力学等效仿真股骨的微结构设计与生物力学等效性研究

目的针对现有进口仿真骨无法精确复现松质骨非均匀性、各向异性,以及骨质骨型与中国人骨存在较大差异的问题,研发符合中国人骨特点的新型力学等效仿真骨Mbone,并验证其力学等效性。方法首先,以人股骨头松质骨为研究对象,使用临床CT灰度值(Hounsfield单位)表征了松质骨的各向异性力学参数;之后,以Gyroid曲面为基础设计多孔结构,通过有限元分析得到其结构参数对宏观力学参数的影响规律;进一步的,通过多孔结构和人松质骨力学参数的联立求解,发展了基于临床CT的松质骨力学等效多孔结构个性化设计方法;最后,分别通过股骨头植入物压入试验和整骨力学试验,验证了该新型仿真股骨局部和整体力学性能的等效性。结果和结论仿真股骨头与人体股骨头植入物压入刚度偏差小于15%,峰值载荷偏差小于5%。整骨受压时,Mbone股骨压缩刚度比进口合成骨高7.2%,破坏载荷在尸体骨范围内;由于中西方人骨型差异,Mbone股骨中段内后侧压应变明显高于进口合成骨,这与理论分析结果一致。整骨受扭时,Mbone股骨内旋刚度比进口合成骨低6.7%,外旋刚度低18.3%。Mbone仿真股骨在松质骨-植入物相互作用以及整骨力学性能上均具备良好力学等效性,且更符合中国人的骨质和骨型。

Mbone仿真骨压缩及扭转生物力学等效性研究

在临床应用及骨力学研究中,尸体骨样品稀缺且一致性较差,因此力学等效仿真骨不可或缺。美国Sawbones合成骨是目前世界上最具认可度的力学等效仿真骨,但其模型基于西方人开发,与中国人骨型有差异,尤其是股骨前弓角和前倾角与中国人有较大不同。本文旨在通过生物力学实验,研究基于中国人骨特点自研的新型力学等效仿真骨Mbone股骨的压缩及扭转力学性能,验证其力学等效性。本文测试并对比了新型自研力学等效仿真骨Mbone股骨和Sawbones股骨的压缩及扭转力学性能,结果显示:受压时,Mbone股骨压缩刚度比Sawbones略高7.2%,且其压缩破坏载荷在尸体骨范围内,破坏后呈现出与临床相符的股骨颈骨折;Mbone股骨内侧中段偏后方的压应变明显高于Sawbones,其他15个区域压应变与Sawbones高度一致。受扭时,Mbone股骨内旋扭转刚度比Sawbones略低6.7%,外旋扭转刚度比Sawbones低18.3%。Mbone力学等效仿真股骨在压缩及扭转力学性能上均表现出良好的力学等效性,且更贴合中国人骨型,因此认为其可以替代进口产品作为尸体骨的力学等效模型。