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。

骨陷窝-骨小管中不同分子在重力场下的传质研究

目的骨陷窝-骨小管系统(LCS)是一种微米级复杂管网结构,维持了骨细胞信号分子、营养物质和废物的有效传输。在太空飞行的宇航员和老年骨质疏松的机理中,LCS的独特传输方式可能发挥着关键作用。这一研究为深入理解LCS传质规律、骨质疏松治疗提供了新思路。方法以天然的LCS结构为研究对象,采用分子量分别为376 Da、20 k Da和150 k Da的小、中、大3种示踪剂,用骨细胞处荧光量表述传质效果,系统研究了这3种分子在正常和超重力环境下的传质效果。结果骨陷窝的荧光强度随着距离哈弗氏管的增加而逐渐减弱。对比不同分子的传质情况,小分子示踪剂表现出较高的传输速率,而大分子示踪剂传输速率较低。在超重力条件下,示踪剂向深层传质的荧光量增加,中分子示踪剂的变化最显著;此外延长传质时间也被证明能够促进大分子示踪剂向更深层陷窝传质。结论超重力促进了不同大小分子的LCS传质。反之,随着重力场的大小的降低,尤其是微重力时,骨细胞周围的液体动力学变化,LCS的传质会受到很大程度的抑制。导致深层骨细胞缺乏营养,刺激了破骨细胞的吸收,加剧了骨丢失,进而发生骨质疏松。

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。

髋关节表面置换中假体柄长度对股骨应力的影响

目的髋关节表面置换术被称为一种保骨手术,该手术只更换患病或受损的髋臼和股骨头表面,大部分的骨量得以保存。该手术适用于患有较小范围的股骨头缺血性坏死和轻微畸形的骨关节炎等疾病的年轻患者。本研究探讨表面髋置换中假体柄的长度对股骨近端生物力学的影响,找出假体柄的长度与股骨外侧皮质长度的关系。方法选取无髋关节疾病史的成年男性的股骨CT资料和常用表面髋假体,建立自然髋关节模型并建立表面髋假体模型。建立不同长度的表面髋假体柄,分别为60、55、50、45、40 mm。将皮质骨和松质骨分别赋予不同的弹性模量。股骨侧假体为锆铌合金材料,表面经过氧化形成金属陶瓷材料。使用有限元分析软件在股骨上方加载350 N观察股骨近端的应力变化。结果随着表面髋假体柄长度的减小,股骨上的最大Mises应力呈现出先增大后减小的趋势,最大主应变呈现先减小后增大的趋势;股骨头假体边缘和股骨交界处的应力值呈现出先减小后增大的趋势。结论当假体柄长度为50 mm时,此时股骨上的应力最大,为12.92 MPa;应变最小,为893.6με。由于建立模型的股骨外侧皮质长度为88 mm,通过计算,股骨假体柄长度与股骨外侧皮质长度的最佳比例应为57%左右,可以在此基础上进行表面髋假体结构设计。

锆基合金表面仿生织构设计及润湿性仿真研究

为探究锆基合金织构化表面微润滑机制,在锆基合金表面制备一种类似树蛙趾端表面多边形棱柱结构的仿生织构,利用ANSYS Fluent软件在模拟织构表面并建立液滴铺展模型,分析不同织构参数(织构边长、织构间距)下仿生织构表面的亲水性能。结果表明:六边形织构在相同面积率下可提供最长的凹槽长度及最长的织构边缘长度,在各多边形织构中具有较强的亲水效果;织构间距、织构边长与接触角之间均存在明显线性关系,接触角随织构间距的增大而减小,随织构边长的增大而增大,因此可通过调整织构边长与织构间距实现对亲水性能的改善。在研究的织构边长和织构间距范围内,锆基合金织构表面的接触角都低于光滑合金表面的接触角,表明建立的仿生织构表面改善了锆基合金的亲水性。

单髁置换术后胫骨平台近端愈合前后的生物力学研究

研究单间室膝关节置换术后胫骨平台近端愈合前后的生物力学规律,探讨临床上胫骨平台近端术后骨折及疼痛机理等并发症的力学机制。根据单髁手术技术,规划3种不同胫骨切割面模型:锐角切割模型,过切割模型,圆角优化的切割模型,分别研究单髁置换术后,在即刻稳定期(愈合前)与长期稳定期(愈合后),胫骨近端在轴向加载条件下的应力-应变分布。相对于手术正常切割的锐角模型,胫骨切割面过切时,最大主应力增加了2.5倍。切割面拐角处倒圆后,相对于过切模型,最大主应力降低了73.8%,相对于锐角模型,最大主应力降低了35%.在即刻稳定期,过切模型的切割面拐角处最小主微应变较锐角模型增加了65%,圆角模型的最小主微应变较锐角模型降低了23.6%.长期稳定后,圆角模型的微应变值均低于其余两个模型的微应变值。术中过切失误会大大增加胫骨近端的应力与微应变,削弱胫骨平台的支撑能力,将增加骨折的风险。术中圆角切割模型可明显降低胫骨平台近端的应力-应变分布,且能避免术中过切。同时,也为临床中单髁术后胫骨平台近端骨折及术后疼痛并发症的机理探讨提供一定的理论依据。研究结果对单髁置换术及临床应用具有实际意义。

3D打印钛合金多孔材料对体外成骨细胞系MC3T3-E1的生物安全性

目的利用电子束熔融成型技术(EBM)3D打印钛合金多孔支架材料,检测其对成骨细胞(OB)的生物安全性。方法打印3种拓扑单元结构的多孔钛合金材料(2.0、2.25及2.5 mm的Dode-Medium单元结构),制备各组材料在多个时间点的浸提液(浸泡时间设24、48、72、96 h),并将浸提液用于成骨细胞系MC3T3-E1的体外培养。通过MTT实验,计算成骨细胞的相对增殖率(RGR);通过苏木精-伊红(HE)染色,形态学观察成骨细胞的生长状态;通过碱性磷酸酶(ALP)测定,分析成骨细胞的分化活性;通过免疫荧光染色,观察成骨细胞中I型胶原(ColⅠ)的表达水平。结果在各组材料浸提液孵育下,成骨细胞贴壁牢固、增殖活跃,生长状态良好。与DMEM孵育的阴性对照组比较,各材料浸提液组成骨细胞的相对增殖率无显著性差异;与DMSO孵育的阳性对照组比较,各材料浸提液组成骨细胞的相对增殖率显著升高(P<0.01);各组材料浸提液的细胞毒性程度评估均≤1。与DMEM孵育的阴性对照组比较,各材料浸提液组成骨细胞的ALP活性与ColⅠ含量均无显著性差异;与DMSO孵育的阳性对照组比较,各材料浸提液组成骨细胞的ALP活性与ColⅠ含量均显著升高(P<0.01)。结论以EBM技术3D打印钛合金多孔材料,其浸提液不会影响成骨细胞的体外增殖与分化,即具有良好的生物安全性。

活动型单髁衬垫脱位力学机制的实验研究

研究活动单间室膝关节假体(UKAP)衬垫在力学环境下的脱位机制.通过制作髁假体固定工装与固定平台旋转圆盘工装,建立活动衬垫脱位的体外模型.在外载荷作用下,通过压力测量片测量活动衬垫在不同撑开量、不同后倾角以及不同旋转角度下的脱位力大小.随着撑开量的增加,衬垫脱位力不断降低;随着胫骨后倾角增加,接触压由胫骨近端前侧向胫骨近端后侧转移,衬垫的脱位力不断增加。后倾角降低将减少髁假体对衬垫的接触压力、并相对增加衬垫的撑开量,这将大大削弱衬垫后方的脱位力.衬垫过旋将减小脱位力,从而增加旋转脱位的风险.衬垫撑开量与手术中假体安装后屈伸间隙不平衡、内侧副韧带延迟伸长或损伤有关,衬垫后倾角度及内外旋角度均与术中截骨位置有关,衬垫脱位力在不同安放位置存在变化.研究结果可为临床上活动衬垫脱位机制提供理论依据,对活动单间室膝关节置换手术技术及治疗具有指导意义.

单间室膝关节假体衬垫在步态载荷下的磨损性能仿真分析

背景:目前,有限元分析多用于全膝关节假体衬垫的磨损仿真研究。目的:利用有限元分析单间室膝关节假体衬垫形状优化对磨损性能的影响。方法:基于Archard磨损理论建立了单间室膝关节假体的磨损有限元模型,研究了衬垫优化前后的接触压力及磨损性能变化规律。结果与结论:(1)在ISO标准步态载荷工况条件下,优化前后的衬垫接触压力分别为54.7 MPa和37.2 MPa,优化后的衬垫接触压力降低了32%;优化前后的衬垫线性磨损分别为4.38×10^-5mm和3.15×10^-5mm,优化后的衬垫线性磨损深度降低了28%;(2)结果表明优化后的衬垫可明显提高线性磨损性能,研究结果对单间室膝关节衬垫设计、磨损性能评估以及临床应用具有实际意义。

高屈曲对UKA衬垫磨损性能数值分析

为探讨单间室膝关节假体置换后高屈曲载荷对高交联超高相对分子质量聚乙烯衬垫(高交联UHMWPE)磨损的影响,建立了基于Archard磨损理论的有限元模型,然后加载一个周期的水平行走步态载荷(ISO14243标准)和高屈曲载荷,对比分析两种载荷对衬垫假体磨损影响.结果显示高屈曲时的体积磨损率要高于正常行走时的磨损率,线性磨损也明显偏高,并且衬垫和胫骨平台之间存在微动磨损.高屈曲在单间室膝关节置换的相关研究中应当予以重视.