模拟股骨置入人工关节扭转与应力松弛蠕变的实验研究

研究了在相同扭矩作用下,正常组股骨和以生物学和骨水泥固定置入人工关节组股骨标本扭转角度,还对正常股骨、生物学固定股骨和骨水泥固定股骨进行应力松弛、蠕变实验,为临床提供生物力学参数。以电子万能试验机对正常对照组、股骨置入人工关节骨水泥固定组、股骨置入人工关节生物学固定组标本进行扭转和粘弹性实验研究。得出了各组标本在相同扭矩下的扭转角度及悬臂弯曲状态下,正常组和置入人工关节组标本应力松弛、蠕变数据和曲线。对实验数据进行归一化处理,得出了正常组和置入人工关节组标本的归一化应力松弛函数,归一化蠕变函数及曲线。表明:骨水泥固定组扭转角比生物学固定组小,说明骨水泥固定有较好的稳定性,其应力松弛、蠕变量丢失小。骨水泥固定组较生物学固定组3600s应力松弛、蠕变量大。     

模拟失重对雄性大鼠骨流变特性的测试

目的研究模拟失重对大鼠承重骨流变特性的影响,为航天医学提供模拟失重动物骨流变参数。方法30只Wistar雄性大鼠,随机分为正常对照组15只和头低位30°尾吊组(失重模型组)15只。实验第28天时取两组动物股骨进行压缩应力松弛、蠕变实验。结果得出了正常对照组和失重模型组大鼠股骨压缩应力松弛、蠕变数据和曲线,得出了两组大鼠股骨的归一化应力松弛函数,归一化蠕变函数与曲线,以一元线性回归分析的方法处理实验数据,得出了回归系数a、b与c、d值和归一化应力松弛函数G(t)、归一化蠕变函数J(t)表达式,还得出了两组大鼠股骨应力松弛、蠕变与时间的变化规律。结论失重模型组大鼠股骨应力松弛、蠕变量低于正常对照组。     

去势大鼠所致骨质疏松对骨的黏弹性力学性质影响

目的 研究了正常大鼠和去势所致大鼠骨质疏松大鼠骨的应力松弛、蠕变力学性质,为临床提供生物力学参数.方法 选用280～320g,4～5月龄Wistar雌性大鼠50只,随机分为正常对照组25只,模型组25只.对模型组大鼠于0周摘除其卵巢.对正常对照组和模型组大鼠饲养14周后,以腹主动脉放血法处死大鼠,取大鼠股骨进行压缩试验,取大鼠胫骨进行冲击试验,还取大鼠股骨进行压缩应力松弛、蠕变实验.结果 得出了大鼠股骨压缩力学性能指标和大鼠胫骨冲击力学性能指标,得出了正常组和模型组大鼠股骨应力松弛、蠕变实验数据和曲线,对应力松弛、蠕变实验数据进行归一化处理,得出了归一化应力松弛函数,归一化蠕变函数及曲线.对实验数据进行同归分析,得出了同归系数和G(t)、J(t)表达式.结论 模型组压缩和冲击力学性能指标和7200s应力松弛量、蠕变量均小于正常组.     

股骨颈松质骨三方向压缩应力松弛蠕变实验

研究正常国人新鲜尸体股骨颈松质骨的压缩粘弹性力学性质,为人工关节的研制提供生物力学理论基础.对10具正常国人新鲜尸体股骨颈松质骨纵向、横向、45°方向试样进行压缩应力松弛、蠕变实验.得出了股骨颈松质骨3个方向的应力松弛、蠕变数据和曲线.对实验数据进行归一化处理,分别用对数、指数一元回归分析的方法处理数据,得出了归一化应力松弛、归一化蠕变函数及曲线.说明股骨颈松质骨纵向组应力松弛量、蠕变量均大于横向组和45°方向组.股骨颈松质骨为各向异性材料.     

骨质疏松对骨的粘弹性性质影响的实验研究

目的研究正常大鼠股骨和维甲酸所致大鼠骨质疏松股骨的压缩粘弹性性质,为临床提供生物粘弹性力学参数。方法选用175～245g,6月龄Wistar大鼠30只,随机分为正常对照组15只,模型组15只。对模型组大鼠每日灌服维甲酸(70mg·kg-1·d-1),实验动物于第12周末处死。取股骨进行压缩应力松弛、蠕变实验。结果得出了正常对照组和模型组股骨应力松弛,蠕变数据和曲线。对应力松弛蠕变实验数据进行归一化处理,得出归一化应力松弛函数、蠕变函数及曲线。结论模型组的7200s应力松弛、蠕变量指标显著低于正常对照组(P<0.05)。     

股骨上端松质骨拉伸应力松弛及蠕变的实验研究

目的研究正常国人新鲜尸体股骨上端松质骨的拉伸粘弹性力学性质,为临床提供生物力学参数。方法对股上端松质骨试样纵向进行拉伸应力松弛及蠕变实验。得到股骨上端松质骨纵向的应力松弛及蠕变数据和曲线。对实验数据进行归一化处理。结果分别用对数、指数一元回归分析的方法处理数据,得出了归一化应力松弛、归一化蠕变函数及曲线。结论股骨上端松质骨拉伸应力松弛7200s应力松弛量为0.422MPa,7200s蠕变量为0.784%。     

跟骨、月骨、头状骨松质骨粘弹性实验研究

研究了跟骨、月骨、头状骨松质骨的粘弹性力学性质。对跟骨松质骨纵向、横向、4 5°方向和月骨、头状骨松质骨进行压缩应力松弛、蠕变实验。得出了跟骨松质骨纵向、横向、4 5°方向和月骨松质骨、头状骨松质骨压缩应力松弛、蠕变数据和曲线。用回归分析的方法处理实验数据 ,得出了归一化应力松驰函数 ,蠕变函数及曲线。实验结果表明跟骨松质骨纵向压缩应力松弛、蠕变量均大于横向和 4 5°方向 ;头状骨松质骨初始蠕变量大于月骨松质骨 ,月骨与头状骨 2 h内蠕变量、松弛量差异并不显著。     

维甲酸中毒骨质疏松动物模型椎骨流变特性的研究

研究正常大鼠椎骨和维甲酸所致大鼠骨质疏松L4椎骨的粘弹性性质,为临床提供生物粘弹性力学参数.选用175～245 g,6月龄wistar大鼠30只,随机分为正常对照组15只,模型组15只.对模型组大鼠每日灌服维甲酸(70mg·kg-1·d-1),实验动物于第12周末处死大鼠.取L4椎骨进行压缩应力松弛、蠕变实验.得出了正常对照组和模型组L4椎骨应力松弛,蠕变数据和曲线.对应力松弛蠕变实验数据进行归一化处理,得出归一化应力松弛函数、蠕变函数及曲线.模型组的7 200 s应力松弛、蠕变量指标显著低于正常对照组(P＜0.05).     

模拟失重雄性大鼠L4椎骨黏弹性实验研究

目的 研究失重对大鼠承重骨流变特性的影响,为航天医学研究失重对动物椎骨流变学参数改变提供实验依据.方法 30只雄性大鼠,随机分为正常对照组15只和头低位30°尾吊组(模型组)15只.实验第42天时取两组动物L<,4>椎骨进行压缩应力松弛、蠕变实验,得出大鼠L<,4>椎骨压缩应力松弛、蠕变数据和曲线,以一元线性回归分析方法 计算回归系数和归一化应力松弛函数及蠕变函数表达式.结果 模型组大鼠L<,4>椎骨应力松弛、蠕变量低于正常对照组(P<0.05).     

用两种脊柱固定器固定脊柱骨折脱位的蠕变实验研究

从流变学角度对临床应用治疗脊柱骨折脱位的二种固定器进行定量分析,为临床提供流变学参数.模拟腰段骨折脱位分别以钢板、椎弓根钉固定,分别进行应力松驰和蠕变实验.得出了二组标本蠕变数据,还得出了二组标本归一化应力松驰函数,归一化蠕变函数数据和曲线,建立了归一化应力松驰函数方程和归一化蠕变函数方程.椎弓根钉组7 200 s蠕变量大于钢板组,但差异并不显著,P＞0.05.     

生物活性陶瓷涂层假体植入股骨初期的界面生物力学分析

目的对具有生物活性的羟基磷灰石陶瓷涂层假体植入股骨初期进行界面生物力学分析,以优化金属表面生物活性陶瓷涂层厚度。方法建立生物活性陶瓷涂层假体紧压配合植入股骨初期的生物力学模型,应用非均质层状材料弹性力学理论,定量计算不同厚度涂层钛合金假体与股骨峡部界面的紧压配合力及环向应力。结果无涂层钛合金假体与骨结合的紧压配合力最大,随着涂层厚度增加,紧压配合力逐渐减小。环向应力在界面的骨皮质上有较大的拉应力,在涂层和钛合金假体柄上为压应力。结论生物活性陶瓷涂层较薄的假体与股骨结合的抗剪切强度较大。     

新型镍钛记忆合金掌指关节假体的生物力学研究

目的 探讨新型镍钛（Ni-Ti）记忆合金掌指关节假体的轴向压缩刚度特征,为该假体的临床应用提供生物力学依据。方法 选用10侧完整成人新鲜手标本,按数字表法随机分为假体组和对照组,每组5侧。假体组分别在第2~5掌指关节置入新型Ni-Ti记忆合金掌指关节假体,对照组标本只做切开及缝合处理。假体组和对照组手标本分别解剖游离出第2~5掌指关节,分别以伸直位、屈曲30°、屈曲60°固定于BOSE材料试验机上,分别在载荷为50、100、150、200、250、300、350 N时记录标本的轴向压缩位移,计算垂直和屈曲载荷状态下的轴向压缩刚度。所有标本实验后使用X线机透视,观察有无骨折,有无假体松动、断裂等情况。在假体组和对照组的组内和组间,分别比较第2~5指掌指关节在伸直位和屈曲30°、60°位时轴向压缩刚度。结果 所有标本实验后X线机透视检查显示,无明显骨折,假体无松动、断裂等情况。假体组和对照组第2~5掌指关节的轴向压缩刚度均随着掌指关节屈曲角度的增大而逐渐减小。假体组与对照组比较,第2~5指掌指关节伸直位时轴向压缩刚度差异均无统计学意义（P值均>0.05）;屈曲30°、60°时假体组轴向压缩刚度均大于对照组,差异均有统计学意义（P值均<0.05）。假体组和对照组组内比较,在伸直位和屈曲30°、60°位时,不同掌指关节间轴向压缩刚度差异均无统计学意义（P值均>0.05）。结论 新型Ni-Ti记忆合金掌指关节假体轴向压缩刚度符合正常掌指关节的生物力学特征。置入该假体后,不同掌指关节在不同屈曲角度下均具有良好的稳定性。     

人工寰齿关节置换活体动物模型的建立及相关研究

目的建立人工寰齿关节置换的活体动物模型,探索出适合的手术方式,为后续的临床应用奠定理论基础。方法依据15套干燥犬寰枢椎标本解剖学参数,设计并制造人工寰齿关节;18只正常成年雄性杂种犬随机分为正常对照组,假体置换组和Harms钢板融合内固定组,建立犬人工寰齿关节置换以及相关对照组的动物模型,通过一般情况观察及影像学检查比较各组的手术时间、出血量、手术并发症及术后实验动物恢复情况。结果人工寰齿关节置换手术操作简便、不易造成副损伤。术后X线片和三维CT可见假体位置正确,螺钉均位于预先设计好的钉道内,无假体松动和脊髓受压。手术时间,术中出血量及手术恢复时间与传统Harms钢板融合内固定术相似,同时具有保留寰枢椎运动功能的显著优势。结论我们所设计的非限制型人工寰齿关节能够从结构和功能上对寰枢椎进行仿生,达到了兼顾寰枢椎稳定性和运动功能的双重目的,为寰枢椎疾患的手术治疗提供了一种选择,符合颈椎非融合技术的发展趋势。     

膝关节周围骨肉瘤保留关节保肢术后关节功能及生活质量的评价

目的 探讨膝关节周围骨肉瘤患者行保留关节的保肢术(JPLS)治疗后关节功能及生活质量情况。方法 回顾性分析。纳入2000年11月-2019年12月解放军联勤保障部队第九六〇医院骨科膝关节周围骨肉瘤患者34例,其中男19例、女15例,年龄16~49(28.47±9.57)岁 。按照手术方式分为两组,行JPLS的17例患者为保留关节组,行假体关节置换术(JPRS)的17例患者为假体置换组。另外选取2019年12月-2020年2月我科患者陪护人员中17名健康成人作为正常对照组,其中男8名、女9名,年龄18~50(29.83±10.25)岁 。于术后12个月,分别采用骨骼肌系统肿瘤协会(MSTS)评分系统、国际膝关节委员会(IKDC)膝关节主观评分量表、生活质量简明健康问卷(SF-36)评价并对比较正常对照组、保留关节组、假体置换组下肢功能、膝关节功能及生活质量情况,比较保留关节组、假体置换组患者在MSTS、IKDC评分标准中各条目的分布情况。结果 (1)正常对照组、保留关节组、假体置换组基线资料比较,差异均无统计学意义(P值均>0.05)。保留关节组、假体置换组34例患者均顺利完成手术,术后切口均一期愈合。(2)术后12个月,假体置换组MSTS评分为(22.82±5.47)分,低于保留关节组的(27.12±1.69)分和正常对照组的(28.18±1.78)分,差异有统计学意义(H=15.152, P＜0.05);而保留关节组和正常对照组间MSTS评分差异无统计学意义(P＞0.05)。假体置换组、保留关节组、正常对照组IKDC评分分别为(59.71±11.73)、(76.18±9.73)、(90.41±7.61)分,评分依次增高,差异均有统计学意义(H=33.283, P＜0.05)。(3)术后12个月SF-36评分结果显示,假体置换组生理机能、生理职能、躯体疼痛、社会功能评分均低于正常对照组,健康变化评分高于正常对照组;而保留关节组健康变化评分高于正常对照组,生理机能、社会功能评分高于假体置换组:差异均有统计学意义(P值均＜0.05)。SF-36量表中其他指标各组间比较,差异均无统计学意义(P值均＞0.05)。(4)保留关节组、假体置换组MSTS、IKDC评分标准中各条目分布情况比较:保留关节组患者与假体置换组肢体功能情况上差异无统计学意义(P＞0.05);保留关节组的疼痛、满意度、支具辅助、行走、步态情况优于假体置换组,差异均有统计学意义(P值均＜0.05)。保留关节组与假体置换组在直跪、下蹲、膝关节弯曲方面比较,差异均无统计学意义(P值均＞0.05);而在无疼痛、肿胀、绞锁、打软腿及一般情况下可进行的运动和上下楼、坐下从椅子上站起、向前直跑、用伤腿跳起并落地、迅速停止或开始等方面,保留关节组均优于假体置换组,差异均有统计学意义(P值均＜0.05)。结论 JPLS相比JPRS能给骨肉瘤患者带来更好的关节功能及生活质量,值得临床推广。对骨肉瘤患者术后肢体功能的评价,建议联合应用IKDC和SF-36等评价指标,以弥补MSTS功能评分的不足,从而更加准确科学地反映患者的肢体功能。     

模拟全髋关节置换后股骨假体的稳定性

背景：国内外关于髋关节置换后股骨的压缩力学实验研究较多,因此研究髋关节置换后股骨的扭矩、扭转角、载荷-位移关系非常重要。对比分析传统型假体和解剖型假体的压缩、扭转力学特性,对于髋关节置换及人工假体的稳定性研究具有重要意义。 目的：通过模拟髋关节置换后股骨的轴向压缩和扭转实验,对比分析传统型和解剖型人工假体的稳定性,为临床提供生物力学参数。 方法：取股骨左右侧标本共12个,其中左侧6个标本保留股骨颈作为解剖型钛合金人工关节假体组,右侧6个标本去除股骨颈作为传统型钴铬钼人工关节假体组。分别将两组标本置于电子万能试验机工作台上,以     5 mm/min的实验速度对标本施加压应力,读取20,40,60,80,100 N时所对应的位移值。之后取两组标本,将标本两端置于扭转试验机夹头内,以1 (°)/s的实验速度对标本施加扭矩,读取5,10,15,20 N•m扭矩时所对应的扭转角值。 结果与结论：在100 N外力作用下,传统型假体位移为(2.03±0.06) mm,解剖型假体位移为(1.83±0.05) mm;在20 N•m扭矩作用下,传统型假体扭转角为(21.7±0.7)°,解剖型假体扭转角为(13.2±0.4)°。解剖型假体在100 N作用下的位移和在20 N•m扭矩作用下的扭转角均小于传统型假体组,差异有显著性意义(P < 0.05)。提示解剖型假体和传统型假体具有不同的压缩和扭转力学特性,解剖型假体置入股骨后具有较好的稳定性。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

Biomechanical comparison of newly designed stemless prosthesis and conventional hip prosthesis--an experimental study

Local bone loss after implantation of traditional stem-type prostheses remains an unsolved problem during the long-term application of total hip replacement. The stress shielding effect and osteolysis were thought to be the two main factors that result in local bone loss after prosthesis implantation. A newly designed stemless cervico-trochanteric (C-T) prosthesis was thus developed to reduce stress shielding and osteolysis caused by the implantation of conventional stem-type prosthesis. Eight synthetic femora were implanted with C-T and porous coated anatomic (PCA) prostheses. Under 2,000-Newton load, the surface strains of proximal femora were compared between the intact, PCA press-fit femora and the C-T implanted femora with three different fixation modes: two-screw fixation, three-screw fixation, and three-screw combined with cement fixation. The results revealed that stress shielding in the C-T implanted femora was significantly eliminated compared to that of the PCA implanted femora (p<0.01). No statistical difference in strain magnitude was found for the C-T implanted femora among the three different fixation modes (p>0.1). The C-T implanted femur has more physiological strain distribution. Moreover, from the C-T prosthetic characteristic design, the localized osteolysis would be also reduced due to the overall coverage of neck-trochanteric area. The newly designed C-T prosthesis may be a useful alternative to the traditional stem-type prosthesis in the future.     

人工股骨头置换治疗骨质疏松股骨转子间不稳定骨折的有限元应力分析

背景：通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体且模型间可比性低,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。 目的：运用计算机模拟骨质疏松股骨转子间不稳定型骨折人工股骨头置换,并做置换后股骨及假体的应力分析,评估置换后假体的初始稳定性。 方法：对志愿者双下肢进行薄层CT扫描获得股骨数据,图像处理软件Mimics11.1进行图像处理后数据导入建模软件UG4.0建立股骨三维模型;假体柄与股骨间行布尔运算,分为正常关节置换组和转子间骨折人工关节置换组,观察两组材料赋值、定义接触、受力加载、应力分析等情况。 结果与结论：人工关节置换改变了股骨的受力方式,股骨转子间骨折关节置换后的假体稳定性较好,在正常载荷下人工关节稳定。     

股骨—人工假体之间的界面生物力学分析

目的 对股骨-人工假体之间的界面生物力学进行分析。方法 应用非均质层状材料弯曲和扭转理论计算模型，定量分析了单足站立相及坐位起立时股骨干在不同假体植入前、后的应力分布情况。结果 由于股骨-假体界面两边材料性能不同，产生的较大应力差异是引起界面松动、剥离和损坏的生物力学原因。不同假体的弹性模量不同，产生应力遮挡的程度不同。结论 复合材料假体植入后应力遮挡率最低。羟磷灰石表面涂层假体能缓和界面层的应力差异。     

人工髋关节假体的设计及界面应力分析

背景：骨正确选择与宿主相容性良好的假体是保证全髋关节置换成功的重要因素,与置换后人工关节的生物力学性能和使用寿命有着密切的关系。 目的：总结人工髋关节假体的研究进展,分析人工髋关节假体设计与界面力学对假体植入后生物相容的影响。 方法：采用电子检索的方式在万方数据库中检索2000-01/2011-12有关髋关节假体材料及人工髋关节置换先关的研究,关键词为“髋关节、假体、置换、生物力学”。排除重复研究、普通综述或Meta分析类文章。 结果与结论：共纳入34篇文献进行评价。全髋关节置换后人工关节的生物力学性能与使用寿命有着密切的关系,假体受力可以分解为正应力和剪切应力两部分,正应力有益于假体的固定和力的传递,而剪切力会导致假体松动。假体周围骨质及骨量的变化,假体松动、脱位,假体周围骨折,材料磨损及假体周围感染是髋关节置换后影响中远期效果的常见并发症。目前还缺乏生物相容性好、生物力学相容性好的理想假体,人工髋关节设计、制造工艺、假体材料的耐磨性与界面应力等生物力学性能均有待于进一步提高,从而更好地适应宿主。