A finite element study of a fractured tibia treated with a unilateral external fixator: The effects of the number of pins and cortical thickness

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作者
Golnaz Amin al-tojary,Yousof Mohandes,Masoud Tahani
出处
期刊:Injury-international Journal of The Care of The Injured [Elsevier]
卷期号:53 (6): 1815-1823
标识
DOI:10.1016/j.injury.2022.04.019
摘要

In the early stage of fracture fixation, the aim of a unilateral external fixator (UEF) to stimulate healing and maintain stability may be suppressed by using inadequate number of pins. Cortical thinning due to age or osteoporosis endangers a successful fracture fixation.This study evaluates the initial strength and stability of the fracture fixation and tissue differentiation under the influences of variable cortical thickness (5 mm to 1 mm) and variable number of pins (1 to 4 in each bone fragment). A finite element program was utilised to develop 20 three-dimensional models of simplified diaphyseal tibia with fracture callus fixed with UEF. A mechano-regulation code based on the deviatoric strain theory was written and applied to simulate tissue differentiation. The values of von Mises stress, interfragmentary strain (IFS), and fibrocartilage index (FCI) were evaluated.Cortical thinning from 5 mm to 1 mm increased IFS and FCI by an average of 30.3% and 18.7%, respectively, and resulted in higher stresses in the UEF and bone. Using 1 pin in each bone fragment produced excessive IFS in the models with 1 mm, 2 mm and 3 mm cortical thickness. Inserting the second pin into the bone fragment could considerably reduce the IFS and fibrocartilaginous tissue formation in the fracture site and improve load transmission to the fixator. Whereas inserting the fourth pin could minimally affect the mechano-biological environment of healing.This study suggests that initial instability due to cortical thinning can be efficiently alleviated by adding the number of pins up to 3 in a UEF; additionally, it may improve the knowledge about applying UEFs adequately stable, whilst promoting inclination toward endochondral ossification, simultaneously.

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