Finite Element Analysis of Locked and Unlocked Plate Fixation Methods in Tibial Diaphyseal Fractures

Abstract

The plate-screw fixation is widely used in the treatment of tibia diaphysis fractures. Also the structural differences such as design variables and the connection type, locked and unlocked fixation, in plate-screw system affect biomechanical behavior of bone-implant structure. In this study, the mechanical effects of locked and unlocked plate-screw fixation systems on bone-implant structures and their effects on healing period were investigated by finite element method. For this purpose, 3D (three dimensional) fractured tibia models were constituted by considering two fracture angle (60° ve 90°) and different callus structures and then, fixations were performed. The obtained models were analyzed under axial load via ANSYS 14.0. In consequence of the performed analyses, it was obtained that locked fixation system provided more stabilization than unlocked fixation system with respect to stresses and displacements on bone-implant structures. It was observed that stresses and displacements increased in the event of fracture angle 90° instead of 60°. Also, it was concluded that the most effective parameter on the bone-implant structure was found that the mechanical properties of callus structure

Keywords

• Locked plate
• Unlocked plate
• Callus
• Stress
• Finite element method

Tibia Kırıklarında Kullanılan Kilitli ve Kilitsiz Plak Fiksasyon Sistemlerinin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle İncelenmesi

Abstract

Tibia diafiz kırıklarının tedavisinde plak-vida ile tespit yöntemi sıklıkla kullanılmaktadır. Bununla birlikte, kullanılan implantların tasarımındaki farklılıklar, kullanılan plak-vida sisteminin kilitli veya kilitsiz olması kemikimplant yapılarının biyomekanik davranışını büyük ölçüde etkilemektedir. Bu çalışmada, tibia diafiz kırıklarının tedavisinde kullanılan kilitli ve kilitsiz plakvida fiksasyon yöntemlerinin kemik-implant yapılarında oluşturduğu mekanik etkiler ve iyileşme sürecine olan etkileri sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmiştir. Bu amaçla, iki farklı kırık açısı (60° ve 90°) ve farklı iyileşme periyotlarında oluşan kallus yapıları da dikkate alınarak kırık tibia 3B (üç boyutlu) modelleri oluşturulmuş, plak-vida fiksasyonları gerçekleştirilmiştir. Elde edilen modeller, eksenel kuvvet altında ANSYS 14.0 yazılımı kullanılarak analiz edilmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda; kemik-implant yapılarında oluşan gerilmeler ve deplasmanlar bakımından kilitli plak sistemlerinin, kilitsiz plak sistemlerinden daha yüksek stabilizasyon sağladığı belirlenmiştir. Kırık açısının 90° yerine 60° olması durumunda, modellerde oluşan gerilme ve deplasmanların arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca kallus yapısının mekanik özelliklerindeki değişimin, kemik-implant yapısı üzerindeki etkiler bakımından en etkili parametre olduğu sonucuna varılmıştır.

Keywords

• Kilitli Plak
• Kilitsiz Plak
• Kallus
• Gerilme
• Sonlu elemanlar yöntemi

References

1. Cheung, G., Zalzal, P., Bhandari, M., Spelt, J., Papini, M., 2004. Finite element analysis of a femoral retrograde intramedullary nail subject to gait loading. Medical engineering & physics, 26 (2), 93-108.
2. Cronier, P., Pietu, G., Dujardin, C., Bigorre, N., Ducellier, F., Gerard, R., 2010. The concept of locking plates. Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research, 96 (4), S17-S36.
3. Cuadrado, A., Yánez, A., Carta, J., Garcés, G., 2013. Suitability of DCPs with Screw Locking Elements to allow sufficient interfragmentary motion to promote secondary bone healing of osteoporotic fractures. Medical engineering & physics, 35 (6), 852-859.
4. Çelik, A., Kovacı, H., Saka, G., Kaymaz, İ., 2013. Numerical investigation of mechanical effects caused by various fixation positions on a new radius intramedullary
5. biomechanics and biomedical engineering (ahead-of- print), 1-9. Computer methods in angle. Composites Part
6. B: Kim, H.-J., Kim, S.-H., Chang, S.-H., 2011b. Finite element analysis using interfragmentary strain theory for the fracture healing process to which composite bone plates are applied. Composite Structures, 93 (11), 2953-2962.
7. Kim, S.-H., Chang, S.-H., Son, D.-S., 2011c. Finite element analysis of the effect of bending stiffness and contact condition of composite bone plates with simple rectangular cross-section on the bio- mechanical behaviour of fractured long bones. Composites Part B: Engineering, 42 (6), 1731-1738.
8. Kovacı, H., ASL, H.G., Kaymaz, İ., Alsaran, A., Çelik, A., Saka, G., Radius Kırıklarında Plak Fiksasyonu ve İntrameduller Çivileme Yöntemlerinin Teorik Olarak İncelenmesi.

9. Kujala, S., Ryhänen, J., Jämsä, T., Danilov, A., Saaranen, J., Pramila, A., Tuukkanen, J., 2002. Bone modeling controlled by a nickel–titanium shape memory alloy intramedullary nail. Biomaterials, 23 (12), 2535- 2543.
10. Miller, D.L., Goswami, T., 2007. A review of locking compression
11. advantages as internal fixators in fracture healing. Clinical Biomechanics, 22 (10), 1049-1062.
12. their Moazen, M., Mak, J.H., Etchels, L.W., Jin, Z., Wilcox, R.K., Jones, A.C., Tsiridis, E., 2013. The effect of fracture stability on the performance of locking plate fixation in periprosthetic femoral fractures. The Journal of arthroplasty, 28 (9), 1589-1595.
13. Seide, K., Triebe, J., Faschingbauer, M., Schulz, A., Püschel, K., Mehrtens, G., Jürgens, C., 2007. Locked vs. unlocked plate osteosynthesis of the proximal humerus–a
14. Biomechanics, 22 (2), 176-182. study.
15. Clinical Szypryt, P., Forward, D., 2009. The use and abuse of locking plates. Orthopaedics and Trauma, 23 (4), 81- 290.