股骨柄假体与骨固定界面三维有限元模型的构建及其生物力学意义

目的 探讨非骨水泥型人工髋关节假体柄-骨固定界面三维有限元模型的构建方法及其生物力学意义.方法 选用股骨标本和股骨柄假体,分别行薄层CT扫描,保存断层扫描图像.将CT扫描数据以Dicom格式导人Mimics软件,进行灰度阈值调整、区域分割后,重建两者的三维模型,并模拟髋关节置换术进行装配.股骨体内腔与股骨柄之间定义为面-面接触关系,在Free form软件中对各模型铺面处理后以IGES格式导入有限元分析软件Ansys中,采用十结点solid 185单元进行网格划分,选择人体45％步态相模拟人体攀爬楼梯工况,分析相应的yon Mises应力分布情况以及界面接触压力、磨擦应力和相对滑动位移.结果 所构建的面-面接触连接、界面划移的非骨水泥型髋假体-骨界面三维有限元模型,客观反映假体-骨界面的真实解剖形态及生物力学行为,还原性良好,可以满足有限元分析的需要.结论 构建的非骨水泥型人工髋关节假体-骨固定界面三维有限元模型,为非骨水泥型髋关节置换术后假体-骨固定界面骨改建、骨整合的力学基础研究提供精确模型.     

膝关节骨性关节炎与类风湿性关节炎胫骨平台的骨微结构及骨水泥-骨界面生物力学

目的骨水泥关节假体无菌性松动常发生在骨水泥-骨界面,而此界面的力学强度主要取决于界面区域的骨形态和骨与骨水泥之间的交锁程度。文中探讨骨性关节炎(osteoarthritis,OA)与类风湿性关节炎(rheumatoid arthritis,RA)胫骨平台骨小梁微结构、骨水泥-骨界面生物力学强度及其相关性。方法收集人工全膝关节置换术中截取的OA及RA患者胫骨平台各20例,用Skyscan1176小动物活体断层扫描体统扫描标本的内、外侧胫骨平台软骨下骨小梁,获得其显微结构参数,再将胫骨平台骨标本制成骨水泥-骨模型,用INSTRON强度测试仪测出骨水泥-骨界面剪切强度,对骨小梁微结构与界面强度的相关性进行对比分析。结果 1剪切力与OA胫骨平台骨小梁骨体积分数(bone surface/bone volume,BV/TV)(r=-0.313)、骨小梁厚度(r=-0.340)、骨小梁间隙(r=0.345)呈显著相关性(P<0.05),骨水泥-骨界面力学强度OA内侧胫骨平台低于OA外侧胫骨平台[(87.45±52.50)N vs(177.25±71.11)N,P<0.05]。2剪切力与RA胫骨平台骨小梁BV/TV(r=0.343)、骨小梁数目(r=0.391)呈显著相关性(P<005),界面强度RA外侧胫骨平台低于RA内侧胫骨平台[(62.23±46.22)N vs(79.20±56.37)N,P<0.05]。3骨水泥-骨界面的强度OA大于RA[(132.35±76.64)N vs(71.05±51.55)N,P<0.05]。结论 OA与RA患者胫骨平台软骨下的骨小梁显微结构存在差异,导致骨水泥-骨界面生物力学强度的不同,对人工膝关节假体的力学环境分析有一定的指导作用。     

骨形态发生蛋白-2基因治疗对假体-骨界面影响的实验研究

目的观察假体周围骨缺损重建中,骨形态发生蛋白(BMP)2基因治疗对假体骨界面骨整合的影响。方法14条成年Beagle犬,于双侧股骨外髁造成横向骨缺损,植入光滑面钛合金假体后保持假体周围3mm骨缺损。共28侧分成4组:空白对照组(2侧),缺损区未行处理;其余分3组为无细胞组(8侧)、细胞组(8侧)和基因组(10侧),采用压缩植骨技术重建股骨髁假体周围骨缺损,分别植入犬异体冻干骨、复合自体骨髓基质干细胞的冻干骨以及复合转BMP2基因自体骨髓基质干细胞的冻干骨。通过组织学、组织形态计量学及生物力学评估假体骨界面的愈合和整合。结果术后6周,基因组假体表面明显较多的新骨沉积,可见散在的假体与新骨间点状接触,假体骨接触率(BIC)达10%左右,而空白对照组、无细胞组和细胞组界面为厚薄不一的软组织,BIC为0;12周时,空白对照组界面仍是较厚的软组织,无细胞组和细胞组的界面主要为结缔组织纤维膜,少量点状骨接触,BIC均未超过10%,基因组的假体骨界面主要为骨组织,假体骨界面可见连续性骨接触,部分BIC达50%,远高于前两组(39.2±7.5比8.4±1.3、7.2±1.5,均P<0.01)。各组的界面推出强度随时间增加,基因组的强度在各个时间段均远高于前两组(1.40±0.22比0.09±0.04、0.08±0.04,均P<0.01)。结论BMP2基因治疗可明显提高假体骨界面的骨整合。     

复合骨水泥一髋假体柄生物固定的实验和临床研究

防止髋假体柄的松动、下沉是矫形外科极待解决的重要课题，传统骨水泥的老化、破碎及非骨水泥表面微孔假体柄都显示极大的局限性及缺陷。本实验研究通过用30只成年家兔行右侧人工股骨头置换，分别采取Ⅰ组（DBM加骨水泥）、Ⅱ组（BMG加骨水泥）、Ⅲ组（单纯骨水泥）Ⅳ组（柄直接插入）等四种假体柄固定方法，以对比研究不同方法的固定作用。定期X线照片、组织学观察及生物力学检测，结果发现：复合骨水泥（Ⅰ、Ⅱ组）能使假体柄达到早期的机械固定；晚期骨组织长入骨水泥而使其与宿主骨融为一体，未见柄周围骨质发现吸收与破坏；骨—骨水泥界面、骨水泥—柄界面剪切强度随时间的推移而逐渐增加，24周达高峰并趋稳定，明显高于Ⅲ组或Ⅳ组（P＜0.01）。Ⅲ组晚期股骨近端出现骨质吸收、破坏，骨—骨水泥界面形成纤维假膜，骨水泥出现微细破裂。Ⅳ组早期机械固定不牢，有假体松动、下沉。     

骨髓腔冲刷对骨水泥-骨界面结合强度的影响

目的研究骨髓腔分别用高压脉冲水枪冲洗、髓腔刷洗(骨髓腔清创,简称"冲刷")处理及不做处理后,骨水泥与骨界面及其结合情况,进行界面力学测定,对结果作比较.并根据该实验提出骨髓腔清创术的概念.方法实验选用马尺骨40根,分4组抗拉力冲洗刷洗组(10根),抗拉力未处理组(10根),抗扭转力冲洗刷洗组(10根),抗扭转力未处理组(10根),处理后用相同方法注入骨水泥.通过CT截面扫描观察界面结合情况.测出抗拉力(2组)、抗扭转力(2组),结果进行统计学分析.最后,分别观察骨水泥表面及骨小梁表面的情况,作对比.结果 CT截面扫描可见冲刷组界面结合率为64.47%,未处理组界面结合率为26.67%,相差37.8%,经统计学检验得P＜0.005,二者的差异有显著性.冲刷组的抗拉力及抗扭转力明显高于未处理组,经统计学检验得P＜0.01,二者的差异有显著性.镜下观察发现两组骨水泥表面及骨小梁表面的情况有明显不同.结论骨髓腔高压脉冲冲洗加刷洗可显著增强骨水泥与骨界面的结合强度,为临床骨水泥假体应用提供了实验依据.     

UHMWPE颗粒导致假体无菌性松动模型的建立

目的：建立超高分子质量聚乙烯（UHMWPE）颗粒导致的人工关节无菌性松动动物模型.方法：将12只平均体质量3kg的雌性新西兰大白兔随机平分为实验组和对照组,两组均向左侧胫骨髓腔竖直植入羟基磷灰石（HA）涂层假体.实验组于植入前向假体表面均匀涂抹25μgUHMWPE颗粒,对照组不做处理.术后12wk回收标本行骨组织形态学、生物力学以及影像学测量,评估新模型效果.结果：同对照组相比,实验组的骨皮质厚度、生物力学固定强度、骨-假体接触率、假体周围骨体积分数、骨矿化水平和假体周围骨密度均有所下降.结论：成功建立了假体表面涂抹UHMWPE颗粒诱导新西兰大白兔人工关节假体无菌性松动的动物模型.     

铬铝钛氮复合涂层对钛瓷结合强度的影响

目的 探讨用磁控溅射涂层作为钛与瓷间的中间层，增强钛／瓷结合强度的可行性。方法 对钛试件表面采用4种不同方法（磨光、磨光后磁控溅射CrTiA1N梯度涂层、喷砂、喷砂后磁控溅射CrTiA1N复合涂层）处理后，测试钛试件表面硬度及涂层厚度，对表面进行Duceratin瓷粉烧结。根据ISO 9693标准，对钛／瓷间的三点弯曲结合强度进行测试，并对钛／瓷结合界面和瓷剥脱面进行SEM／EDS观察与分析。结果 磨光组和喷砂组涂层处理厚度一致．涂层处理可使钛表面硬度显著提高；磨光涂层组钛／Duceratin瓷结合强度显著大于磨光空白组（P〈0．01），喷砂涂层组钛／瓷结合强度和喷砂空白组无统计学差异（P〉0．05）。喷砂空白组、喷砂涂层组钛／瓷结合强度显著大于磨光涂层组（P〈0．05）。磨光空白组钛瓷界面可见连续且较宽的裂隙；磨光涂层组可见钛瓷结合较好，界面散在不连续的点块状裂隙；喷砂空白组钛瓷界面结合较好，无明显裂隙；喷砂涂层组钛瓷结合良好，钛表面凸凹不平，与瓷相互嵌合。结论 钛表面磁控溅射CrTiAlN梯度涂层在光滑钛表面可有效地提高钛／瓷结合强度，磁控溅射涂层是一种有前景的钛瓷界面中间层。     

骨水泥假体柄-股骨界面应力传递模型

目的研究骨水泥假体柄与股骨界面应力传递的力学模型。方法将股骨、骨水泥,假体柄视为线弹性和各项同性材料结合的同心圆柱体。建立包含热效应时的轴对称界面应力传递模型,获得了股骨、骨水泥和假体柄轴向应力以及假体柄／骨水泥、骨水泥／股骨界面剪切应力随轴向位置的分布。结果界面失效是假体柄／骨水泥／股骨结构的主要失效形式,且存在热效应时,界面更可能产生混合的而不是存剪切的失效形式;由于骨水泥具有较高的热膨胀系数,热效应的存在具有加速界面失效从而加剧应力遮盖效应的趋势;在较高热残余温差下,运用钴铬合金比Ti-6Al—4V合金假体柄材料更容易导致界面和股骨的失效。结论在骨水泥,假体柄承受压缩应力的状态下,应用弹性力学的基本方程,获得了假体柄,骨水泥,股骨轴向应力以及界面剪切应力随轴向位置的分布。界面失效是假体柄,骨水泥,骨结构承载的主要失效形式。热残余温差的存在,加速了假体柄、骨水泥和股骨界面的失效,加速了假体柄的松动,加剧了股骨应力遮盖效应。这主要是骨水泥具有较高的热膨胀系数所致。由于Ti-6Al-4V（钛合金）材料的弹性模量和热膨胀系数比钴铬合金小,在一定程度上缓和了界面和股骨的失效。这与临床所见一致。     

钛合金三种表面处理动物实验

目的:通过表面处理后钛合金假体动物实验,从生物力学角度评价其生物活性,为假体表面活化技术评价和改进提供实验依据。方法:选取12只健康成年大狗,随机分成两个时间组,全麻后于双侧股骨植入经表面处理后的钛合金假体材料及未经表面处理的钛合金材料,分别于术后8周及12周静脉注射处死大狗,取出假体,通过推出实验方法对不同表面处理进行生物力学评价。结果:各种植入体均具有良好的组织相容性。碱热处理后假体生物力学测试推出实验所需最大推出力较其他组高,显示碱热处理与宿主骨结合界面的剪切强度大于其他表面处理假体。结论:实验中采用碱热处理技术植入物可有效使骨与假体界面之间较早达到牢固固定,有临床价值,在假体的制造过程中应予以重视。     

髋关节三维有限元模型的构建及关节囊修复预后分析

目的 构建髋关节置换的三维有限元模型,模拟关节囊修复和术后康复活动,比较两种关节囊修复方法的生物力学差异。方法 以骨-囊-骨方式采集6个冷冻髋关节的后关节囊韧带复合体标本,用万能材料试验机测定标本的载荷-应变曲线等力学特性。采集一名志愿者骨盆及下肢薄层CT扫描数据导入Mimics软件,构建髋关节的三维模型,在CATIA软件中建立臼杯、股骨假体、关节囊的三维数字模型导入Mimics,模拟行全髋关节置换手术（THA）,装配后数据导入ABAQUS软件中,根据解剖研究、力学结果、本构方程设定关节囊属性,测量、比较屈髋过程中,解剖和传统修复关节囊的生物力学差别。结果 关节囊韧带复合体标本测试平均极限拉伸应变（39.21±5.23）%、极限拉伸强度（1.65±0.38）MPa。有限元模型应力-应变曲线与标本力学测试的结果相似,符合关节囊的力学特征,屈髋活动时解剖修复的关节囊应力分布均匀,均在极限拉伸强度范围内,传统修复关节囊应力分布不均,屈髋90°时下部关节囊的拉伸应力达到关节囊标本的拉伸强度极限。结论 有限元模型可用于动态、量化、可视化分析髋关节囊应力分布,解剖修复比传统修复更符合生物力学特点。