基于有限元分析的钛合金椎弓根螺钉抗弯性能结构优化

来源：上海理工大学学报杂志2024年第3期北京时间：

作者：赵虎，刘岩，杨金帅，李强

单位：上海理工大学 机械工程学院，上海 200093,上海理工大学 机械工程学院，上海 200093,上海理工大学 机械工程学院，上海 200093,上海理工大学 机械工程学院，上海 200093;上海高性能医疗器械材料工程技术研究中心，上海 200093

摘要：钛合金因其优异的力学性能和生物相容性，广泛用于椎弓根螺钉的制备。椎弓根螺钉植入人体后，受脊柱的屈曲伸展和横向弯曲作用，螺钉发生疲劳弯曲最终导致螺钉松动甚至断裂，影响植入稳定性。因此有必要对钛合金椎弓根螺钉抗弯性能进行研究。通过单因素实验与正交实验分析设计不同结构参数椎弓根螺钉，结合有限元分析与力学实验的方法，使用三点弯曲试验对钛合金椎弓根螺钉的抗弯性能进行模拟仿真与实验验证，并对螺钉结构参数进行优化。结果表明，模拟结果与实验结果吻合较好，螺钉结构参数对抗弯性能的影响顺序为外径大于螺纹深度大于螺距，最佳参数为螺钉外径5.5 mm、螺纹深度0.65 mm、螺距1.60 mm，优化后的螺钉对比标准椎弓根螺钉，最大支反力提高74.7%。

关键词：椎弓根螺钉;三点弯曲测试;有限元分析;结构参数优化

基金资助：上海高性能医疗器械材料工程技术研究中心（20DZ2255500）