骨修復中の整形外科用スクリューの生体力学的解析

[Biomechanical Analysis of Orthopedic Screw Under Bone Remodeling].

• Dengyan Long
• Aimin Ji
• Zhonghang Zhao

抄録

チタン合金製スクリューの骨修復下における生体力学的安定性を評価するために、構造パラメータの異なるチタン合金製スクリューの3次元有限要素モデルを構築し、スクリュー埋入後の骨修復過程をシミュレーションしました。三次元有限要素モデルは、長さと直径の異なる骨とスクリューで構成されている。骨修復過程は、ユーザー定義のサブルーチンを用いてシミュレーションを行った。その結果、骨にかかる応力は内ネジの溝と根元に集中していることがわかった。スクリューの応力は主にネジの始端部に集中し、全体の応力はネジの長軸に沿って減少する。骨とスクリューの応力分布傾向は、骨のリモデリング中に大きな変化は見られなかった。最大等価応力値は異なり，スクリューと海綿骨の最大等価応力値は増加し，皮質骨の最大等価応力値は減少した．

In order to evaluate the biomechanical stability of titanium alloy screw with different structural parameters under bone remodeling, some three-dimensional finite element models were established and the bone remodeling process after implanting the screw was simulated. Three-dimensional finite element models consist of bone and screw with different lengths and diameters. Bone remodeling process was simulated by user-defined subroutine. It is found that the stress on the bone is concentrated on the groove and root of the internal thread. The screw stress is mainly on the beginning of the thread, and the whole stress decreases along the long axis of the screw. The stress distribution trend of bone and screw did not change significantly during the bone remodeling. The maximum equivalent stress value was different, the maximum equivalent stress on the screw and cancellous bone increased while the maximum equivalent stress value on the cortical bone decreased.