人工关节植入物涂层力学性能评价

目的对多孔型人工关节植入物的涂层性能(包括涂层形貌和涂层力学性能)进行分析,总结目前主流产品的涂层性能范围,为新产品的设计研发提供参考,同时为远期植入物取出分析提供依据。方法试验中所用的涂层表面形貌、剪切强度和拉伸强度样品,分别按照ASTM F1854、ASTM F1044和ASTM F1147标准制备,涂层采用等离子喷涂技术加工。共对17套件产品(编号1~17号)的涂层表面形貌(涂层厚度、孔隙率和孔隙截距)进行试验;对编号为1~7号和15、16号产品,首先按照ASTM F1044的试验方法,进行涂层与基体之间的剪切强度试验;然后按照ASTM F1147的试验方法,进行涂层与基体之间的拉伸强度试验。对编号为17的产品,按照ASTM F1044和ASTM F1147的试验方法,分别测试复合涂层和单纯钛涂层的剪切和拉伸强度。结果全部产品中,共15套产品(占比88.2%)涂层厚度300~500μm;金属涂层的产品共16套(编号1~16),其中11套(占比68.75%)涂层孔隙率30%~50%,14套(占比87.5%)涂层孔隙截距50~150μm;涂层的力学性能与基体材质无关;添加羟基磷灰石(HA)后的复合涂层的剪切强度和拉伸强度与纯金属涂层相比,均明显降低。结论针对多孔涂层人工关节的设计制造,其涂层的性能可以参考以下指标:涂层厚度300~500μm,涂层孔隙率30%~50%,涂层孔隙截距50~150μm;可以根据产品的用途选择基体材质;在设计含有HA的复合涂层的植入物时,应考虑结合力较低对产品性能的影响。该性能指标范围能够为远期临床取出物分析提供对照。

从生物力学角度评价单髁置换术与腓骨截骨术

膝关节单间室骨性关节炎引起的膝内翻是常见病症之一,目前手术方法主要有胫骨高位截骨术、单髁置换术以及最新推广的腓骨截骨术。单髁置换术自开展以来已有60余年历史,相比全膝关节置换术具有可保留膝关节正常运动、手术创伤小、保留骨量多以及术后关节活动度大等优点,故单髁置换术已成为治疗内侧间室骨关节炎一种可靠的治疗方式。腓骨截骨术是一种治疗膝内翻的新治疗手段,具有手术简单、费用低、恢复快等优点,目前正在被大力推广,但其治病机制尚不很清楚。综述单髁置换和腓骨截骨两种临床手术方式,并从生物力学角度推论腓骨截骨术治疗内侧间室骨性关节炎的可能机制,提出腓骨截骨术后外侧收缩肌力下降导致关节合力矩再平衡,故关节接触位置改变、关节接触力下降可能是腓骨截骨术能够缓解疼痛治疗骨性关节炎的原因。

膝关节假体股胫接触面积的影响因素

目的 通过建立自动化流程对膝关节假体股胫接触面积的影响因素进行分析,总结设计参数对接触面积的影响规律,并找到最大接触应力和接触面积之间的关系。方法 在Isight中建立参数化有限元模型,包括几何模型自动变参、自动化有限元前处理和有限元运算3个组件,实现自动化流程,提取接触面积进行统计学分析。结果有限元模型用Tekscan应力分布系统进行验证。当股骨、胫骨矢状面半径逐渐接近时,接触面积最大为295 mm^2。股骨矢状面半径对接触面积是正效应,而胫骨矢状面半径是负效应。最大接触应力和接触面积近似呈线性负相关。结论 通过分析股胫矢状面半径对接触面积和接触应力的影响规律,为临床降低衬垫磨损提供设计依据。

95°接骨板与逆行髓内钉治疗股骨髁上骨折生物力学研究

目的:研究股骨远端逆行髓内钉与动力髁(DCS)固定股骨髁上骨折的生物力学特征,比较两种内固定物固定股骨远端骨折的初期稳定度。方法:15具人造股骨随机分为逆行髓内钉组、DCS组和对照组(每组各5具),逆行髓内钉组与DCS组制作髁上骨折模型后分别应用逆行髓内钉固定及接骨板固定,对照组股骨不作任何处理,应用生物力学测试仪进行轴向加压与扭转测试,比较各组轴向与扭转刚度。结果:在股骨远端骨折的固定中,逆行髓内钉可以提供与DCS接骨板相同程度的初期稳定度。结论:逆行髓内钉与DCS接骨板具有相似的轴向与扭转刚度,逆行髓内钉适用于关节外股骨远端骨折。

单髁膝关节置换胫骨元件不同固定柱形状的有限元分析

目的针对单髁膝关节置换后胫骨前内侧疼痛、胫骨元件松动以及对侧关节炎恶化的问题,通过有限元方法比较分析胫骨元件固定柱的不同几何形状对胫骨应力分布的影响。方法建立有效的单髁膝关节置换有限元模型,对胫骨元件固定柱的形状进行设计。在相同的加载条件下,分别对双柱形、单脊形、双脊形和十字星形胫骨元件进行有限元分析,并与完整膝关节模型进行对比,评估胫骨元件固定柱不同形状设计对胫骨前内侧皮质骨应力、胫骨截骨面松质骨应力、胫骨对侧软骨应力的影响。结果单髁置换后胫骨前内侧皮质骨应力峰值均增大。与完整膝关节相比,在双柱形、单脊形、双脊形和十字星形胫骨元件固定柱的模型中,胫骨前内侧皮质骨应力峰值分别增加56.1%、55.9%、54.5%和68.4%。单脊形和双脊形胫骨元件松质骨截骨面应力峰值比完整胫骨分别减小8.1%和15.6%,而双柱形和十字星形则分别增大67.9%和121.5%,超过松质骨的疲劳屈服应力。双柱形、单脊形、双脊形和十字星形胫骨固定柱对应的胫骨对侧软骨应力峰值相比于完整胫骨分别减小42.1%、26.6%、24.2%和28.5%。结论单髁膝关节置换改变了胫骨内外侧的载荷分布,使置换侧承受更大的载荷。单脊形和双脊形胫骨元件在降低胫骨前内侧皮质骨和截骨面松质骨应力方面效果更好,其中单脊形胫骨元件更接近完整膝关节胫骨的应力分布。研究结果可为设计更符合膝关节力学性能的单髁膝关节假体提供理论依据。

锁骨接骨板预弯塑形的生物力学研究

目的比较解剖型锁骨板与重建型锁骨板的生物力学特性,并探究预弯塑形及反复弯制对重建型锁骨板生物力学性能的影响,为临床治疗锁骨中段骨折提供生物力学依据。方法依据解剖型锁骨板的形状对重建型锁骨板分别进行1、2、3、5次弯制,通过静态压缩实验测试并比较各组试件的生物力学差异性。结果解剖型骨板固定刚度和强度显著优于重建型未弯制骨板。人工预弯1次后的重建型骨板与解剖型骨板间固定刚度和强度差异不明显。弯制对骨板力学性能有较大影响,且弯制1次后骨板固定刚度和强度明显提高。骨板仅弯制1次后再弯制会明显降低骨板的力学性能。结论与锁骨贴合度更高的解剖板和弯制1次的解剖型重建板与未塑形重建板相比,固定刚度和强度更佳。建议术者在使用重建型锁骨板进行骨折固定手术时,应根据患者锁骨解剖形态进行适当的预弯塑形,并尽量减少重复弯制次数,以维持骨板的刚度与强度。

AD5933生物阻抗实时监测的便携式椎弓根内固定辅助系统

为降低椎弓根内固定手术过程中的螺钉误置率,基于ADI公司的生物阻抗测量芯片AD5933,设计了一种实时监测生物阻抗的便携式智能椎弓根开路装置——椎弓根开路器。开路器通过实时测量其头部电极处的组织电阻抗变化,对电极处的组织进行分析后,通过声音提示医生操作,引导开通螺钉钉道,并避免刺破神经组织。标定实验和离体猪椎骨实验表明,系统在测量精度上满足实际应用要求,能够有效区分软组织、松质骨和皮质骨,将有望降低手术螺钉误置率。

前交叉韧带长度、峡部横截面积及骨止点面积间的相关性研究

目的异常的移植韧带形态可导致前交叉韧带(ACL)重建术后关节旋转不稳,进而导致术后骨关节炎。探究原生ACL形态参数间潜在的相关性,从而为改进移植韧带生物力学提供科学依据。方法已有研究显示,猪ACL的形态及生物力学与人相似。选取19例猪膝关节样本,用游标卡尺测量ACL前缘及后缘长度,并将二者均值作为ACL总长度。

定向拉伸工艺对可吸收肩袖补片力学性能的影响

目的研究定向拉伸工艺对不同可吸收补片力学性能的影响,评价其作为肩袖损伤修复补片的潜力。方法采用定向拉伸工艺制备聚乳酸基材料的可吸收补片,设定不同的定向拉伸温度(50~80℃)和拉伸比(0.5~4.3),研究不同参数对不同材料可吸收补片力学性能的影响,同时对其热性能、结晶性能和表面形貌进行表征。结果定向拉伸温度和拉伸比可以调控可吸收补片的拉伸强度和拉伸应变、热性能、结晶性能和微观形貌。当拉伸温度分别为60、70、70℃,对应的拉伸比分别为3、3、4.3时,聚-L-丙交酯-乙交酯的共聚物(PLGA)、聚-L-丙交酯-D,L-丙交酯的共聚物(PLDLLA)、聚-L-丙交酯-ε-己内酯的共聚物(PLC)最大拉伸强度分别为(74±7)、(97±6)、(107±8)MPa,大于犬类冈下肌腱的力学强度(40 MPa),但仅有PLDLLA补片的应变满足天然肩袖的柔韧性。结论定向拉伸工艺可以提高可吸收补片的力学性能,PLDLLA补片具有增强肩袖撕裂的潜力。

基于有限元仿真的骨板结构生物力学分析

目的骨板内固定是临床治疗骨折的一种常见方式,但骨板断裂失效问题时有发生。对临床上常用的5种结构骨板进行有限元仿真,分析结构对骨板应力分布影响。方法共收集50例骨板,根据结构可分为应力分散型、梯形加压型、中部实体加强型、钉孔直型分布和钉孔偏心分布5种类型。从5类骨板中各选取1块,逆向工程建立三维模型,并在SolidWorks中进行归一化处理。基于已验证的股骨模型,建立股骨干横行骨折骨板内固定模型,骨折端有3 mm骨缺损。

前交叉韧带尺寸与骨尺寸的相关性研究

目的前交叉韧带(ACL)解剖型重建对恢复术后关节运动学及软骨应力有重要作用,然而,现有临床技术难以判断原生ACL尺寸,进而无法指导移植韧带尺寸的选择。探究原生ACL尺寸与X片膝关节骨尺寸间的相关性。方法选用19例猪膝关节,于全伸位拍摄X片,测量股骨髁间窝高度、宽度和面积、胫骨内外侧脊间距、胫骨脊间窝面积、股骨髁宽度、胫骨平台宽度。对膝关节进行解剖,暴露ACL,用游标卡尺测量ACL长度。

非骨水泥全髋关节置换术后假体周围骨折的危险因素分析

目的本研究旨在确定非骨水泥全髋关节置换(THA)术后假体周围骨折(PFF)的危险因素,并对危险因素进行重要性排序。方法回顾性统计111例PFF患者与388例非PFF患者的年龄、性别、身体质量指数(BMI)、骨质疏松、髓腔闪烁指数(CFI)、髓腔/皮质骨比(CBR)、骨干/干垢端髓腔比(CCR)、股骨柄设计以及股骨柄在髓腔的填充率(P1、P2、P3、P4)。连续变量采用独立样本t检验,分类变量采用chi-squared检验。应用随机森林算法对PFF影响因素进行重要性排序并降维,将降维后的变量纳入二元Logistic回归分析模型,确定PFF的危险因素。结果PFF组的平均年龄、BMI、CBR、CCR、骨质疏松的发生率均大于非PFF组,PFF组的平均CFI、P1、P2、P3、P4均低于非PFF组,此外,PFF的设计在两组间存在统计学差异。多因素Logistic回归分析显示,高龄、高BMI、骨质疏松、股骨柄设计、低CFI、高CBR、高CCR、低P1、低P2、低P3、低P4是PFF的危险因素。PFF危险因素的重要性排序依次为P3、CFI、骨质疏松、CBR、年龄、P4、P1、股骨柄设计、CCR、BMI、P2。结论低P3、低CFI、骨质疏松、高CBR、高龄、低P4、低P1、股骨柄设计、高CCR、高BMI、低P2增加了PFF的风险。

猪腰椎间盘-椎体前环与后环连接处微观结构与力学性质对比研究

目的研究椎间盘-椎骨界面不同部位的微观结构与力学性质的差异。方法对9例猪腰椎运动节段进行处理,从正中矢状位使用精密带锯切割猪腰椎单位得到9例椎骨-前侧腰椎间盘-椎骨立方体与9例椎骨-后侧腰椎间盘-椎骨立方体,横截面分别为12 mm×5 mm与8 mm×5 mm。对其中3例后环和3例前环样品在PTA/PBS溶液染色前后进行拉伸力学测试,拉伸速度为0.01 mm/s,最大负载为50 N,通过X射线显微镜(XRM)对其余样品扫描成像。结果染色前纤维环刚度为85 N/mm,染色后纤维环刚度为89.65 N/mm,PTA/PBS溶液染色后腰椎纤维组织的刚度无显著变化。纤维环后环刚度高于纤维前环的刚度约4.9倍。XRM图像结果显示,后侧纤维环存在中立位区域,即腰椎纤维与中轴线角度接近0°的区域,纤维后环内侧纤维与中轴线角度范围为70°~20°,由内侧到外侧角度逐渐减小,外侧纤维与中轴线角度范围为15°~30°,角度向外侧逐渐变大。纤维环纤维由软骨终板延伸至椎骨终板,腰椎纤维进入软骨终板连接跨度300~400μm界面区域分解成更细的界面纤维。结论使用PTA/PBS溶液作为造影剂可以增强XRM对腰椎软组织的成像强度,同时保留腰椎纤维环的生物力学性能。腰椎前环和后环的微观结构存在差异,力学性质不同,纤维插入软骨终板的角度不同。

使用三维踝关节有限元模型研究三角韧带损伤对踝关节旋转不稳定性的影响

目的研究三角韧带(DL)损伤对踝关节生物力学功能的影响。方法基于一名成年女性的MRI扫描,开发了一个包含详细韧带的全面踝关节有限元模型。在踝关节模型中模拟了一系列韧带损伤情景,然后该模型承受了300 N的静态站立负荷和1.5 Nm的内外旋转扭矩。分析重点比较了胫骨和距骨关节软骨中von Mises应力的分布和峰值,以及距骨旋转角度和距胫关节的接触面积。结果有限元踝关节模型中韧带的尺寸和插入点位置采用了以前解剖学研究的数据。在有限元模型中的前抽屉距离与解剖范围内的差异在6.5%以内,距骨倾斜角度与解剖结果的差异在3%以内。在静态站立时,距腓前韧带(ATFL)和胫距前韧带(ATTL)的联合断裂在距骨软骨上产生了新的应力集中,显著增加了关节接触面积和软骨上的应力。在外旋静态站立时,前距腓韧带和前胫距韧带断裂使踝关节的旋转角度与完整关节相比增加了21.8%。相比之下,内旋静态站立导致应力类似增加,并使距骨旋转角度增加了近2.5倍。结论三角韧带损伤改变了胫距关节的应力分布,并在受到旋转扭矩时增加了距骨旋转角度,这可能增加旋转性踝不稳定性(RAI)的风险。在治疗RAI时,不仅要处理多带DL损伤,还要处理单带深层DL损伤,特别是影响ATTL的损伤。

针对大面积纤维环缺损的水凝胶-补片联合修复技术:有效降低椎间盘突出复发

目的随着椎间盘突出症发病人数的增加,迫切需要有效的纤维环(AF)修复策略。本研究设计了一种AF破口修复技术,以解决髓核摘除术后椎间盘(IVD)机械性能不足的问题。方法采用生物相容性好、机械性能优的补片和水凝胶修复猪腰椎AF破损。评估了5种AF修复技术:水凝胶充填(HF)、AF内侧补片修复(MB)、AF内侧补片联合水凝胶充填(MB&HF)、AF双侧补片修复(MLB)、AF双侧补片联合水凝胶充填(MLB&HF)。利用体外实验和有限元分析评估各项技术在修复AF大缺损时的IVD密闭性能、稳定性和抗疲劳性。结果体外实验显示破坏负荷顺序为HFMLB>MB&HF>MLB&HF。结论补片和水凝胶的联合应用有效恢复了髓核摘除术后IVD的机械性能。这些修复技术有被优化为AF修复产品的潜力。

股骨柄涂层失效的翻修取出物分析

目的从翻修取出的股骨柄植入物入手,分析假体失效原因,以及其中与涂层性能相关的因素,为涂层测试标准的改进与产品的设计提供参考依据。方法共收集39例髋关节翻修术资料,结合取出物表面损伤情况、影像资料和患者信息从产品因素、手术因素、患者因素分析假体失效原因。取10例带涂层股骨柄与1例全新的带涂层股骨柄进行涂层形貌(厚度、孔隙率、平均孔隙截距)和涂层结合强度(拉伸、剪切)检测。涂层结合强度测试参照标准进行了改进,使其可在完整股骨柄上测试。结果假体失效的原因主要为产品因素,占67%,包括PE内衬磨损、双动杯功能受限,其中多为PE内衬磨损导致骨溶解;患者摔伤导致假体周围骨折占15%;手术因素占13%,假体尺寸选择偏小或者髋臼杯固定不足。涂层平均厚度:69.46~458.44μm,孔隙率:20.93%~40.53%,平均孔隙截距:44.14~285.33μm,在国内外临床主流产品范围内。测试结果发现拉伸强度均未达规定值,剪切强度仅1例满足要求,全新的股骨柄拉伸、剪切强度也仅为16.8、11.7 MPa,低于使用标准样块的测试值。结论PE内衬磨损为假体失效的首要原因,还需提高PE的耐磨损性。现有的涂层结合强度测试方法并不能反映出成品股骨柄的涂层结合强度,存在改进空间。

先天性髋关节发育不良股骨近端髓腔内径曲线形态

目的测量并分析国内先天性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)患者股骨近端形态参数与髓腔内径曲线,为DDH股骨柄设计提供参考依据。方法进行股骨三维重建后,测量并比较分析30名正常人(30髋,男21名,女9名,平均年龄29.4岁)和64名DDH患者(74髋,男12名,女52名,平均年龄45.3岁)股骨近端形态参数和多个高度上髓腔内外径、前后径,建立不同人群的髓腔内径曲线并进行比较分析。结果 DDH患者与正常人群相比,前倾角(26.39°±14.74°vs 15.68°±7.95°)显著较大(P=0.001),颈干角(125.65°±5.73°vs 129.19°±5.80°)、峡部高度[(99.14±14.62) mm vs (110.13±11.73) mm]、髓腔开大指数[(3.63±0.77) vs (4.45±0.79)]、股骨头直径[(44.01±5.75)mm vs (47.26±3.94)mm]和偏心距[(31.80±3.82)mm vs (36.42±4.84)mm]则显著较小(P<0.05)。结合测量所得的髓腔前后径、内外径与所拟合的内径曲线,DDH近端髓腔呈现的特点为内外径变狭窄、前后径向前偏移。在不同分型DDH中,股骨的变形程度随着分型增大愈发严重,CroweⅣ型DDH患者与其他分型间的股骨髓腔形态存在较大差异。结论 DDH患者的平均股骨近端曲线与正常人群存在较大差异,且DDH的不同分型间也存在形态差异。研究结果有助于定量了解DDH患者的股骨近端形态特征,为设计适用于DDH患者的新型股骨柄提供参考依据。

髋关节发育不良的股骨髓腔的三维形态

目的评估髋关节发育不良(Developmental dysplasia of the hip,DDH)患者股骨髓腔的形态,以改进人工全髋关节置换术中股骨柄的设计。方法收集56例Crowe I~Crowe IV DDH患者与30例正常人的髋关节CT影像,用于重建股骨髓腔的三维形态。在小转子顶部20毫米处至峡部均匀分布的21个横断面上测量股骨髓腔最长径。

具有生理前凸和多孔结构的腰椎椎间融合器对腰椎邻近节段退变的影响

腰椎邻近节段退变(ASD)是椎间融合术后常见的并发症之一。本文旨在分析手术节段椎间融合器的前凸角度(0°和7°)及植入物刚度(多孔结构和固定与否)对邻近节段生物力学性能的影响。采用实验和有限元分析相结合的方法验证椎间融合器设计的可靠性并对椎间融合器的固定稳定性及对邻近节段的活动度(ROM)和椎间盘压力进行研究。结果表明与生理前凸角一致即前凸7°的PEEK椎间融合器和前凸0°的PEEK椎间融合器对腰椎邻近节段的生物力学影响相近。

添加没食子酸月桂酯高交联聚乙烯的胫骨衬垫在全膝关节置换术中的磨损评估

目的聚乙烯内衬磨损是导致全膝关节置换术(TKA)失败的主要因素之一。磨损颗粒的数量和形态与假体周围炎症的严重程度有关。没食子酸月桂酯(DG)改善了高交联聚乙烯(HXLPE)的氧化稳定性。评估添加没食子酸月桂酯的高交联聚乙烯(HXLPE-DG)制成的衬垫的磨损性能。方法根据ISO 14243-1:2009。