بررسي نوسازي استخوان در اطراف پيچ اورتوپدي هدفمند و مقايسه با پيچ ‏فلزي با استفاده از روش اجزاي محدود

پيچ هاي اورتوپدي ابزار رايجي براي تثبيت استخوان شكسته محسوب مي‌شوند. شل?شدن پيچ ها در اثر نبودن تنش كافي در ‏استخوان مجاور پيچ و جذب استخوان ناشي از آن، يكي از عوامل موفق نبودن ترميم?شكستگي ها است. در اين مطالعه، پيچ ‏اورتوپدي هدفمند از ماده تيتانيوم و هيدروكسي اپتايت، ‏Ti-Hap، همراه استخوان هاي اسفنجي و متراكم در نرم‌افزار اجزاي ‏محدود، مدلسازي شده است. پارامتر انتقال تنش، ‏STP‏ و پارامتر انتقال چگالي انرژي كرنشي، ‏SEDTP‏ تعريف مي‎ ‎شود كه به ‏ترتيب نسبت تنش و نسبت چگالي انرژي كرنشي را در دندانه‎ ‎هاي پيچ به نقاط مجاور در استخوان بيان مي كنند. مقادير كم اين ‏پارامترها انتقال ضعيف تنش و چگالي انرژي كرنشي را به استخوان مجاور نشان مي دهد كه نشانه اي از پديده مضر سپر تنش ‏است. نتايج اين تحقيق نشان داد كه مقدار پارامترهاي ‏STP‏ و ‏SEDTP، براي پيچ هدفمند در مقايسه با پيچ فلزي، بيشتر است. ‏بعلاوه با كاهش مدول الاستيسيته جز فلزي و با افزايش جز حجمي سراميك، آثار منفي سپر تنش كاهش مي يابد. براي پيچي ‏كه داراي يك قسمت همگن و يك قسمت هدفمند است؛ هر چه طول قسمت هدفمند بيشتر باشد، پارامترها مقدار بزرگتري را ‏نشان مي دهند. بنابراين اثر سپر تنشي و مقدار شل‌شدگي پيچ كاهش مي يابد. همچنين هر چه قسمت هدفمند در موقعيتي ‏نزديك‌تر به دندانه هاي ابتدايي قرار گيرد، مقدار پارامترهاي ‏STP‏ و ‏SEDTP، افزايش مي يابد. به علاوه نتايج نشان داد با كاهش ‏توان تركيب توزيعي كه نشان‌دهنده نحوه تغيير تركيب هدفمند از فلز به سراميك است، مقدار پارامترها افزايش مي يابد. نتايج ‏اين تحقيق با مطالعات باليني و آزمايشگاهي در دسترس، تطابق خوبي دارد.‏

Orthopedic screws are widely used devices for fixation of bone fractures. Progressive loosening of bone fixation screws, induced by stress shielding and subsequent adaptive bone remodeling, results in bone loss around the screw. A set of two-dimensional finite element models including cortical and cancellous bone with a functionally graded Ti-Hap screw was developed. A dimensionless set of stress-transfer parameters (STP) and strain energy density-transfer parameter (SEDTP) were developed to quantify the screw–bone load sharing. Lower STP and SEDTP values indicate weak stress and strain energy density transfer to bone which is a sign of stress shielding. The results indicated that STP and SEDTP values for FGM screw are higher than those of a fully metal screw. Moreover, reducing elastic modulus of metal fraction and increasing the volume fraction of ceramic decrease the stress shielding. For a partially graded screw (with both homogenous and FGM parts), the longer FGM part is, the greater are STP and SEDTP values. Furthermore, the results showed that decreasing compositional distribution exponent which shows composition change of FGM content from metal fraction toward ceramic fraction, increases the parameters. Results from this study are in admissible agreement with available clinical and experimental study.