使用填充塊可以改善開放式脛骨高位截骨術（OWHTO）初始穩定性，促進骨愈合。然而，填充塊結構及材料對OWHTO的生物力學影響依然不清楚。本文通過對OWHTO解剖型填充塊進行設計建模，采用有限元方法，研究了填充塊結構及材料對OWHTO固定系統固定板、脛骨、螺釘、填充塊的應力和楔形間隙處的微位移影響。在OWHTO引入填充塊后固定板最大應力降低了30%以上，脛骨最大應力下降了15%以上，外側鉸鏈區域最大應力下降了81%。填充塊采用楔形間隙后側位置填充設計時，固定系統最大應力為97.8 MPa，明顯小于其他填充方式，且截骨間隙微位移最小為–2.9 μm，大于其他填充方式。與鈦合金和鉭金屬相比，填充塊采用多孔羥基磷灰石（HA）時可獲得較大的截骨開口間隙微位移以刺激骨愈合。本研究結果表明OWHTO固定系統引入填充塊更好地平衡了整體的應力分布，填充塊結構采用楔形間隙后側位置填充設計可以獲得更優的固定效果，填充塊材料采用多孔HA時骨愈合效果會更好。
引用本文： 張靜, 張嘉寧, 郭磊, 陳世斌, 靳忠民, 陳瑱賢. 開放式脛骨高位截骨術中三維打印填充塊設計的生物力學研究. 生物醫學工程學雜志, 2024, 41(4): 758-765. doi: 10.7507/1001-5515.202403056 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《生物醫學工程學雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
0 引言
脛骨高位截骨術（high tibial osteotomy，HTO）是治療膝關節骨關節炎的有效手術方式之一[1]，由于內固定器的改進，內側開放式脛骨高位截骨術[2]（open wedge high tibial osteotomy，OWHTO）比傳統的外側閉合式脛骨高位截骨術[3]（close wedge high tibial osteotomy，CWHTO）更受歡迎[4]。與CWHTO相比，OWHTO手術方法簡單，可以更精確地矯正下肢力線，矯正角度較大，無需進行腓骨截骨，避免了相關綜合征的發生，且允許早期下地負重，康復更為快速[5]。然而，OWHTO通過截骨調整間隙會在脛骨近端造成一個高度不穩定的楔形空腔結構，為了保證精確的矯正以及截骨區域的快速愈合，手術時會在截骨區域植入足夠穩定的固定板系統[6-8]。
目前已設計出各種各樣的固定板供臨床應用，其中TomoFix固定板因其優異的生物力學特性而被廣泛使用且被公認為金標準[9]，但是固定板尺寸過大可能引起骨界面刺激。Puddu固定板雖然尺寸較小且有更低的局部刺激，但由于外輪廓尺寸過小且厚度太薄可能使得截骨后固定不穩、矯正丟失，這導致相關并發癥較高[10]。解剖固定板雖然平衡了整體應力分布，但是固定板存在過剛度以及楔形間隙延遲愈合或不愈合問題。截骨間隙的存在使得脛骨近端成為高度不穩定的結構，固定板成為機械故障的潛在來源[11]，因此，部分固定板靠近楔口位置設計了凸臺墊塊，以輔助增加楔形切口固定的穩定性。Golovakhа等[12]基于有限元研究發現，帶金屬墊塊的TomoFix固定板的峰值應力是不帶金屬墊塊TomoFix固定板的一半左右，螺釘和脛骨的最大應力也更低。Jang等[13]通過有限元方法對比了Lcfit固定板有無金屬塊對內外側穩定性的影響，發現金屬塊的加入帶來了內側植入物和外側鉸鏈區域之間平衡穩定性的額外優勢。Ha等[14]對比了新型TDM固定板有無金屬墊塊的區別，發現使用金屬墊塊可顯著提高新型固定板的生物力學性能。上述研究中金屬墊塊均采用了較短小尺寸實體矩形塊設計，并沒有按照楔形切口形狀進行設計，更沒有考慮整個楔形間隙內多孔結構填充塊的設計。近年來，隨著三維打印技術的發展，鈦金屬和鉭金屬的多孔植入物越來越多地應用于骨科填充修復骨缺損。多孔金屬填充塊彈性模量接近骨模量，不僅起到填充支撐作用，同時有利于骨長入。但是，當前尚未開展OWHTO多孔填充塊的設計研究，與患者截骨間隙相匹配的解剖型填充塊最優結構尚不明確。
此外，部分學者采用人工合成材料、同種異體骨和自體骨等填充塊進行楔形切口填充[15-16]。Takeuchi等[6]通過循環載荷和極限載荷實驗發現，TomoFix固定板結合β-磷酸三鈣（β-tricalcium phosphate，β-TCP）楔形填充塊改善了截骨部位的初始軸向穩定性和旋轉穩定性。同時，高孔隙率β-TCP顆粒填充塊[17]使骨愈合進展更快且硬化更少，羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）填充塊和同種異體骨有相似的臨床和放射學結果[18]。由此可見，雖然自體骨和同種異體骨臨床難以獲得，但β-TCP和HA材料可以作為替代材料應用于OWHTO截骨間隙進行填充。但是，上述材料制成的楔形填充塊是否可以替代多孔金屬墊塊滿足OWHTO截骨間隙承載和穩定的要求尚未見探討。
本文針對多孔填充塊在OWHTO中的生物力學作用，通過有限元方法對比研究不同填充塊結構設計和材料選擇對OWHTO固定效果的影響，為OWHTO多孔填充塊的設計應用提供理論參考。
1 材料與方法
1.1 幾何模型
本研究招募了一名年齡26歲（身高187 cm，體重85 kg）且膝關節健康的男性志愿者，采集了志愿者的CT影像學數據。將CT數據導入Mimics（17.0版，比利時Materialise公司）三維模型重建軟件，建立了脛骨的三維幾何模型。通過Geomagic Studio（13.0版，美國Geomagic公司）軟件對三維骨骼模型進行封裝和曲面化后處理。將處理完成后的脛骨三維模型導入到Solidworks（2018版，法國Dassault Systemes公司）軟件中對脛骨內側創建一個開口楔形模擬OWHTO截骨，在脛骨平臺下方15 mm處進行截骨，截骨間隙大小為10 mm，外側鉸鏈區域長10 mm[9, 13]。在Solidworks軟件中建立一個類似于Contour-lock固定板的解剖型固定板，長60 mm，寬45 mm，厚3 mm。
根據OWHTO脛骨截骨后楔形切口解剖幾何模型，在SolidWorks軟件中，建立了6種解剖型填充塊結構設計。如圖1所示，考慮填充塊形狀按照楔形切口填充量為全填充、半填充和少填充，提出了三種填充塊結構設計，記為填充塊1、填充塊2、填充塊3。在填充塊3的基礎上，考慮填充位置不同的影響，將填充塊3分為3段，分別為前側填充、中段填充、后側填充三種填充塊設計，記為填充塊4、填充塊5、填充塊6。
圖1
考慮填充位置的填充塊結構示意圖
Figure1.
Diagram of the structures of the filling blocks considering the fill position
1.2 有限元模型
將建立的楔形填充塊、固定板和截骨后脛骨的三維模型導入到Hypermesh（2020，美國Altair公司）軟件中進行網格劃分。楔形填充塊和固定板的網格單元平均尺寸為1 mm，脛骨的網格單元平均尺寸設為2 mm，單元類型均為C3D4。將脛骨網格模型INP文件導入到Mimics軟件中，根據骨密度與彈性模量之間的線性關系[19]，通過計算式(1)~(2)對每個網格單元進行骨骼材料屬性賦值[20]。將賦值后的脛骨模型和固定板網格模型導入到ABAQUS（2020，法國SIMULIA公司）軟件中建立有限元模型。
 |
 |
式中，HU為脛骨CT數據灰度值，ρ為骨密度，E為彈性模量。
固定板采用鈦合金材料（Ti-6AI-4V），彈性模量為110 000 MPa，泊松比為0.3。螺釘材料屬性與固定板材料屬性一致[21]。填充塊材料初始選擇多孔鈦，彈性模量為10 000 MPa，泊松比為0.3[22]。填充塊上下表面-脛骨截骨間隙內表面、脛骨-固定板界面，以及固定板-填充塊界面定義為面面接觸，法向屬性采用默認的硬接觸，切向屬性定義為罰函數，摩擦系數為0.3，不允許主從面網格互相穿透。脛骨-螺釘[23]、固定板螺釘孔-螺釘界面采用綁定約束[21]。
在脛骨平臺上施加ISO
圖2
OWHTO脛骨近端有限元模型
Figure2.
Finite element model of proximal tibia with OWHTO
1.3 參數化研究
按照上述有限元建模方法，首先建立無填充塊和全填充式楔形填充塊OWHTO固定系統的有限元模型，研究有無填充塊對OWHTO固定系統的脛骨、固定板、固定螺釘和填充塊的應力（von Mises等效應力）以及截骨間隙微位移的影響。進而針對6種填充塊分別建立有限元模型，對比研究不同填充塊設計對OWHTO固定的生物力學影響。最后考慮不同材料填充塊對OWTHO固定效果的影響，除了鈦金屬材料，還研究了文獻中報道的多孔鉭、多孔羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、多孔磷酸三鈣（TCP）3種填充塊材料（材料屬性見表1[18, 26-27]）。通過研究發現，填充塊6在滿足穩定性前提下，獲得了最大的截骨間隙微位移和最小的脛骨最大應力。因此，采用填充塊6來研究不同材料選擇對OWHTO固定系統的生物力學影響。
表1
填充塊材料屬性
Table1.
Material properties of filling block
2 結果
有無填充塊對固定系統應力的影響如圖3所示。與未加入填充塊相比，加入全填充式楔形填充塊1后固定板最大應力由157.2 MPa降低到109.6 MPa，降低了30%以上；螺釘最大范式應力由166.1 MPa升高到176.6 MPa，增大了6%。脛骨最大應力由41.4 MPa降低到35.1 MPa，下降了15%以上；外側鉸鏈區域最大應力由41.4 MPa降低到7.5 MPa，下降了81%。加入填充塊后，OWHTO固定系統除螺釘外其他部件應力均降低。
圖3
填充塊對固定系統應力分布的影響
Figure3.
The effect of filling block on von Mises stress distribution of the fixation system
有無填充塊固定系統截骨間隙cc、bb和aa的微位移如圖4所示。加入填充塊1后aa處微位移由52.5 μm降低到–4.8 μm，幅值降低了91%，bb處微位移由–76.1 μm降低到–3.6 μm，降低了95%，cc處微位移由–158.3 μm降低到–2.0 μm，降低了98%，截骨間隙微位移顯著減小。
圖4
有無填充塊截骨間隙cc、bb和aa的微位移比較
Figure4.
The effect of with/ without filling block on the micro-displacement of osteotomy cavity at positions cc, bb, and aa
六種填充塊設計對固定系統應力的影響如圖5所示，各部件最大應力的比較見表2。固定板應力集中在支撐截骨間隙附近的區域，螺釘應力集中在S4螺釘孔周圍，填充塊應力集中在內側，外側鉸鏈區域應力集中在前側區域的楔形尖角處。
圖5
填充塊結構設計對固定系統應力分布的影響
Figure5.
The effect of filling block structures on the von Mises stress distribution of the fixation systems
表2
六種填充塊設計固定系統最大應力（MPa）
Table2.
Maximum stress of six types of filling block design for fixed system (MPa)
六種填充塊截骨間隙cc、bb和aa的微位移如表3所示。六種填充方式都極大地減小了截骨間隙cc、bb、aa處的微位移。
表3
六種填充塊設計截骨間隙cc、bb和aa的微位移（μm）
Table3.
Micro-displacement of the osteotomy cavity at positions cc, bb, and aa of six filler blocks with different designs (μm)
四種材料填充塊對固定系統應力的影響如圖6所示，各部件最大應力的比較見表4。對于后側填充時的填充塊6，隨著材料變化導致彈性模量降低，固定板、螺釘、脛骨和外側鉸鏈區域最大應力增大，固定板應力集中在固定板支撐截骨間隙的位置，螺釘應力集中在S2螺釘上，脛骨應力集中在S4螺釘孔周圍，外側鉸鏈區域應力集中在后側區域。填充塊最大應力減小，應力集中在靠內側區域。
圖6
填充塊材料對固定系統應力分布的影響
Figure6.
The effect of filling block materials on the von Mises stress distribution of the fixation system
表4
四種填充材料下固定系統的最大應力（MPa）
Table4.
The maximum von Mises stress of the fixation system with four filling block materials (MPa)
四種材料填充塊固定情況下截骨間隙cc、bb和aa的微位移如圖7所示。結果表明，隨著彈性模量的減小，截骨間隙處微位移逐漸增大。
圖7
填充塊材料對截骨間隙cc、bb和aa位置的微位移影響
Figure7.
The effect of filling block materials on the micro-displacement of osteotomy cavity at positions cc, bb, and aa
3 討論
加入填充塊之后，脛骨平臺的受力除了沿外側鉸鏈區域和固定板-螺釘系統這兩條路徑傳導外，還增加了從截骨間隙上方-填充塊-截骨間隙下方的路徑，所以外側鉸鏈區域和固定板-螺釘路徑傳遞載荷量減小。由于填充塊的傳遞載荷作用及對截骨間隙的支撐，使截骨間隙微位移極大地減小，提升了術后穩定性。因此，與未加入填充塊相比，加入填充塊后OWHTO系統各部件應力降低，平衡了內側植入物與外側鉸鏈區域的應力分布，增大了截骨區域的穩定性，改善了OWHTO的生物力學效果。
填充塊設計1向填充塊設計3簡化的過程中，隨著填充量的減少，固定板應力略有增大，螺釘應力略有減小，脛骨與外側鉸鏈區域應力相差不大。cc處微位移略有增加，bb處和aa處微位移減少。由此可見，楔形間隙沒有必要全部填充。進一步對填充塊3進行優化，從填充塊4到填充塊6，當填充位置不同時，前側位置填充塊系統的固定板、脛骨以及螺釘應力最大，后側位置填充塊系統的固定板、脛骨以及螺釘應力最小，cc處微位移無明顯變化，bb處和aa處微位移增加。綜合考慮固定系統與脛骨的應力分布以及微位移后，選擇后側位置填充的填充塊6設計為最佳方案，這與文獻中研究結果[28]相吻合。
由于引入填充塊后增強了截骨間隙的穩定性，因此固定板材料可以選擇剛度較低的鎂合金或PEEK材料以減少應力屏蔽效應并促進骨愈合，同時可以在合理范圍內選擇更薄的固定板來搭配填充塊的使用，厚度為2.25 mm的固定板可以搭配材料為多孔鉭或多孔HA的填充塊，可滿足低體重患者或正常患者的術后需求，厚度為2.65 mm的固定板可以搭配材料為多孔鉭或多孔鈦的填充塊，可滿足超重患者或重負荷患者的術后需求。
填充塊材料的選取對OWHTO固定效果有顯著影響。載荷從脛骨平臺傳遞下來后，有如下傳遞路徑：① 脛骨平臺-固定板與螺釘-脛骨遠端；② 脛骨平臺-外側鉸鏈區域-脛骨遠端；③ 脛骨平臺-填充塊-脛骨遠端。隨著填充塊材料彈性模量的減小，脛骨平臺-填充塊-脛骨遠端此路徑剛度降低，承擔載荷降低。由于載荷總量固定不變，其余兩條路線傳遞的載荷增大，使得固定板、螺釘和脛骨最大應力增大。固定板最大應力集中在支撐截骨間隙的位置，螺釘最大應力集中在S1螺釘，脛骨最大應力集中在S5螺釘孔和S3螺釘孔周圍。隨著填充塊彈性模量的減小，截骨間隙微位移增大，由于填充塊彈性模量越小，OWHTO系統整體剛度越低，導致截骨間隙穩定性降低，同時，外側鉸鏈區域最大應力增大，增加了該區域的骨折風險。
填充塊材料為多孔HA時，填充塊6最大截骨間隙cc處微位移為–15.8 μm；填充塊材料為多孔TCP時，cc處微位移峰值為–80.1 μm，盡管微動幅值仍在允許骨愈合的安全范圍之內，但超過了刺激骨愈合的適宜范圍[7]。相比于多孔TCP材料，填充塊6采用多孔HA材料減小了固定板和脛骨最大應力，改善了內側植入物的應力分布，且在滿足截骨區域穩定性的前提下取得了較大的微位移以有效刺激骨愈合。因此，考慮到維持穩定性的同時有效刺激骨愈合，填充塊材料采用多孔HA是不錯的選擇。
本研究也存在一些局限性。首先，本文只模擬了步態周期脛骨最大承載時的情況，沒有考慮下蹲、上下樓等生理活動對結果的影響。其次，本文僅考慮了現有文獻報道的幾種填充塊材料屬性，并沒有針對材料開展系統研究，后續應針對不同多孔結構的填充塊材料進行研究。第三，由于本文目標是設計方案的探索研究，脛骨建模采用了正常人的影像學數據，但在針對具體患者的術后效果評估時，應采用更多真實病例進行研究，以保證結果接近實際情況。最后，為了促進模型的收斂，軟骨、半月板和腓骨等組織沒有被考慮在內。此外，三維模型被簡化，使用圓柱代替螺釘，可能一定程度上低估了螺釘周圍應力，但這種簡化方法廣泛用于OWHTO有限元研究[21-23]。
4 結論
本文基于不同填充塊結構與材料選取，研究了OWHTO系統加入不同填充塊設計后對術后整體生物力學性能的影響。研究表明OWHTO引入填充塊后提高了固定系統的穩定性，改善了內側植入物與外側鉸鏈區域的應力分布，在一定程度上減小了應力屏蔽效應。采用截骨間隙后側填充的填充塊6設計和多孔HA材料，不僅有利于改善OWHTO固定的穩定性，還有利于促進截骨間隙骨愈合。本研究有助于理解填充塊對OWHTO生物力學性能的影響，推動OWHTO固定系統填充塊設計的創新發展。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：本文由張靜撰寫，張嘉寧完成研究設計和數據分析，郭磊牽頭撰寫文章，陳瑱賢校對所有草稿，靳忠民對論文做出第一次指導，陳世斌對文章進行客觀審校。
倫理聲明：本研究已通過西安交通大學附屬紅會醫院醫學生物科研倫理審批（編號：
0 引言
脛骨高位截骨術（high tibial osteotomy，HTO）是治療膝關節骨關節炎的有效手術方式之一[1]，由于內固定器的改進，內側開放式脛骨高位截骨術[2]（open wedge high tibial osteotomy，OWHTO）比傳統的外側閉合式脛骨高位截骨術[3]（close wedge high tibial osteotomy，CWHTO）更受歡迎[4]。與CWHTO相比，OWHTO手術方法簡單，可以更精確地矯正下肢力線，矯正角度較大，無需進行腓骨截骨，避免了相關綜合征的發生，且允許早期下地負重，康復更為快速[5]。然而，OWHTO通過截骨調整間隙會在脛骨近端造成一個高度不穩定的楔形空腔結構，為了保證精確的矯正以及截骨區域的快速愈合，手術時會在截骨區域植入足夠穩定的固定板系統[6-8]。
目前已設計出各種各樣的固定板供臨床應用，其中TomoFix固定板因其優異的生物力學特性而被廣泛使用且被公認為金標準[9]，但是固定板尺寸過大可能引起骨界面刺激。Puddu固定板雖然尺寸較小且有更低的局部刺激，但由于外輪廓尺寸過小且厚度太薄可能使得截骨后固定不穩、矯正丟失，這導致相關并發癥較高[10]。解剖固定板雖然平衡了整體應力分布，但是固定板存在過剛度以及楔形間隙延遲愈合或不愈合問題。截骨間隙的存在使得脛骨近端成為高度不穩定的結構，固定板成為機械故障的潛在來源[11]，因此，部分固定板靠近楔口位置設計了凸臺墊塊，以輔助增加楔形切口固定的穩定性。Golovakhа等[12]基于有限元研究發現，帶金屬墊塊的TomoFix固定板的峰值應力是不帶金屬墊塊TomoFix固定板的一半左右，螺釘和脛骨的最大應力也更低。Jang等[13]通過有限元方法對比了Lcfit固定板有無金屬塊對內外側穩定性的影響，發現金屬塊的加入帶來了內側植入物和外側鉸鏈區域之間平衡穩定性的額外優勢。Ha等[14]對比了新型TDM固定板有無金屬墊塊的區別，發現使用金屬墊塊可顯著提高新型固定板的生物力學性能。上述研究中金屬墊塊均采用了較短小尺寸實體矩形塊設計，并沒有按照楔形切口形狀進行設計，更沒有考慮整個楔形間隙內多孔結構填充塊的設計。近年來，隨著三維打印技術的發展，鈦金屬和鉭金屬的多孔植入物越來越多地應用于骨科填充修復骨缺損。多孔金屬填充塊彈性模量接近骨模量，不僅起到填充支撐作用，同時有利于骨長入。但是，當前尚未開展OWHTO多孔填充塊的設計研究，與患者截骨間隙相匹配的解剖型填充塊最優結構尚不明確。
此外，部分學者采用人工合成材料、同種異體骨和自體骨等填充塊進行楔形切口填充[15-16]。Takeuchi等[6]通過循環載荷和極限載荷實驗發現，TomoFix固定板結合β-磷酸三鈣（β-tricalcium phosphate，β-TCP）楔形填充塊改善了截骨部位的初始軸向穩定性和旋轉穩定性。同時，高孔隙率β-TCP顆粒填充塊[17]使骨愈合進展更快且硬化更少，羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）填充塊和同種異體骨有相似的臨床和放射學結果[18]。由此可見，雖然自體骨和同種異體骨臨床難以獲得，但β-TCP和HA材料可以作為替代材料應用于OWHTO截骨間隙進行填充。但是，上述材料制成的楔形填充塊是否可以替代多孔金屬墊塊滿足OWHTO截骨間隙承載和穩定的要求尚未見探討。
本文針對多孔填充塊在OWHTO中的生物力學作用，通過有限元方法對比研究不同填充塊結構設計和材料選擇對OWHTO固定效果的影響，為OWHTO多孔填充塊的設計應用提供理論參考。
1 材料與方法
1.1 幾何模型
本研究招募了一名年齡26歲（身高187 cm，體重85 kg）且膝關節健康的男性志愿者，采集了志愿者的CT影像學數據。將CT數據導入Mimics（17.0版，比利時Materialise公司）三維模型重建軟件，建立了脛骨的三維幾何模型。通過Geomagic Studio（13.0版，美國Geomagic公司）軟件對三維骨骼模型進行封裝和曲面化后處理。將處理完成后的脛骨三維模型導入到Solidworks（2018版，法國Dassault Systemes公司）軟件中對脛骨內側創建一個開口楔形模擬OWHTO截骨，在脛骨平臺下方15 mm處進行截骨，截骨間隙大小為10 mm，外側鉸鏈區域長10 mm[9, 13]。在Solidworks軟件中建立一個類似于Contour-lock固定板的解剖型固定板，長60 mm，寬45 mm，厚3 mm。
根據OWHTO脛骨截骨后楔形切口解剖幾何模型，在SolidWorks軟件中，建立了6種解剖型填充塊結構設計。如圖1所示，考慮填充塊形狀按照楔形切口填充量為全填充、半填充和少填充，提出了三種填充塊結構設計，記為填充塊1、填充塊2、填充塊3。在填充塊3的基礎上，考慮填充位置不同的影響，將填充塊3分為3段，分別為前側填充、中段填充、后側填充三種填充塊設計，記為填充塊4、填充塊5、填充塊6。
圖1
考慮填充位置的填充塊結構示意圖
Figure1.
Diagram of the structures of the filling blocks considering the fill position
1.2 有限元模型
將建立的楔形填充塊、固定板和截骨后脛骨的三維模型導入到Hypermesh（2020，美國Altair公司）軟件中進行網格劃分。楔形填充塊和固定板的網格單元平均尺寸為1 mm，脛骨的網格單元平均尺寸設為2 mm，單元類型均為C3D4。將脛骨網格模型INP文件導入到Mimics軟件中，根據骨密度與彈性模量之間的線性關系[19]，通過計算式(1)~(2)對每個網格單元進行骨骼材料屬性賦值[20]。將賦值后的脛骨模型和固定板網格模型導入到ABAQUS（2020，法國SIMULIA公司）軟件中建立有限元模型。
|
|
式中，HU為脛骨CT數據灰度值，ρ為骨密度，E為彈性模量。
固定板采用鈦合金材料（Ti-6AI-4V），彈性模量為110 000 MPa，泊松比為0.3。螺釘材料屬性與固定板材料屬性一致[21]。填充塊材料初始選擇多孔鈦，彈性模量為10 000 MPa，泊松比為0.3[22]。填充塊上下表面-脛骨截骨間隙內表面、脛骨-固定板界面，以及固定板-填充塊界面定義為面面接觸，法向屬性采用默認的硬接觸，切向屬性定義為罰函數，摩擦系數為0.3，不允許主從面網格互相穿透。脛骨-螺釘[23]、固定板螺釘孔-螺釘界面采用綁定約束[21]。
在脛骨平臺上施加ISO
圖2
OWHTO脛骨近端有限元模型
Figure2.
Finite element model of proximal tibia with OWHTO
1.3 參數化研究
按照上述有限元建模方法，首先建立無填充塊和全填充式楔形填充塊OWHTO固定系統的有限元模型，研究有無填充塊對OWHTO固定系統的脛骨、固定板、固定螺釘和填充塊的應力（von Mises等效應力）以及截骨間隙微位移的影響。進而針對6種填充塊分別建立有限元模型，對比研究不同填充塊設計對OWHTO固定的生物力學影響。最后考慮不同材料填充塊對OWTHO固定效果的影響，除了鈦金屬材料，還研究了文獻中報道的多孔鉭、多孔羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、多孔磷酸三鈣（TCP）3種填充塊材料（材料屬性見表1[18, 26-27]）。通過研究發現，填充塊6在滿足穩定性前提下，獲得了最大的截骨間隙微位移和最小的脛骨最大應力。因此，采用填充塊6來研究不同材料選擇對OWHTO固定系統的生物力學影響。
表1
填充塊材料屬性
Table1.
Material properties of filling block
2 結果
有無填充塊對固定系統應力的影響如圖3所示。與未加入填充塊相比，加入全填充式楔形填充塊1后固定板最大應力由157.2 MPa降低到109.6 MPa，降低了30%以上；螺釘最大范式應力由166.1 MPa升高到176.6 MPa，增大了6%。脛骨最大應力由41.4 MPa降低到35.1 MPa，下降了15%以上；外側鉸鏈區域最大應力由41.4 MPa降低到7.5 MPa，下降了81%。加入填充塊后，OWHTO固定系統除螺釘外其他部件應力均降低。
圖3
填充塊對固定系統應力分布的影響
Figure3.
The effect of filling block on von Mises stress distribution of the fixation system
有無填充塊固定系統截骨間隙cc、bb和aa的微位移如圖4所示。加入填充塊1后aa處微位移由52.5 μm降低到–4.8 μm，幅值降低了91%，bb處微位移由–76.1 μm降低到–3.6 μm，降低了95%，cc處微位移由–158.3 μm降低到–2.0 μm，降低了98%，截骨間隙微位移顯著減小。
圖4
有無填充塊截骨間隙cc、bb和aa的微位移比較
Figure4.
The effect of with/ without filling block on the micro-displacement of osteotomy cavity at positions cc, bb, and aa
六種填充塊設計對固定系統應力的影響如圖5所示，各部件最大應力的比較見表2。固定板應力集中在支撐截骨間隙附近的區域，螺釘應力集中在S4螺釘孔周圍，填充塊應力集中在內側，外側鉸鏈區域應力集中在前側區域的楔形尖角處。
圖5
填充塊結構設計對固定系統應力分布的影響
Figure5.
The effect of filling block structures on the von Mises stress distribution of the fixation systems
表2
六種填充塊設計固定系統最大應力（MPa）
Table2.
Maximum stress of six types of filling block design for fixed system (MPa)
六種填充塊截骨間隙cc、bb和aa的微位移如表3所示。六種填充方式都極大地減小了截骨間隙cc、bb、aa處的微位移。
表3
六種填充塊設計截骨間隙cc、bb和aa的微位移（μm）
Table3.
Micro-displacement of the osteotomy cavity at positions cc, bb, and aa of six filler blocks with different designs (μm)
四種材料填充塊對固定系統應力的影響如圖6所示，各部件最大應力的比較見表4。對于后側填充時的填充塊6，隨著材料變化導致彈性模量降低，固定板、螺釘、脛骨和外側鉸鏈區域最大應力增大，固定板應力集中在固定板支撐截骨間隙的位置，螺釘應力集中在S2螺釘上，脛骨應力集中在S4螺釘孔周圍，外側鉸鏈區域應力集中在后側區域。填充塊最大應力減小，應力集中在靠內側區域。
圖6
填充塊材料對固定系統應力分布的影響
Figure6.
The effect of filling block materials on the von Mises stress distribution of the fixation system
表4
四種填充材料下固定系統的最大應力（MPa）
Table4.
The maximum von Mises stress of the fixation system with four filling block materials (MPa)
四種材料填充塊固定情況下截骨間隙cc、bb和aa的微位移如圖7所示。結果表明，隨著彈性模量的減小，截骨間隙處微位移逐漸增大。
圖7
填充塊材料對截骨間隙cc、bb和aa位置的微位移影響
Figure7.
The effect of filling block materials on the micro-displacement of osteotomy cavity at positions cc, bb, and aa
3 討論
加入填充塊之后，脛骨平臺的受力除了沿外側鉸鏈區域和固定板-螺釘系統這兩條路徑傳導外，還增加了從截骨間隙上方-填充塊-截骨間隙下方的路徑，所以外側鉸鏈區域和固定板-螺釘路徑傳遞載荷量減小。由于填充塊的傳遞載荷作用及對截骨間隙的支撐，使截骨間隙微位移極大地減小，提升了術后穩定性。因此，與未加入填充塊相比，加入填充塊后OWHTO系統各部件應力降低，平衡了內側植入物與外側鉸鏈區域的應力分布，增大了截骨區域的穩定性，改善了OWHTO的生物力學效果。
填充塊設計1向填充塊設計3簡化的過程中，隨著填充量的減少，固定板應力略有增大，螺釘應力略有減小，脛骨與外側鉸鏈區域應力相差不大。cc處微位移略有增加，bb處和aa處微位移減少。由此可見，楔形間隙沒有必要全部填充。進一步對填充塊3進行優化，從填充塊4到填充塊6，當填充位置不同時，前側位置填充塊系統的固定板、脛骨以及螺釘應力最大，后側位置填充塊系統的固定板、脛骨以及螺釘應力最小，cc處微位移無明顯變化，bb處和aa處微位移增加。綜合考慮固定系統與脛骨的應力分布以及微位移后，選擇后側位置填充的填充塊6設計為最佳方案，這與文獻中研究結果[28]相吻合。
由于引入填充塊后增強了截骨間隙的穩定性，因此固定板材料可以選擇剛度較低的鎂合金或PEEK材料以減少應力屏蔽效應并促進骨愈合，同時可以在合理范圍內選擇更薄的固定板來搭配填充塊的使用，厚度為2.25 mm的固定板可以搭配材料為多孔鉭或多孔HA的填充塊，可滿足低體重患者或正常患者的術后需求，厚度為2.65 mm的固定板可以搭配材料為多孔鉭或多孔鈦的填充塊，可滿足超重患者或重負荷患者的術后需求。
填充塊材料的選取對OWHTO固定效果有顯著影響。載荷從脛骨平臺傳遞下來后，有如下傳遞路徑：① 脛骨平臺-固定板與螺釘-脛骨遠端；② 脛骨平臺-外側鉸鏈區域-脛骨遠端；③ 脛骨平臺-填充塊-脛骨遠端。隨著填充塊材料彈性模量的減小，脛骨平臺-填充塊-脛骨遠端此路徑剛度降低，承擔載荷降低。由于載荷總量固定不變，其余兩條路線傳遞的載荷增大，使得固定板、螺釘和脛骨最大應力增大。固定板最大應力集中在支撐截骨間隙的位置，螺釘最大應力集中在S1螺釘，脛骨最大應力集中在S5螺釘孔和S3螺釘孔周圍。隨著填充塊彈性模量的減小，截骨間隙微位移增大，由于填充塊彈性模量越小，OWHTO系統整體剛度越低，導致截骨間隙穩定性降低，同時，外側鉸鏈區域最大應力增大，增加了該區域的骨折風險。
填充塊材料為多孔HA時，填充塊6最大截骨間隙cc處微位移為–15.8 μm；填充塊材料為多孔TCP時，cc處微位移峰值為–80.1 μm，盡管微動幅值仍在允許骨愈合的安全范圍之內，但超過了刺激骨愈合的適宜范圍[7]。相比于多孔TCP材料，填充塊6采用多孔HA材料減小了固定板和脛骨最大應力，改善了內側植入物的應力分布，且在滿足截骨區域穩定性的前提下取得了較大的微位移以有效刺激骨愈合。因此，考慮到維持穩定性的同時有效刺激骨愈合，填充塊材料采用多孔HA是不錯的選擇。
本研究也存在一些局限性。首先，本文只模擬了步態周期脛骨最大承載時的情況，沒有考慮下蹲、上下樓等生理活動對結果的影響。其次，本文僅考慮了現有文獻報道的幾種填充塊材料屬性，并沒有針對材料開展系統研究，后續應針對不同多孔結構的填充塊材料進行研究。第三，由于本文目標是設計方案的探索研究，脛骨建模采用了正常人的影像學數據，但在針對具體患者的術后效果評估時，應采用更多真實病例進行研究，以保證結果接近實際情況。最后，為了促進模型的收斂，軟骨、半月板和腓骨等組織沒有被考慮在內。此外，三維模型被簡化，使用圓柱代替螺釘，可能一定程度上低估了螺釘周圍應力，但這種簡化方法廣泛用于OWHTO有限元研究[21-23]。
4 結論
本文基于不同填充塊結構與材料選取，研究了OWHTO系統加入不同填充塊設計后對術后整體生物力學性能的影響。研究表明OWHTO引入填充塊后提高了固定系統的穩定性，改善了內側植入物與外側鉸鏈區域的應力分布，在一定程度上減小了應力屏蔽效應。采用截骨間隙后側填充的填充塊6設計和多孔HA材料，不僅有利于改善OWHTO固定的穩定性，還有利于促進截骨間隙骨愈合。本研究有助于理解填充塊對OWHTO生物力學性能的影響，推動OWHTO固定系統填充塊設計的創新發展。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：本文由張靜撰寫，張嘉寧完成研究設計和數據分析，郭磊牽頭撰寫文章，陳瑱賢校對所有草稿，靳忠民對論文做出第一次指導，陳世斌對文章進行客觀審校。
倫理聲明：本研究已通過西安交通大學附屬紅會醫院醫學生物科研倫理審批（編號：
