Finite element analysis of the equivalent stress distribution in Schanz screws during the use of a femoral fracture distractor

Rev Bras Ortop. 2017 Jul 24;52(4):396-401. doi: 10.1016/j.rboe.2017.07.003. eCollection Jun-Jul 2017.

Abstract

To evaluate the mechanical stress and elastic deformation exercised in the thread/shaft transition of Schanz screws in assemblies with different screw anchorage distances in the entrance to the bone cortex, through the distribution and location of tension in the samples. An analysis of 3D finite elements was performed to evaluate the distribution of the equivalent stress (triple stress state) in a Schanz screw fixed bicortically and orthogonally to a tubular bone, using two mounting patterns: (1) thread/shaft transition located 20 mm from the anchorage of the Schanz screws in the entrance to the bone cortex and (2) thread/shaft transition located 3 mm from the anchorage of the Schanz screws in entrance to the bone cortex. The simulations were performed maintaining the same direction of loading and the same distance from the force vector in relation to the center of the hypothetical bone. The load applied, its direction, and the distance to the center of the bone were constant during the simulations in order to maintain the moment of flexion equally constant. The present calculations demonstrated linear behavior during the experiment. It was found that the model with a distance of 20 mm between the Schanz screws anchorage in the entrance to the bone cortex and the thread/shaft transition reduces the risk of breakage or fatigue of the material during the application of constant static loads; in this model, the maximum forces observed were higher (350 MPa). The distance between the Schanz screws anchorage at the entrance to the bone cortex and the smooth thread/shaft transition of the screws used in a femoral distractor during acute distraction of a fracture must be farther from the entrance to the bone cortex, allowing greater degree of elastic deformation of the material, lower mechanical stress in the thread/shaft transition, and minimized breakage or fatigue. The suggested distance is 20 mm.

Avaliar o comportamento do estresse mecânico e da deformação elástica exercida na transição rosca-talo liso dos pinos de Schanz do distrator femoral de fraturas em montagens com diferentes distâncias de ancoragem dos pinos na cortical óssea de entrada através de estudo da distribuição e da localização de tensões no corpo de prova.Feita análise de elementos finitos 3D para a avaliação da distribuição das tensões equivalentes em um pino de Schanz fixado de modo bicortical e ortogonal a um osso tubular, em dois padrões de montagem: (1) transição rosca-talo liso distante 20 mm da ancoragem dos pinos de Schanz na cortical de entrada e (2) transição rosca-talo liso distante 3 mm da ancoragem dos pinos de Schanz na cortical de entrada. Foram feitas simulações e manteve-se a mesma direção da carga e a mesma distância do vetor força em relação ao centro do osso hipotético. A carga aplicada, sua direção e a distância ao centro do osso foram constantes durante as simulações para manter o momento fletor igualmente constante. Os cálculos apresentados demonstraram comportamento linear durante todo o experimento. Verificou-se que o modelo com uma distância de 20 mm entre a ancoragem dos pinos de Schanz na cortical óssea de entrada e a transição rosca-talo liso reduziu o risco de ruptura ou fadiga do material durante a aplicação de cargas estáticas constantes. Nesse modelo, as forças máximas observadas foram superiores (350 MPa). A análise do comportamento do estresse mecânico e da deformação elástica exercida na transição rosca-talo liso dos pinos de Schanz do distrator femoral de fraturas mostrou que distâncias maiores entre a ancoragem dos pinos na cortical óssea de entrada e a transição rosca-talo liso dos pinos de Schanz permitem menor estresse mecânico na transição rosca-talo liso e maior grau de deformação elástica do material e minimizam quebra ou fadiga. A distância sugerida é de 20 mm.

Keywords: Bone nails; External fixators; Femoral fractures; Finite element analysis; Treatment outcome.

Publication types

  • Case Reports