髄内骨折固定用弾性セルフロッキング釘の力学的挙動.革新的な爪設計の数値解析

Mechanical Behavior of Elastic Self-Locking Nails for Intramedullary Fracture Fixation: A Numerical Analysis of Innovative Nail Designs.

• Giovanni Putame
• Giulia Pascoletti
• Mara Terzini
• Elisabetta M Zanetti
• Alberto L Audenino

抄録

髄内釘は、髄外固定装置に代わる有効な手段であり、特にセルフロック式釘の使用は近年増加しています。様々なデザインがありますが、それぞれの性能を予測し、骨や骨折の種類に関連した臨床的な適応を示すことは容易ではありません。本研究では、臨床で使用されているものと2つの新しい釘打ち装置の機械的挙動を比較するために、数値的方法論を設定し、検証しました。詳細には、3つの異なる釘が研究された。(1)Marchetti-Vicenzi's nail(MV)、(2)この装置の改訂コンセプト(MV)、(3)新しいTerzini-Putame's nail(TP)コンセプトである。まず，MV装置の機械的挙動を，装置が埋め込まれた骨の形状を再現することを目的とした3Dプリント部品を用いた実験的な負荷試験により評価した．次に、フレキシブルパーツを含むマルチボディアプローチに基づいて、それぞれの数値モデルを作成し、これまでに得られた実験結果と比較して検証を行いました。最後に、MVとTPの概念の数値モデルを実装し、圧縮、引張、曲げ、ねじりに対するすべてのデバイスの応答に注目してMVネイルとの比較を行った。安定性指数（SI）を定義し、様々な荷重条件に対して弾性セルフロック機構が爪骨アセンブリに与える機械的安定性を定量化した。さらに、力/モーメント対変位/回転曲線から計算された爪骨組立体の剛性に関する結果を提示し、議論した。その結果、数値モデルは荷重対変位曲線の良好な推定値を提供できることが明らかになった。TP釘のコンセプトは、同様の性能を示した他の2つの装置と比較して、大幅に高いSI(MVでは27N、TPでは380N)と大きな剛性作用(曲げ荷重に対する剛性差がMVでは370Nmm/°からTPでは1,532Nmm/°まで)を発生させることができることが証明された。全体として、拡張性のある固定装置の数値シミュレーションから得られる情報を示した。

Intramedullary nails constitute a viable alternative to extramedullary fixation devices; their use is growing in recent years, especially with reference to self-locking nails. Different designs are available, and it is not trivial to foresee the respective performances and to provide clinical indications in relation to the type of bone and fracture. In this work a numerical methodology was set up and validated in order to compare the mechanical behavior of two new nailing device concepts with one already used in clinic. In detail, three different nails were studied: (1) the Marchetti-Vicenzi's nail (MV), (2) a revised concept of this device (MV), and (3) a new Terzini-Putame's nail (TP) concept. Firstly, the mechanical behavior of the MV device was assessed through experimental loading tests employing a 3D-printed component aimed at reproducing the bone geometry inside which the device is implanted. In the next step, the respective numerical model was created, based on a multibody approach including flexible parts, and this model was validated against the previously obtained experimental results. Finally, numerical models of the MV and TP concepts were implemented and compared with the MV nail, focusing the attention on the response of all devices to compression, tension, bending, and torsion. A stability index (SI) was defined to quantify the mechanical stability provided to the nail-bone assembly by the elastic self-locking mechanism for the various loading conditions. In addition, results in terms of nail-bone assembly stiffness, computed from force/moment vs. displacement/rotation curves, were presented and discussed. Findings revealed that numerical models were able to provide good estimates of load vs. displacement curves. The TP nail concept proved to be able to generate a significantly higher SI (27 N for MV vs. 380 N for TP) and a greater stiffening action (up to a stiffness difference for bending load that ranges from 370 Nmm/° for MV to 1,532 Nmm/° for TP) than the other two devices which showed similar performances. On the whole, a demonstration was given of information which can be obtained from numerical simulations of expandable fixation devices.

Copyright © 2020 Putame, Pascoletti, Terzini, Zanetti and Audenino.