Araştırma Makalesi

Numerical Investigation of Frictional Locking Mechanisms and Load Sharing in Pedicle Screw-Rod Assemblies Under Flexion: A Mechanically Consistent Finite Element Analysis

Cilt: 42 Sayı: 2 28 Temmuz 2026
PDF İndir
EN TR

Numerical Investigation of Frictional Locking Mechanisms and Load Sharing in Pedicle Screw-Rod Assemblies Under Flexion: A Mechanically Consistent Finite Element Analysis

Öz

This study investigates the biomechanical stability and load-sharing mechanics of a pedicle screw-rod assembly under flexion using non-linear finite element analysis. A two-step analysis methodology was employed. First, a preload state equivalent to a 10 Nm tightening torque was approximated via an interference fit method using a non-linear Ti6Al4V model, and interface behavior was assessed through power screw theory and literature. Second, the developed model, which demonstrated mechanical consistency with experimental literature, was subjected to flexion loads utilizing non-linear material properties and contacts. Model 2.2 predicted a maximum moment capacity of 22.08 Nm, showing strong agreement with literature. Exceeding the maximum flexion force of 869.5 N triggered a significant internal load shift, where axial force on the screw head decreased while the reaction force on the tulip saddles nearly doubled, initiating macro-slip. Maximum von-Mises stresses exceeding the material's yield strength indicated localized yielding, facilitating a secure mechanical interlock. The model successfully captures the transition from static frictional locking to kinematic instability. By confirming the model's reliability through a comprehensive sensitivity analysis of solver parameters, this study demonstrates that the intrinsic frictional locking capacity, rather than solely geometry, is the primary determinant of system stability. Consequently, this research provides a robust and numerically consistent framework for evaluating the biomechanical performance of spinal implant designs.

Anahtar Kelimeler

Etik Beyan

The authors declare that no ethics approval was needed for this study.

Kaynakça

  1. [1] Walker, C.T., Kakarla, U.K., Chang, S.W., and Sonntag, V.K.H. 2019. History and advances in spinal neurosurgery. J. Neurosurg. Spine, 31 (6), 775–785.
  2. [2] Boos, N., and Webb, J.K. 1997. Pedicle screw fixation in spinal disorders: A European view. European Spine Journal, 6 (1), 2-18.
  3. [3] Zdeblick, T.A. 1993. A prospective, randomized study of lumbar fusion. Preliminary results. Spine (Phila. Pa. 1976)., 18 (8), 983-991.
  4. [4] Katonis, P., Christoforakis, J., Aligizakis, A.C., Papadopoulos, C., Sapkas, G., and Hadjipavlou, A. 2003. Complications and problems related to pedicle screw fixation of the spine. Clin. Orthop. Relat. Res., 411, 86-94.
  5. [5] Faraj, A.A., and Webb, J.K. 1997. Early complications of spinal pedicle screw. European Spine Journal, 6 (5), 324-326.
  6. [6] Cho, W., Shimer, A.L., and Shen, F.H. 2011. Complications Associated with Posterior Lumbar Surgery. Semin. Spine Surg., 23 (2), 101-113.
  7. [7] DeWald, C.J., and Stanley, T. 2006. Instrumentation-related complications of multilevel fusions for adult spinal deformity patients over age 65: surgical considerations and treatment options in patients with poor bone quality. Spine (Phila. Pa. 1976)., 31 (19), 144-151.
  8. [8] Lonstein, J.E., Denis, F., Perra, J.H., Pinto, M.R., Smith, M.D., and Winter, R.B. 1999. Complications associated with pedicle screws. Journal of Bone and Joint Surgery, 81 (11), 1519-1528.

Ayrıntılar

Birincil Dil

İngilizce

Konular

Biyomekanik

Bölüm

Araştırma Makalesi

Yayımlanma Tarihi

28 Temmuz 2026

Gönderilme Tarihi

24 Mart 2026

Kabul Tarihi

18 Temmuz 2026

Yayımlandığı Sayı

Yıl 2026 Cilt: 42 Sayı: 2

Kaynak Göster

APA
Özkaya, M. (2026). Numerical Investigation of Frictional Locking Mechanisms and Load Sharing in Pedicle Screw-Rod Assemblies Under Flexion: A Mechanically Consistent Finite Element Analysis. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, 42(2). https://doi.org/10.65520/erciyesfen.1915051
AMA
1.Özkaya M. Numerical Investigation of Frictional Locking Mechanisms and Load Sharing in Pedicle Screw-Rod Assemblies Under Flexion: A Mechanically Consistent Finite Element Analysis. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. 2026;42(2). doi:10.65520/erciyesfen.1915051
Chicago
Özkaya, Mustafa. 2026. “Numerical Investigation of Frictional Locking Mechanisms and Load Sharing in Pedicle Screw-Rod Assemblies Under Flexion: A Mechanically Consistent Finite Element Analysis”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 42 (2). https://doi.org/10.65520/erciyesfen.1915051.
EndNote
Özkaya M (01 Temmuz 2026) Numerical Investigation of Frictional Locking Mechanisms and Load Sharing in Pedicle Screw-Rod Assemblies Under Flexion: A Mechanically Consistent Finite Element Analysis. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 42 2
IEEE
[1]M. Özkaya, “Numerical Investigation of Frictional Locking Mechanisms and Load Sharing in Pedicle Screw-Rod Assemblies Under Flexion: A Mechanically Consistent Finite Element Analysis”, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, c. 42, sy 2, Tem. 2026, doi: 10.65520/erciyesfen.1915051.
ISNAD
Özkaya, Mustafa. “Numerical Investigation of Frictional Locking Mechanisms and Load Sharing in Pedicle Screw-Rod Assemblies Under Flexion: A Mechanically Consistent Finite Element Analysis”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 42/2 (01 Temmuz 2026). https://doi.org/10.65520/erciyesfen.1915051.
JAMA
1.Özkaya M. Numerical Investigation of Frictional Locking Mechanisms and Load Sharing in Pedicle Screw-Rod Assemblies Under Flexion: A Mechanically Consistent Finite Element Analysis. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. 2026;42. doi:10.65520/erciyesfen.1915051.
MLA
Özkaya, Mustafa. “Numerical Investigation of Frictional Locking Mechanisms and Load Sharing in Pedicle Screw-Rod Assemblies Under Flexion: A Mechanically Consistent Finite Element Analysis”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, c. 42, sy 2, Temmuz 2026, doi:10.65520/erciyesfen.1915051.
Vancouver
1.Mustafa Özkaya. Numerical Investigation of Frictional Locking Mechanisms and Load Sharing in Pedicle Screw-Rod Assemblies Under Flexion: A Mechanically Consistent Finite Element Analysis. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. 01 Temmuz 2026;42(2). doi:10.65520/erciyesfen.1915051

✯ Etik kurul izni gerektiren, tüm bilim dallarında yapılan araştırmalar için etik kurul onayı alınmış olmalı, bu onay makalede belirtilmeli ve belgelendirilmelidir.
✯ Etik kurul izni gerektiren araştırmalarda, izinle ilgili bilgilere (kurul adı, tarih ve sayı no) yöntem bölümünde, ayrıca makalenin ilk/son sayfalarından birinde; olgu sunumlarında, bilgilendirilmiş gönüllü olur/onam formunun imzalatıldığına dair bilgiye makalede yer verilmelidir.
✯ Dergi web sayfasında, makalelerde Araştırma ve Yayın Etiğine uyulduğuna dair ifadeye yer verilmelidir.
✯ Dergi web sayfasında, hakem, yazar ve editör için ayrı başlıklar altında etik kurallarla ilgili bilgi verilmelidir.
✯ Dergide ve/veya web sayfasında, ulusal ve uluslararası standartlara atıf yaparak, dergide ve/veya web sayfasında etik ilkeler ayrı başlık altında belirtilmelidir. Örneğin; dergilere gönderilen bilimsel yazılarda, ICMJE (International Committee of Medical Journal Editors) tavsiyeleri ile COPE (Committee on Publication Ethics)’un Editör ve Yazarlar için Uluslararası Standartları dikkate alınmalıdır.
✯ Kullanılan fikir ve sanat eserleri için telif hakları düzenlemelerine riayet edilmesi gerekmektedir.