高吻合度股胫关节面人工膝关节假体的磨损

目的探讨人工膝关节假体股胫关节面高吻合度对假体运动和衬垫磨损的影响。方法设计和制作一款冠状面高吻合度膝关节假体,并用体外磨损实验和有限元模拟相结合的方法研究该假体衬垫的磨损。结果体外试验和有限元模拟所得的衬垫质量磨损率分别为(14.29±3.19)mg/MC和14.67 mg/MC(million cycle,MC,百万次循环)。5 MC后,体外试验和有限元模拟得到的衬垫磨损区域大致吻合,在中部区域会出现较为严重的磨损。结论有限元模拟与体外试验结果较为一致,股胫关节面冠状面高吻合度假体的磨损率较低。研究结果对高吻合度人工膝关节假体的磨损评估及临床应用具有实际意义。     

上楼梯对人工膝关节假体磨损影响的有限元研究

目的通过有限元磨损模型研究上楼梯对衬垫磨损的影响,对完善人工膝关节的磨损评估方法、指导假体设计等具有重要的理论和实际意义。方法基于Archard磨损理论建立人工膝关节衬垫磨损的有限元模型并验证,然后加载正常水平行走(ISO14243标准)和上楼梯的载荷,对比分析上楼梯对衬垫磨损的影响。结果水平行走步态载荷下,模型预测的磨损结果与文献实验报道结果一致,模型具有较好的有效性。上楼梯的体积磨损率为每100万次循环(million cycle,MC)37.10 mm~3,显著高于水平行走步态的体积磨损率(16.94 mm~3/MC),线性磨损也具有类似的结果。上楼梯内侧平台的磨损区域主要集中在后部,与水平行走时内侧平台的磨损主要发生在中部区域有明显不同。结论上楼梯作为高载荷、高屈膝角度的日常运动之一,对人工膝关节衬垫的磨损有较大影响,其磨损率和磨损区域与水平行走有明显差异,在人工膝关节的磨损检测和评估中应该给予适当的重视。     

新型运动模式铰链膝关节假体磨损有限元分析

目的 对新型球轴运动模式铰链膝关节假体进行有限元分析,研究假体磨损仿真的方法及运动方式对假体磨损的影响。方法 基于球轴假体接触力学有限元模型,根据Archard磨损理论,建立磨损有限元模型,以各种运动数据为加载条件,模拟生理活动下膝关节的力学环境,研究球轴假体磨损情况。结果 对于胫骨衬垫,上下楼时平均和最大接触应力均高于步行,上楼时累积磨损体积大于下楼和步行,且磨损均主要发生在衬垫下表面。对于球轴衬套,仅步行时存在短时间接触和磨损,累积磨损体积为0.19 mm³。结论 铰链膝关节假体的球轴运动模式可改善置换后膝关节力学环境,降低衬套磨损,延长假体生存期。有限元仿真可有效预测铰链假体的磨损,为其设计及改进提供理论支持。     

有限元分析全膝关节置换股骨假体置入定位参数及临床优化验证

文章快速阅读：  文题释义：全膝关节置换三维有限元仿真模型：是指对股骨假体截骨定位参数进行正交实验,选择股骨假体的平移量、外旋度数、外翻度数3个参数作为正交实验的相关因素,创建全膝关节置换膝关节的有限元模型。活动平台型膝关节假体：其聚乙烯衬垫与托盘不固定,之间能够自由滑动和旋转,可以减少聚乙烯磨损和假体松动的风险,现阶段临床应用比较多的是活动性膝关节假体,该假体能够扩大相应界面与聚乙烯衬垫的接触面积,减少接触应力。   背景：三维有限元仿真分析在生物力学中有着广泛应用,但在膝关节置换中的研究不多,对股骨假体的研究也比较少。目的：有限元分析膝关节置换股骨假体置入的优化定位参数,并对Gemini-PS膝关节假体全膝关节置换进行临床验证。方法：①构建全膝关节置换膝关节有限元模型,对股骨假体截骨定位参数进行正交实验,选择股骨假体的平移量A、外旋度数B、外翻度数C 3个参数作为正交实验的相关因素,每个参数取3个值建立正交表,创建9个实验组合的全膝关节置换膝关节的有限元模型,对9个模型进行有限元分析,通过优化处理进行方差和极差分析。②纳入42例(47膝)中老年膝骨关节炎患者,采用Gemini-PS 膝关节假体进行全膝关节置换,采用美国特种外科医院膝关节评分及美国膝关节协会评分评价置换前后膝关节功能,以疼痛目测类比评分评估置换前后膝关节疼痛程度。结果与结论：①聚乙烯衬底表面压应力峰值最小的为平移0 mm,外旋3°,外翻6°组合,压应力峰值为15.9 MPa;聚乙烯衬垫表面压应力的影响因素中,内外平移的影响大于外旋角度的影响大于外翻角度的影响;通过极差分析和方差分析发现股骨假体置入的最佳定位参数组合为平移0 mm,外旋3°,外翻6°;通过仿真计算证明正交实验是有效的;②42例患者均得到随访,随访时间12-36个月,1例发生术口下段皮下脂肪液化;置换后末次随访患膝美国特种外科医院膝关节评分及美国膝关节协会评分均较置换前显著提高(P < 0.05);置换后疼痛目测类比评分较置换前显著降低(P < 0.05)。X射线检查未发现骨溶解、假体脱位及松动等并发症,置换后膝关节功能恢复良好;③结果提示,股骨假体置入位置的微小变化都会引起聚乙烯衬垫表面压应力峰值的异常分布,全膝关节置换术中对股骨假体进行准确定位可以取得良好的置换效果。 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 ORCID:0000-0002-3861-0467(徐高伟)     

UKA假体后倾角安装位置对衬垫磨损的影响

目的 研究单髁膝关节置换(unicompartmental knee arthroplasty, UKA)假体不同后倾角度安装对膝关节承载、运动及衬垫磨损的影响。方法 联合UKA骨肌多体动力学模型、有限元模型和磨损模型,分析固定式UKA假体5种后倾角安装位置情况对术后膝关节力和运动、衬垫接触应力、线性磨损深度和体积磨损量的影响。结果 后倾角0°时,衬垫的最大von Mises等效应力为24.84 MPa,接触应力为47.61 MPa, 5百万次循环(million cycle, MC)周期的磨损量为47.29 mm³。随着UKA胫骨假体后倾角的增加,步态周期内旋和后移运动均增大,摆动相的内侧关节力增大,5 MC磨损周期后衬垫von Mises等效应力与接触应力显著减小,衬垫的磨损面积、最大线性磨损深度和体积磨损量随之减少。相对于后倾角0°,后倾角为3°、5°、7°时衬垫的线性磨损深度分别减小了17.8%、19.2%、20.6%;衬垫体积磨损量分别下降了24.5%、30.9%、34.3%。结论 UKA假体考虑后倾角安装超过3°时会显著增加步态周期内旋运动和后移运动,...     

全膝关节置换固定和旋转平台假体的有限元分析

背景:目前有研究对全膝关节置换进行三维有限元分析,但关于全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触压和接触面积的研究不多。目的:探讨全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触压和接触面积。方法:建立全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体的三维有限元模型,比较全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触压和接触面积。结果与结论:全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体的聚乙烯衬垫内侧和外侧接触压峰值以屈膝0°时最小,全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧接触压峰值在屈膝0°-90°时均高于外侧接触压峰值(P<0.05)。全膝关节置换固定平台假体在屈膝60°-120°时聚乙烯衬垫内外侧接触压峰值均高于旋转平台内外侧接触压峰值(P<0.05)。全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧和外侧接触面积以屈膝0°时最大。全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触面积在屈膝0°-30°时均低于外侧接触面积(P<0.05),全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触面积在屈膝0°-90°时均低于外侧接触面积(P<0.05)。全膝关节置换固定平台假体在屈膝30°-120°时聚乙烯衬垫内外侧接触面积均低于旋转平台内外侧接触面积(P<0.05)。表明全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体内外侧聚乙烯衬垫内侧接触压峰值高于外侧接触压峰值,内侧接触面积低于外侧接触面积,旋转平台假体的内外侧接触压低于固定平台假体,旋转平台假体的内外侧接触面积高于固定平台假体。     

膝关节单髁置换术胫骨假体不同后倾角对假体磨损和功能的影响

目的 建立单髁置换术胫骨假体后倾3°和7°膝关节不同屈膝角度三维有限元模型,研究两种后倾角膝关节生物力学特性和假体磨损及其对功能的影响。方法 结合人体膝关节CT与MRI图像和第3代Oxford假体,建立胫骨假体后倾3°和7°下屈膝单髁置换术有限元模型,在股骨内外侧髁中心点上施加1 kN载荷模拟人体站立相负重,分析不同屈膝角度下单髁假体与关节软骨的最大应力及分布。结果 0°、30°、60°、90°和120°屈膝角度下后倾3°半月板衬垫最大应力分别比后倾7°增加了28.06%、68.99%、19.45%、21.06%、53.38%,应力分布区域从衬垫侧边向中央区域集中,屈膝120°时应力集中明显。胫骨假体后倾3°单髁假体最大应力均大于后倾7°,应力集中区域的扩大会导致假体的磨损和松动,关节软骨接触应力和集中区域随后倾角增大而增大,在高屈曲角度时应力集中更明显。结论 单髁置换术胫骨假体后倾角3°较7°时假体应力和磨损更高,研究结果为临床膝关节单髁置换手术方案设计提供理论依据。     

膝关节活动单髁假体衬垫形状及安装位置对置换后膝关节应力分布影响的有限元分析EI北大核心CSCD

在单髁置换手术中,市面上可供选择的单髁假体种类较多,常见的衬垫与股骨假体接触面一致性与否,会对置换后的膝关节应力分布产生不同的影响。单髁置换术后胫骨平台内侧断裂以及衬垫脱位是常见的两种失效形式,原因之一是单髁假体在膝关节中的安装位置不匹配,可能导致失效。故本文主要研究衬垫与股骨假体接触面的形状及单髁假体的安装位置对置换后膝关节应力分布的影响。首先,本文建立了正常人体膝关节有限元模型,通过应力和变形两种方式验证了该模型的有效性。其次,建立了两种不同形状衬垫膝关节假体模型(A型和B型),模拟分析在单腿站立情况下,两种衬垫5种内外翻安装位置的膝关节应力分布情况。结果表明,在1 kN轴向载荷下,衬垫峰值接触压力、前交叉韧带峰值等效应力、外侧半月板峰值接触压力,这3种参数A型均比B型小,5种内外翻安装位置下A型在内翻3°时衬垫变形、衬垫峰值接触压力、胫骨峰值等效应力、前交叉韧带峰值等效应力均最小。单髁置换时,建议假体内翻6°以内,选择A型或B型衬垫,需结合患者的其他因素综合分析选择。综上所述,本文研究结果或可降低单髁置换后衬垫脱位、胫骨内侧平台断裂的风险,以期为单髁假体设计提供生物力学参考。     

肿瘤型膝关节置换后股骨-假体-胫骨复合体生物力学响应

目的研究肿瘤型铰链式膝关节置换术后股骨-假体-胫骨复合体正常站立状态下的生物力学响应,探讨病人术后发生股骨穿孔的原因,为肿瘤型铰链式人工膝关节假体的优化设计与制造提供理论基础。方法兼顾CT及三维光学扫描数据建立股骨远端骨肉瘤瘤段切除肿瘤膝关节置换后的病人股骨-假体-胫骨有限元模型,并进行相关有效性验证,从而进一步分析人体站立状态下股骨-假体-胫骨复合体的应力分布及应力遮挡现象。结果 (1)在站立加载状态下,相对胫骨,股骨的应力明显更大且集中分布趋势显著,股骨前1/3区域应力较大,呈现应力遮挡效应。(2)由于模型基于临床病人几何及骨质特征建立,股骨应力集中位置与临床中病人股骨穿孔位置接近,表明在施加自身重力状态下可能发生与病人病症一致的股骨损伤行为。结论肿瘤型铰链式膝关节假体植入后,由于假体髓针深入骨髓腔,正常站立状态下亦对骨髓腔产生一定的压力;由此产生的应力遮挡效应以及假体髓针与特定骨髓腔的匹配情况均可能引起股骨应力集中,从而将可能引起股骨开裂,甚至穿破,影响手术质量。建议术前优化假体设计以减轻或避免此类现象,从而减少术后患者的并发症发生率。     

膝关节前交叉韧带断裂单髁置换生物力学特性的有限元分析

目的基于人体膝关节CT和MRI图像建立前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)断裂和正常膝关节三维实体模型,采用有限元方法研究ACL断裂膝关节在不同屈膝角度对植入假体生物力学性能的影响。方法结合临床单髁置换手术方案植入第3代牛津单髁(OxfordⅢ)假体,其中胫骨假体后倾7°,建立膝关节屈曲0°、30°、60°、90°和120°单髁置换的三维有限元模型,在股骨中心点上施加1 k N压缩载荷,分析5种屈膝角度下股骨假体、半月板衬垫、胫骨假体的应力分布情况。结果膝关节ACL断裂组与正常组在5种屈膝状态下,半月板衬垫的最大主应力在ACL断裂组与正常组之间最大相差幅度为62. 5%,在0°、30°、60°和120°屈膝状态下ACL断裂组最大应力均大于正常组;股骨假体在ACL断裂30°时的最大应力明显增加,其余4种屈膝状态下应力的最大增幅为60. 81%;胫骨假体在5种屈膝状态下ACL断裂组最大应力比正常组分别增加了19. 07%、36. 78%、25. 69%、-4. 38%、51. 19%。当ACL断裂后,除屈膝90°外半月板衬垫和胫骨假体上的均布应力均大于正常组,在屈膝30°和120°时对半月板衬垫的磨损较大。结论单髁置换假体的应力分布随膝关节屈曲角度和ACL功能的变化而存在差异,ACL断裂组应力整体趋势大于ACL正常组,且应力集中于内侧区域,在屈膝120°时应力最大,磨损最为明显。研究结果为临床膝关节ACL断裂单髁假体置换的手术方案和半月板假体的优化设计提供理论依据。     

The incidence of revision of the metal component of total knee arthroplasties in different tibial-insert designs

Seventy-one revisions of knee arthroplasty due to wear of modular tibial polyethylene inserts undertaken from May 1990 to May 1999 were reviewed. In 38 cases (53.5%), severe damage was noted that necessitated replacement of the metal components. This proportion was less than in a previous study (88.7%). All the cases were further divided into two groups based on the design of the tibial component, one group having mobile bearings and the other fixed. In only 17.7% of the mobile group was there a need to replace metal parts at revision, whereas 83.8% of the fixed group required such replacement, which is much more comparable to the previous study. Therefore, the incidence of revision of the metallic component of a total knee arthroplasty depends greatly on the design of the tibial components.     

Comparison of articular and backside polyethylene wear in mobile bearing unicompartmental knee replacement

Background

Unicompartmental knee replacement (UKR) is an alternative to total knee replacement for selected patients with isolated medial or lateral compartment osteoarthritis. One of the most popular UKR implants was introduced as a mobile-bearing design in part to reduce polyethylene wear. However, backside wear of the mobile-bearing implant has not been examined independently from the articular surface.

Failure of one design of surface replacement knee arthroplasty due to loosening deformation and wear of the plastic femoral component

Twenty four knee prosthesis femoral and tibial components of the 'load angle inlay' design, removed for loosening and pain were examined in the scanning electron microscope, light microscope, and volume loss measured using a simple gauge. In all cases the deformation of the plastic (femoral) component was seen both by increase in the curvature of the inner surface and wear usually on the edge of the bearing surface. Two pairs were subluxed prior to removal from the patient and these not only produced gross deformation of the plastic components, but maximum volume loss of the components examined; the knees exhibited gross instability. The tibial (metal) components stood up remarkably well in all cases, both in wear and deformation which was minimal but sinking and rotation of the plateau did occur for the most part on the external side. Scratch patterns seen on the tibial components were clearly seen and gave an indication of the direction and amount of sliding between the components; in some cases these scratch lines were in more than one direction probably indicative of loosening and instability. Short deep scratches were usually indicative of bone and/or cement particles embedded in the plastic components, abrasive wear was seen on 92 per cent of the femoral components, and cracks were seen on two-thirds, usually parallel and close to the sides.     

人体天然牙不同深度层次的显微硬度与耐磨性的研究

采用显微硬度计测定人体天然牙不同深度层次 (牙釉质、釉牙本质界及牙本质 )的显微硬度 ,并在改进后的微动试验台上对其相应区域进行了模拟牙齿摩擦副的摩擦磨损试验研究。结果发现 ,显微硬度 :牙釉质的为3 2 0 .40± 2 2 .77HV,釉牙本质界 2 3 2 .2 6± 3 2 .3 1HV,牙本质 61.17± 9.42 HV( P<0 .0 5 ) ;磨痕深度 :牙釉质的为17.3 3± 0 .5 8μm,釉牙本质界 49.44± 16.47μm,牙本质 95 .2 0± 15 .0 7μm( P<0 .0 5 ) ;牙釉质的耐磨性明显高于牙本质 ,值得牙科临床注意     

交叉剪切对人工关节应用中PEEK和CFR-PEEK磨损的影响

磨损是人工关节置换中晚期失效的主要因素,而交叉剪切效应对于磨损性能的研究具有重要的意义。聚醚醚酮(PEEK)和碳纤维增强聚醚醚酮(CFR-PEEK)优异的耐磨性能为人工关节材料的研发提供希望。为了研究交叉剪切效应对于PEEK和CFR-PEEK磨损性能的影响,通过在一系列交叉剪切条件下进行的磨损实验测试,对PEEK和CFR-PEEK的磨损机理进行深入的研究,同时与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)进行对比。实验结果表明,PEEK与UHMWPE具有一样的与交叉剪切相关的磨损效应,而CFR-PEEK材料在实验中并没有表现出明显的交叉剪切效应。另外,在同等条件下,与UHMWPE相比,PEEK的耐磨性能较差,其磨损系数约为UHMWPE的8倍;而CFR-PEEK的耐磨性能具有显著的优势,其磨损系数约为UHMWPE的50%。因此,CFR-PEEK材料在人工关节应用中有望成为UHMWPE合适的替代材料。     

关节置换材料及摩擦磨损

关节置换已广泛应用于关节炎晚期治疗，外伤致残和骨瘤切除术术中。关节置换材料的耐磨性能会直接影响置换关节的使用质量和使用寿命。本文对关节置换材料及摩擦磨损进行了简要综述。     

人工关节磨损颗粒诱导钛合金植入物松动的实验研究

为比较不同人工关节微小磨损颗粒诱导假体周围骨吸收及假体松动生物效应的差异。方法：本实验采用Ｘ线摄片骨密度灰度值测定以及植入物推出力学强度测试等手段,对Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ,Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ与ＵＨＭＷＰＥ三种微小颗粒诱导的假体周围骨结构改变及假体松动作定量分析。结果统计分析显示,直径２．５微米的Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ颗粒诱导植入物旁骨吸收与植入物松动的程度明显低于相同直径的Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ颗粒或ＵＨＭＷＰ     

人工关节磨损颗粒的分形表征及分类特征分析

目的研究膝关节模拟实验条件下超高分子量聚乙烯(UHMWPE)磨损颗粒的形态及分形表征,对磨损颗粒进行分类特征分析,探讨分形维数与磨损状态的相关性。方法采用膝关节模拟器以实现模拟膝关节磨损运动,股骨、衬垫分别选用医用锻造CoCrMo合金和UHMWPE。磨损颗粒提取依据标准ISO 17853进行,利用磨粒轮廓自动提取与分形识别系统对磨损颗粒进行分形分析,采用网格划分、聚类分析和遗传模拟退火算法3种模型对磨粒进行分类识别。结果 UHMWPE单体磨粒的分形特征明显,尺寸较大的条形磨屑过渡到尺寸较小的类球形磨粒时,雷达分形维数不断减小,球状磨粒的分形维数D接近0。遗传模拟退火算法模型磨粒群体分类划分的分形维数内加权误差平方和最小,聚类特征明显。当磨损运行周期较低时,分形维数较大的条状、针叶状和纤维状磨粒占比较大,磨损以犁沟和剥落磨损为主;随磨损周期的延长,大分形维数磨粒占比下降,低分形维数的片状、块状和类球状磨粒占比上升,磨损向疲劳磨损和黏着磨损转变,磨损状态过渡到复合磨损期。当进入稳定磨损期后,各类形态磨粒的占比例变化不大。由于小尺寸磨粒的数量增加,群体分形维数有所减小。结论以改进雷达图分形方法为基础的磨粒轮廓自动提取与分形识别系统,可用于人工关节磨损颗粒的形态轮廓提取、分形维数计算和参数统计,为人工关节磨粒的识别和诊断提供新的数字化分析工具。     

Alternative macrophage activation in periprosthetic osteolysis

Several disorders characterized by macrophages accumulating non-disposable (or hard to dispose of) material or formation of multinucleated giant cell containing granulomas have been linked to elicitation of an alternative macrophage activation phenotype. Gene profiling efforts have shown that alternative macrophage activation can exist in numerous forms, each specific for the particular biological niche in which the macrophage finds itself, accentuating the plasticity of this cell type. Periprosthetic osteolysis is characterized by macrophage phagocytosis of particles of wear debris and formation of foreign body granulomas, suggesting the hypothesis that it may represent a new member of this group of diseases characterized by alternative macrophage activation. Gene profiling has provided strong supportive evidence for this hypothesis, revealing that periprosthetic tissues of osteolysis patients show the presence of a pronounced alternative macrophage activation pathway, with the classical pro-inflammatory activation pathway being less evident. These findings have important implications for our understanding of periprosthetic osteolysis and how to approach future investigations into this disease.     

髋关节假体体外磨损试验方法研究

目的 依据ISO 14242进行髋关节假体体外磨损试验,研究试验过程中髋关节假体在设备上的固定、定位及润滑剂的浓度测定、抑制润滑剂长菌的抑菌剂选择等难点问题。方法 利用AMTI髋关节磨损试验机,使用不同规格和材料的髋关节假体及不同的小牛血清抑菌剂,开展多组磨损试验。结果和结论 在髋臼杯固定方面,需要对其外表面进行光滑处理;在假体定位方面,设计一种能够满足ISO 14242规定的适用于AMTI髋关节磨损试验机的定位工装;在润滑剂浓度测定方面,推荐使用紫外吸收法或考马斯亮蓝法;在抑菌剂方面,ProClin 300可作为替代品,对假体进行磨损量的测试。创新之处 体外磨损试验周期长,过程复杂,操作过程中难点多,对试验操作要求精准严格。然而,现有的研究大多集中在产品应用方面,没有针对测试操作方法的详细研究,该研究可以为髋关节假体体外磨损试验操作人员提供参考。