载荷速率对股骨颈骨折裂纹扩展影响的有限元分析
断裂力学：材料在不断负荷作用下发生微裂纹，导致材料刚度和强度等降低，微裂纹积累到一定程度就出现裂纹扩展，继而发生大面积的裂纹，进而导致材料的折断和失效。断裂是连续的，断裂力学可直接分析构件的受力和破坏过程，因此可将脆性骨折的发生过程细化为“骨密度降低-骨小梁微损伤-裂纹拓展-微骨折-骨质断裂”的一个完整过程。
载荷速率与骨折的关系：载荷速率对松质骨的极限应力、弹性模量、破坏能及最小应力的影响，是结合了各向异性度与表面密度后的综合结果，其中与极限应力的相关性最高，其次是弹性模量、最小应力，最后才是破坏能、载荷速率对骨折裂纹的影响，实际上是载荷速率改变骨的各种材料属性后在宏观上的表现。
跌倒是骨质疏松性髋部骨折的最重要因素之一，侧方跌倒所致的髋部骨折占所有髋部骨折的90%以上[1]，跌倒高度决定了作用在髋部的载荷速率。从股骨近端撞击地面开始至骨折完全形成，跌倒载荷先增加至屈服应力，骨质断裂后迅速降低至消失[2]，而载荷速率的幂与骨的最大剪切载荷、剪切模量均呈正比[3]，表明载荷速率可能也是影响骨折断裂行为的重要原因。但载荷速率是如何影响髋部骨折的发生发展，目前仍缺乏直观的方法。
骨折发生发展是个动态过程[4]，传统的有限元方法不能很好地预测及展示骨折发生的确切起点、骨质断裂过程及该过程的应力、应变、裂纹扩展情况。研究旨在基于断裂力学，以股骨近端有限元断裂模型探究跌倒载荷速率对股骨颈骨折裂纹扩展的影响，为深入理解髋部骨折的发生机制提供参考。
材料和方法
建立三维模型
将Dicom格式的CT资料导入Mimics19.0中，经过区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩、包裹、光滑等步骤初步建立三维模型，导出为stl文件。
网格划分、材料属性定义及边界条件设置
将stl文件导入Hypermesh14.0进行体网格划分，将模型属性定义为随动塑性，根据参考文献分别设置骨质疏松性股骨骨皮质、主要应力骨小梁及普通松质骨的表观密度、弹性模量、屈服应力、泊松比等材料属性参数，见表1。边界条件设定股骨干和大转子固定。
设置载荷
由于股骨在内旋、内收位时股骨颈及转子间将承受最大应力，故载荷方向设置为与冠状面、矢状面、水平面均呈30°。最大载荷均设置为5000MPa，载荷速率函数分别设置为：F1=2500t，t≤2s；F2=(10000/3)t，t≤1.5s；F3=5000t，t≤1s；F4=10000t，t≤0.5s。导出求解文件K文件。
主要观察指标
模型断裂时刻及VonMises云图，骨折主裂纹尖端应变、裂纹扩展时间及速率。
结果
断裂起始时Von Mises及应变云图
在4种载荷速率下，骨折起始裂纹均出现在股骨颈下后方，起始裂纹长度呈载荷速率依赖性。皮质骨断裂时的最大应力均分布在股骨颈后外侧，并且随着载荷速率升高，应力分布范围从转子间逐渐向股骨颈缩小。与应力云图相似，股骨颈的压缩应变主要集中在股骨颈下后方，在裂纹走行处出现最大应变值。应变云图变化趋势不如应力云图明显。
2.3裂纹扩展过程
随着载荷速率的升高，皮质骨的起始、完全断裂时刻均提前，但完全断裂时刻提前幅度较前者更显著，使得裂纹扩展时间明显缩短，并且裂纹扩展速率与载荷速率呈正相关，但裂纹总长度与载荷速率负相关的程度不明显，见图3。
4种载荷速率下的主裂纹尖端应力并无明显增减规律，但裂纹尖端应变则与载荷速率呈负相关，见图4，表2。
讨论
裂纹扩展阻力曲线是描述材料断裂扩展过程的重要指标，曲线斜率表征裂纹扩展过程中裂纹尖端抵抗裂纹扩展的能力，这种能力通常是外围增韧的结果，如裂纹尖端的桥联增韧、晶粒桥联增韧等。无论是静态还是动态载荷下，由于尖端塑性区及微裂纹的形成，骨裂纹扩展过程中均会出现裂纹尖端桥联、晶粒增韧效应，但此效应与载荷速率呈负相关：随着载荷速率升高，R曲线斜率降低，骨材料的平均起始断裂强度降低，尖端骨组织桥联程度降低，裂纹尖端外围损坏减少，裂纹尖端钝化不显著，从而降低骨的塑性应变，因此脆性骨折裂纹出现更早、扩展速度更快。此次实验中，随着载荷速率的增大，各骨折模型的裂纹尖端应变亦随之降低，裂纹开始时间提前，裂纹扩展时间缩短均与此结果相吻合。
研究髋部骨折的断裂行为具有重要意义。中国老龄化社会日趋明显，髋部骨折发生率日趋增加，有限元断裂模拟能为深入理解髋部骨折发生机制提供最直观的方法，从而指导临床，如逆断裂机制进行骨折复位，并选择相应的术式及内固定物。实验中各模型应力分布集中于股骨颈后外侧，即载荷对侧，与目前大多数研究结果一致，但裂纹发生处并非处于应力云图中心，而是应变云图中心，表明仅仅依靠应力云图并不能准确预测骨折发生确切位置，由此可认为，目前静态载荷下依靠应力云图来准确判断骨折内固定失效存在一定偏差。实验所采用方法及相关软件能对股骨模型进行内固定装配，并进行内固定失效仿真，从而研究髋部骨折内固定失效的生物力学机制，具有重要的实际意义。
