填充块1结构的1.00、0.93、2.12、4.27倍；在边缘cc处，植入填充块2～5结构的楔形位移分别是植入填充块1结构的1.03、1.03、1.72、4.38倍。其中，植入填充块4、5模型具有较高的边缘位移，可能会产生杠杆效应导致骨分离的发生，不利于愈伤组织的形成。本文认为，填充块有足够的轮廓宽度，才能为外侧铰链提供1个完整的支点，在垂直方向上有效承担负荷和减小骨结构的过度位移。然而，少量的运动可能有助于骨愈合[18]。本文所有模型的边缘位移均未超过骨愈合允许的最大移动量(>100 μm)[25]。

本研究的局限性如下： ① 便于模型的收敛，忽略了膝关节周围韧带和肌群的受力；② 有限元模型中所有构件的材料特性设置为均质、各向同性和线弹性，没有模拟实际情况中各部分的复杂材料属性；③ 只模拟了静态的加载条件，没有考虑运动状态下的影响；④ 用一般接触条件下的摩擦因数来确定实际情况下的接触条件，真实的临床情况与计算机模拟的情况不同；⑤ 只在开口高度为10 mm下植入5种尺寸填充块进行分析，实际开口高度和填充块参数可能会有多种选择。

4 结论

本文对MOWHTO在3种材料下不同填充块尺寸植入方案进行生物力学评估。结果表明，不同的填充块参数会影响胫骨截骨不同部位的应力分布。研究结果为临床胫骨截骨填充块参数的选择提供理论依据。然而，由于研究的局限性，还需要进一步开展体外生物力学测试和临床试验，以选择合适的填充块尺寸。

参考文献：略

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