Composites Research

The Korean Society for Composite Materials (한국복합재료학회)
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Finite element analysis on bio-mechanical behavior of composite bone plate for healing femur fracture considering contact conditions

접촉조건을 고려한 대퇴골 치료용 복합재료 고정판의 생체 역학적 거동에 관한 유한요소해석

  • Published : 2010.02.28
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Abstract

In this paper, finite element analyses for estimating the behavior of fractured femur just after the operation were carried out by using ABAQUS 6.71. A stainless steel bone plate and composite bone plates with various stacking angles were considered to find out the effect of bone plate properties on bone fracture healing. In order to simulate the actual state, contact conditions between the plate and bone and fractured bones were imposed on the finite element models and the whole analysis was divided by two steps; screw fastening step and load bearing step. The stress and strain distributions at the fracture site for the cases of the stainless steel and composite bone plates were analyzed and compared with. From the analyses it was found that the composite bone plate had potential advantages for effective bone fractures healing relieving stress shielding effect.

본 논문에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS 6.71을 이용하여 수술 직후 골절부 거동을 예측할 수 있는 해석을 수행하였다. 스테인리스 고정판과 적층순서를 달리한 복합재료 고정판을 대상으로 대퇴골의 골절치료에 대한 효과를 비교 분석 하였다. 실제 상태를 모사하기 위해 고정판과 골절뼈 및 골절부간 접촉조건을 부여하였으며, 스크류 체결과정과 하중부가 과정을 두 단계로 나누어 해석을 수행하였다. 유한요소해석을 통하여 스테인리스 고정판과 복합재료 고정판이 체결된 경우에 대한 골절부 틈새의 변화 및 응력분포 등을 계산하고 그 차이를 비교하였다. 복합재료 고정판은 골절뼈와의 접촉에 의한 불필요한 응력 증가를 감소시키고 골절부위의 응력은 증가시켜 골절치료에 더 효과적인 것으로 나타났다.

Keywords

References

  1. 김승종, "보 이론을 이용한 골 재생성 작용의 해석," 대한 기계학회 논문집, 제24권, 제2호, 2000, pp. 329-337
  2. 김주호, 장승환, "골절 치료를 위한 복합재료 고정판 기초 설계 및 특성 평가" 한국복합재료학회지, 제20권, 제5호, 2007, pp. 7-12.
  3. Keith Tayton, John Bradley, "How stiff should semirigid fixation of the human tibia be?," The journal of Bone & Joint Surgery, Vol. 65-B, No.3, 1983, pp. 312-315.
  4. K. Fujihara, "Performance study of braided carbon/PEEK composite compression bone plates," Biomaterials, Vol. 25, Issue 17, August 2004, pp. 3877-3885. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2003.10.050
  5. S. Veerabagu, K. Fujihara, G. R. Dasari, S. Ramakrishna, "Strain distribution analysis of braided composite bone plates," Composites Science and Technology, Vol. 63, Issues 3-4, February-March 2003, pp. 427-435. https://doi.org/10.1016/S0266-3538(02)00219-1
  6. 정남용, "넙다리뼈에 대한 파괴기준의 설정" 한국자동차 공학회논문집, 제 15권, 제6호, 2007. 11, pp. 62-72.
  7. Dieter Christian Wirtz, Norbert Schiffers, "Critical evaluation of known bone material properties to realize anisotropic FE-simulation of the proximal femur," Journal of Biomechanics, Vol. 33, Issue 10, October 2000, pp. 1325-1330. https://doi.org/10.1016/S0021-9290(00)00069-5
  8. T. N. Gardner, T. Stoll, "The influence of mechanical stimulus on the pattern of tissue differentiation in a long bone fracture - an FEM study," Journal of Biomechanics, Vol. 33, Issue 4, April 2000, pp. 415-425. https://doi.org/10.1016/S0021-9290(99)00189-X
  9. Stephan M. Perren, "Evolution of the Internal Fixation of Long Bone Fractures," The journal of Bone & Joint Surgery, Vol. 84-B, No.8, 2002, pp. 1093-1110.