基于零厚度内聚单元的椎体微有限元分析揭示骨折后破坏模式

《Journal of Materials Research and Technology》：Micro finite element analysis of vertebrae using zero-thickness cohesive elements represents post-failure fracture patterns

本文创新性地将连续损伤力学（CDM）与内聚区模型（CZM）相结合，通过微计算机断层扫描（μCT）图像构建三维微有限元（μFE）模型，并引入零厚度内聚单元，成功模拟了啮齿动物椎体在轴向压缩载荷下的损伤起始、裂纹形成及骨折扩展过程。该模型虽计算成本较高，但能精确反映实验观察到的破坏位置和骨折模式，为骨组织失效机制研究提供了强有力的非破坏性分析工具。

　　

Highlight

动物模型

本研究使用的脊柱运动节段取自雌性无胸腺大鼠（Hsd: ^RH-Foxn1^rnu，Envigo公司）；其中三只健康大鼠在8-9周龄时被处死，另外两只患有成骨细胞性骨转移的大鼠（通过心内注射ZR-75-1人乳腺癌细胞继发形成）在3-4月龄时被处死（Ghomashi等人，2022年）。我们采集了三个节段的腰椎运动节段（L1-L3），并将分析重点放在中间的L2椎体上。在一个样本（标记为成骨细胞样本1）中...

力学测试

从载荷-位移数据中获得了实验测得的破坏载荷和刚度值（表2）。根据对系列μCT图像的定性评估，所有五个运动节段均在2.5毫米位移下发生了灾难性破坏。

μFE建模

成功为5个样本生成了带有内聚单元的μFE模型；每个模型包含约150万个单元。通过内聚单元的失效，在3/5的模型中于后部结构处识别出骨折，并在...

讨论

本研究证明了利用三维微有限元分析（结合零厚度内聚单元和连续单元进行损伤建模）能够预测轴向压缩载荷下椎体的损伤部位并生成骨折模式。这项研究拓展了内聚区单元在三维空间中模拟生理载荷下椎体损伤的应用。由于计算成本限制，这些模型中的内聚单元并未遍布整个椎体...