新型颈前路高贴附性弹性内固定合金板的设计与有限元分析

背景:颈椎前路椎间盘切除减压内固定通常于颈前辅助接骨板进行内固定,由于传统接骨板体积较大、突出于椎体前缘及接骨板材质导致弹性模量较高等原因,术后患者常存在吞咽不适、相邻节段退行性变等并发症.目的:运用三维有限元研究方法比较并分析3种自主研发的新型颈前路高贴附性弹性内固定合金板在术后的应力分布特点,为内植物的改进及临床应用提供参考.方法:利用镍钛合金设计3种内植物:合金板A为阶梯型,合金板B为弧面阶梯型,合金板C为弧面型.随机采集1名21岁健康成年女性志愿者C5、C6节段的CT薄层扫描图像,应用Mimics 21.0、Geomagic Studio 2013、Abaqus 2020等软件处理,构建3种新型颈前路合金板装配完成的颈椎有限元模型,在C5上加载50 N垂直力及1.5 N·m纯扭矩载荷,模拟颈椎中立、前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转7种运动状态,采集3种合金板6个应力集中区域的应力值.结果 与结论:①中立位时,3种合金板上各个应力集中区域处分布的应力相对其余工况为最小;前屈及后伸工况下,合金板A加压件上部的平均应力大于合金板B(P<0.05),合金板C下部的平均应力大于合金板B(P<0.05);侧屈工况下,屈侧的平均应力大于伸侧(P<0.05);旋转工况下,旋转对侧上部及同侧下部的平均应力相对较大(P<0.05);侧屈及旋转动作时,合金板A大多区域的平均应力远小于合金板B、C(P<0.05);②3种合金板的平均应力均在中立位时较小、在做旋转动作时较大,应力最大部位几乎均集中于螺纹孔周围;③合金板A较适合于术后需做各种类似侧屈旋转动作的患者;合金板B对椎体影响较小,适合于椎体存在基础疾病等的患者;合金板C可在考虑相关并发症的前提下适当增加下部厚度.该新型合金板仍需进一步实验及临床研究.