骨小梁髋假体柄植入的数值模拟与应力分析

目的骨具有力学适应性,按照Wolff效应,被遮挡处的骨量显著消退,会导致骨的重建,最终导致固定的失败和假体松动的发生。本文对比研究了钛合金实体与骨小梁假体髋关节置换的应力屏蔽效应,以及骨假体界面在不同部位整合与开裂时的界面应力强度。方法基于Gruen简化分区分别建立了步态、爬楼梯载荷下骨小梁髋假体柄植入的数值模型,并对钛合金假体和骨小梁假体两种材料进行有限元分析。计算了两种材料下的应力屏蔽率,分析了在开裂区下股骨界面强度应力状态,并通过应力椭球描述骨界面变形类型。结果在小转子区步态和爬楼梯载荷下骨小梁假体相比实体假体应力分别降低了20.5%、14.7%钛合金假体存在不同整合状态时,步态与爬楼梯载荷下界面拉应力最高分别可达到10.842、12.9 MPa,剪切应力达到7.05、6.805 MPa;而骨小梁假体存在不同整合状态时,界面拉应力最大分别为3.858、4.389 MPa,剪切应力达到4.156、3.854 MPa。正应力椭球表明横向尺寸变化大于径向尺寸,剪应力椭球开口朝向两侧。结论骨小梁假体一定程度上缓解了实心假体导致的应力屏蔽,在小转子区域表现尤为明显;界面内侧发生压缩变形,外侧发生拉伸变形,发生较大变形时界面失效;骨小梁假体降低了传统实体假体-界面拉应力、剪应力,有利于界面整合。