斷裂力學(xué)：材料在不斷負荷作用下發(fā)生微裂紋，導(dǎo)致材料剛度和強度等降低，微裂紋積累到一定程度就出現(xiàn)裂紋擴展，繼而發(fā)生大面積的裂紋，進而導(dǎo)致材料的折斷和失效。斷裂是連續(xù)的，斷裂力學(xué)可直接分析構(gòu)件的受力和破壞過程，因此可將脆性骨折的發(fā)生過程細化為“骨密度降低-骨小梁微損傷-裂紋拓展-微骨折-骨質(zhì)斷裂”的一個完整過程。

載荷速率與骨折的關(guān)系：載荷速率對松質(zhì)骨的極限應(yīng)力、彈性模量、破壞能及最小應(yīng)力的影響，是結(jié)合了各向異性度與表面密度后的綜合結(jié)果，其中與極限應(yīng)力的相關(guān)性最高，其次是彈性模量、最小應(yīng)力，最后才是破壞能、載荷速率對骨折裂紋的影響，實際上是載荷速率改變骨的各種材料屬性后在宏觀上的表現(xiàn)。

跌倒是骨質(zhì)疏松性髖部骨折的最重要因素之一，側(cè)方跌倒所致的髖部骨折占所有髖部骨折的90%以上[1]，跌倒高度決定了作用在髖部的載荷速率。從股骨近端撞擊地面開始至骨折完全形成，跌倒載荷先增加至屈服應(yīng)力，骨質(zhì)斷裂后迅速降低至消失[2]，而載荷速率的冪與骨的最大剪切載荷、剪切模量均呈正比[3]，表明載荷速率可能也是影響骨折斷裂行為的重要原因。但載荷速率是如何影響髖部骨折的發(fā)生發(fā)展，目前仍缺乏直觀的方法。

骨折發(fā)生發(fā)展是個動態(tài)過程[4]，傳統(tǒng)的有限元方法不能很好地預(yù)測及展示骨折發(fā)生的確切起點、骨質(zhì)斷裂過程及該過程的應(yīng)力、應(yīng)變、裂紋擴展情況。研究旨在基于斷裂力學(xué)，以股骨近端有限元斷裂模型探究跌倒載荷速率對股骨頸骨折裂紋擴展的影響，為深入理解髖部骨折的發(fā)生機制提供參考。

?材料和方法?

建立三維模型

將Dicom格式的CT資料導(dǎo)入Mimics19.0中，經(jīng)過區(qū)域增長、腔隙填充、編輯蒙罩、包裹、光滑等步驟初步建立三維模型，導(dǎo)出為stl文件。

網(wǎng)格劃分、材料屬性定義及邊界條件設(shè)置

將stl文件導(dǎo)入Hypermesh14.0進行體網(wǎng)格劃分，將模型屬性定義為隨動塑性，根據(jù)參考文獻分別設(shè)置骨質(zhì)疏松性股骨骨皮質(zhì)、主要應(yīng)力骨小梁及普通松質(zhì)骨的表觀密度、彈性模量、屈服應(yīng)力、泊松比等材料屬性參數(shù)，見表1。邊界條件設(shè)定股骨干和大轉(zhuǎn)子固定。

設(shè)置載荷

由于股骨在內(nèi)旋、內(nèi)收位時股骨頸及轉(zhuǎn)子間將承受最大應(yīng)力，故載荷方向設(shè)置為與冠狀面、矢狀面、水平面均呈30°。最大載荷均設(shè)置為5000MPa，載荷速率函數(shù)分別設(shè)置為：F1=2500t，t≤2s；F2=(10000/3)t，t≤1.5s；F3=5000t，t≤1s；F4=10000t，t≤0.5s。導(dǎo)出求解文件K文件。

主要觀察指標(biāo)

模型斷裂時刻及VonMises云圖，骨折主裂紋尖端應(yīng)變、裂紋擴展時間及速率。

?結(jié)果?

斷裂起始時Von Mises及應(yīng)變云圖

在4種載荷速率下，骨折起始裂紋均出現(xiàn)在股骨頸下后方，起始裂紋長度呈載荷速率依賴性。皮質(zhì)骨斷裂時的最大應(yīng)力均分布在股骨頸后外側(cè)，并且隨著載荷速率升高，應(yīng)力分布范圍從轉(zhuǎn)子間逐漸向股骨頸縮小。與應(yīng)力云圖相似，股骨頸的壓縮應(yīng)變主要集中在股骨頸下后方，在裂紋走行處出現(xiàn)最大應(yīng)變值。應(yīng)變云圖變化趨勢不如應(yīng)力云圖明顯。

2.3裂紋擴展過程

隨著載荷速率的升高，皮質(zhì)骨的起始、完全斷裂時刻均提前，但完全斷裂時刻提前幅度較前者更顯著，使得裂紋擴展時間明顯縮短，并且裂紋擴展速率與載荷速率呈正相關(guān)，但裂紋總長度與載荷速率負相關(guān)的程度不明顯，見圖3。

4種載荷速率下的主裂紋尖端應(yīng)力并無明顯增減規(guī)律，但裂紋尖端應(yīng)變則與載荷速率呈負相關(guān)，見圖4，表2。

討論

裂紋擴展阻力曲線是描述材料斷裂擴展過程的重要指標(biāo)，曲線斜率表征裂紋擴展過程中裂紋尖端抵抗裂紋擴展的能力，這種能力通常是外圍增韌的結(jié)果，如裂紋尖端的橋聯(lián)增韌、晶粒橋聯(lián)增韌等。無論是靜態(tài)還是動態(tài)載荷下，由于尖端塑性區(qū)及微裂紋的形成，骨裂紋擴展過程中均會出現(xiàn)裂紋尖端橋聯(lián)、晶粒增韌效應(yīng)，但此效應(yīng)與載荷速率呈負相關(guān)：隨著載荷速率升高，R曲線斜率降低，骨材料的平均起始斷裂強度降低，尖端骨組織橋聯(lián)程度降低，裂紋尖端外圍損壞減少，裂紋尖端鈍化不顯著，從而降低骨的塑性應(yīng)變，因此脆性骨折裂紋出現(xiàn)更早、擴展速度更快。此次實驗中，隨著載荷速率的增大，各骨折模型的裂紋尖端應(yīng)變亦隨之降低，裂紋開始時間提前，裂紋擴展時間縮短均與此結(jié)果相吻合。

研究髖部骨折的斷裂行為具有重要意義。中國老齡化社會日趨明顯，髖部骨折發(fā)生率日趨增加，有限元斷裂模擬能為深入理解髖部骨折發(fā)生機制提供最直觀的方法，從而指導(dǎo)臨床，如逆斷裂機制進行骨折復(fù)位，并選擇相應(yīng)的術(shù)式及內(nèi)固定物。實驗中各模型應(yīng)力分布集中于股骨頸后外側(cè)，即載荷對側(cè)，與目前大多數(shù)研究結(jié)果一致，但裂紋發(fā)生處并非處于應(yīng)力云圖中心，而是應(yīng)變云圖中心，表明僅僅依靠應(yīng)力云圖并不能準(zhǔn)確預(yù)測骨折發(fā)生確切位置，由此可認(rèn)為，目前靜態(tài)載荷下依靠應(yīng)力云圖來準(zhǔn)確判斷骨折內(nèi)固定失效存在一定偏差。實驗所采用方法及相關(guān)軟件能對股骨模型進行內(nèi)固定裝配，并進行內(nèi)固定失效仿真，從而研究髖部骨折內(nèi)固定失效的生物力學(xué)機制，具有重要的實際意義。