骨-多孔锆铌合金假体界面应力分析

目的探究多孔锆铌合金骨小梁假体界面的应力状态。方法本研究从多孔假体与骨整合三维结构简化为二维模型,利用结构特征设计骨和多孔骨小梁假体的二维结构,通过对比实心假体与多孔骨小梁假体的骨界面应力分析,进而分析通过不同的孔径和丝径(1、0.8、0.7、0.6、0.5、0.3 mm)分析骨-假体界面应力变化规律,以此来选择合理的孔径和丝径。结果多孔1 mm骨小梁假体最大剪切应力相比实心假体减少了45.8%,拉应力相比实心假体增加了15.2%。随着孔径的减少,骨界面最大剪切应力和拉应力均呈上升趋势,但在0.8 mm处最大剪切应力、拉应力最小;随着丝径的减少,骨界面最大剪切应力呈上升趋势,但在0.6 mm处最大剪切应力最小;骨界面拉应力呈下降趋势。结论多孔锆铌合金骨小梁假体和骨整合界面应力存在一定规律,在骨组织平均生理应变的条件下,数值计算表明随着孔径的减少,在0.8 mm区间处,骨界面最大剪切应力和拉应力均呈低谷点;随着丝径的减少,在0.6 mm区间处,骨界面最大剪切应力呈低谷点,拉应力取平均值达964.9 k Pa。这为多孔锆铌合金骨小梁假体植入界面的应力损伤提供一定启示。

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。

重力场对骨陷窝-小管内不同分子量溶质传质效应的研究

在微重力环境下,宇航员承重骨骨量以每月1.6%的速度丢失,随时间推移出现骨质疏松甚至发生骨折。微重力引起的骨质流失是妨碍人类长期太空驻留和探索地外星球的主要障碍之一。因此,有必要探索微重力诱发骨质大量流失的发生机理,为治疗微重力下骨质流失提供新思路。本研究提出骨组织内陷窝-小管系统(lacunar-canalicular system,LCS)间隙传质缺失是失重性骨质疏松的主要原因,也是人体骨废用和衰老骨质疏松的重要原因之一。首先,在地球重力场下以自由扩散和对流运输的传质方式对离体骨样本进行传质实验,研究地球重力场下不同分子量示踪剂在LCS的传质规律;其次,通过高速离心机产生超重力环境,研究了超重力场(3、5、8、10 G)下离体牛胫骨样本的传质规律。最后,通过有限元方法对微重力下LCS溶质转运以及骨小管形态对LCS传质的影响进行研究。结果表明,骨单位内深层骨陷窝的荧光强度与哈弗氏管之间的距离成反比,微重力下大分子量的示踪剂无法有效通过LCS向深层骨细胞传输,最终导致骨细胞凋亡。本研究发现,微重力下LCS传质缺失及大分子量溶质无法有效传质是骨质大量流失的关键因素。