初次承重引发骨水泥-柄界面脱粘损伤的分析

BACKGROUND: The main reason for the postoperative loosening of cemented prosthesis is interfacial debonding and bone cement internal damage. Most studies have suggested that both of them occur in the process of fatigue damage, however, little is reported on primary loading that results in the initial damage to the bone cement-stem interface and inside of bone cement. OBJECTIVE: To study the mechanical properties of bone cement-stem interface, and the effect of crack formation in bone cement on interfacial loosening. METHODS: The cement-titanium alloy handle implant components were prepared. The maximum adhesive force of bone cement-stem interface was measured using push-in experiment. The cement damage and crack in the process of bone cement-handle interfacial debonding were monitored online using acoustic emission tester. The non-destructive testing on the metal surface and the inner layer of bone cement cylinder was conducted using three-dimensional surface profiler, ultrasonic microscopy and X-ray detector.   RESULTS AND CONCLUSION: The online monitoring results of debonding experiment and acoustic emission tester demonstrated that the initial damage of bone cement initiated in the primary loading of patients after operation, rather than at fatigue damage stage. Bone cement coffin caused cracks initiation mainly due to the combination effect of radial and axial stress. The bone cement-stem interfacial shear lag effect could not prevent the gradual extension of interface and inner coffin crack from top to bottom. The bone cement defects formed in solidification process was likely to affect the mechanical properties of the material, and eventually induced the crystal face and macromolecular chain fractures, forming silver striated cracks and leading component failure.      

全髋置换对膝关节运动状态的影响(英文)

背景:处在不同运动状态的人体下肢关节系统,其力学特性和关节变形量具有较大的差别.全髋置换是目前解决髋关节严重疾病的最终方法.明确置换前后人体下肢系统,特别是膝关节对置换的响应对于患者的康复训练具有积极意义.目的:通过对健康者和行全髋置换后19个月的患者,在相同的测试环境和测试方法下进行数据采集,对比分析髋关节置换对膝关节在运动中关节变形量的影响.方法:采用NDI公司的动态捕捉系统对行全髋术后19个月的患者进行测量,同时与患者身体状况相似的健康志愿者采用相同的测量仪器和测量方法进行实验.测量内容包括步长,步频,关节转角和关节位移曲线,并根据测量数据计算各关节的速度和加速度.结果与结论:由于髋关节置换对患者的自然关节状态进行了破坏,虽然置换后的步态没有太大的差别,但是通过实验数据可以发现,膝关节的变化量比正常状态下要大,说明人体自身进行了调节,通过增大膝关节的负荷,增加变形量来弥补由于髋关节手术所带来的损伤.     

含水率对自然关节软骨压缩变形的影响

目的研究含水率对天然关节软骨的压缩变形特征。方法在40℃的真空恒温箱内测定纯软骨、底质骨和软骨在不同挥发时间下的质量损失,在UMT-2型试验机上测量软骨在不同含水率下的围限压缩变形,结合Mow的关节软骨本构方程,获得软骨组织的聚集模量和渗透系数。结果在40℃下纯软骨、底质骨和软骨的质量损失与挥发时间呈非线性增加,粗略确定了含水率为75%、50%、25%和0%的挥发时间分别是17min、35min、54min和100min。较高的含水率产生了较大的压缩变形、较低的聚集模量和较高的渗透系数。结论压缩变形表现了与流动有关和与流动无关的粘弹性机制,而聚集模量和渗透系数能够定量描述含水率与压缩变形之间的相互作用。     

人工关节假体无菌性松动的研究进展

无菌性松动是目前假体翻修的最主要原因,目前的髋关节翻修手术中有三分之二因为无菌性松动,膝关节翻修中二分之一因为无菌性松动[1].关于假体无菌性松动的原因有多种假设和学说,但这些假设多数是建立在经验观察,动物实验和临床病例报道等基础上.本文综述了近年来假体无菌性松动的主要学说,由此可以看出假体无菌性松动是有诸多的因素造成,绝不是一个单一的病因学说.     

人工髋臼接触力学特性的有限元分析

目的 考察人工超高分子量聚乙烯髋关节臼的接触力学特性.方法 建立人工髋臼模型,对模型进行网格划分,在接触区域建立接触对,按真实人体关节对模型进行边界条件的设定后进行有限元接触力学分析.对不同条件下(摩擦系数0～0.25,髋臼厚度6～12 mm,髋臼直径26～32 mm)的髋臼分别进行步态分析.结果 计算结果显示压缩变形量在接触面摩擦系数增大、髋臼直径增加情况下均呈现下降趋势.接触层厚及接触面积受髋臼厚度的影响在不同尺寸处体现不同的特性,接触面积和层厚对于植入假体的稳定性及磨粒的产生有重要影响.结论 综合考虑两者的作用效果认为7～9 mm厚的髋臼表现效果较好.     

多孔生物陶瓷与PVA水凝胶复合材料的制备与力学性能分析

目的将多孔生物陶瓷和聚乙烯醇(PVA)水凝胶交联成为一个仿生软骨-硬关节双层结构,并对该结构的微观形貌和力学性能进行分析。方法以羟基磷灰石(HA)为基体,采用添加碳酸氢铵(NH4HCO3)晶粒造孔的方式制备不同孔隙率的多孔羟基磷灰石生物陶瓷,以聚乙烯醇(PVA)为主要原料,环氧丙烷为交联剂,在多孔生物陶瓷表面及基体内交联制备出PVA水凝胶形成双层结构,对试样的断口形貌进行表征,对试样的拉伸强度和剪切强度等性能进行测试分析。结果交联的PVA水凝胶可以渗入到生物陶瓷基体表层以下的孔隙中,并且陶瓷基体和PVA水凝胶有很好的结合。随着多孔生物陶瓷孔隙率的增大,试样的最大拉伸和剪切负载均增大,平均孔隙率为70%试样的最大拉伸和剪切负载分别为153.61 N和64.46 N;而相应的拉伸和剪切强度略有下降,平均孔隙率为30%试样对应的最大拉伸和剪切强度分别为2.12 MPa和1.13 MPa。两者的失效形式均是因为裂纹的扩展,断口的微观形貌表明,断裂面存在明显的裂纹和内部缺陷,同时可观察出裂纹源和扩展方向。结论考虑到多孔生物陶瓷基体的强度,平均孔隙率为50%的多孔生物陶瓷的渗入效果适中,试样的拉伸强度和剪切强度、多孔生物陶瓷基体的压缩强度也有一定的保证,选择孔隙率为50%的试样较为合适。     

人工股骨柄的力学研究现状

背景：临床表明,全髋关节重建涉及假体、骨水泥和股骨整体的应力分布,针对减少各个组件的应力以减少置换关节失效风险研究有了很大的进展。目的：对髋关节置换后各组件应力分布的研究现状及进展作一综述。方法：应用计算机检索CNKI,EI Village和ELSEVER数据库中2001-01/2011-01关于髋关节置换和股骨柄应力的文章,在标题和摘要中以＂股骨柄,应力,全髋关节置换＂或＂stem,prosthesis,stress,Total Hip Replacement＂为检索词进行检索。入选34篇文献和2本书籍进行综述。结果与结论：人工髋关节固定需亟待解决的关键问题是髋关节置换后各组件应力非均匀传递而引起的界面剪滞效应,并将最终导致界面松动失效。研究股骨-柄松动原因和增强股骨-柄界面的自锁能力,应是提高人工髋关节的稳定性和延长置换后髋关节寿命的发展方向。     

人体股骨冲击特性数值模拟

目的：考察人体步态运动过程中冲击载荷作用时的应力和变形分布。方法：①2005—08—31在徐州医学院附属医院通过美国GE公司HispeedNx／i型双层螺旋CT对一志愿者（年龄28岁，身高173cm，体质量60kg）的股骨进行扫描，获得DICOM格式图像数据，采用逆向工程方法生成实体模型。②将三维模型导人有限元分析软件（Ansys 8．0），单元选择Solid45，骨密质的弹性模量选择为16．7GPa，泊松比0．3。③对股骨进行远端固定，模拟股骨在膝关节完全固定情况（人体站立相）下的静力影响，同时采用冲击载荷对股骨进行试验，比较冲击载荷对股骨的不同作用效果，以及股骨在冲击载荷作用下的力学特性。结果：①在200N载荷作用下静载的峰值应力大于冲击载荷作用（847．451MPa比308．511MPa），从分布区域看，静载的峰值应力主要集中在股骨干部分，位置接近于远端1／3处，而冲击载荷峰值分布于股骨颈周围区域。②股骨在受到2546．04N冲击载荷作用后，股骨颈下部是应力响应的敏感区域，随着与冲击区域距离的增加，应力响应逐渐变小，除股骨近端1／3处外其他各处响应均迅速下降。③应力值随着冲击载荷的增大而增大，载荷为2063．88N，2546．04N时最大应力区均集中在股骨颈的下侧面，但当冲击载荷达到2728．32N时最大应力区超出颈部区域，出现在小转子外侧的股骨干上，且应力分布峰值区域变大。结论：①在低冲击载荷作用下，高应力区出现在股骨颈附近区域，随着载荷的增加，破坏区域从单纯的骨股颈区域扩展到了小转子外下侧的股骨干区域。②对比临床，股骨颈和小转子外下侧股骨干部分也是可能导致骨折的区域。     

人工全髋关节置换术对天然股骨生物力学行为的影响

目的研究人工全髋关节置换术后股骨的变形及应力改变,同时研究关节置换术对股骨振型及固有频率的影响。方法选取1名正常男性青年进行股骨段CT扫描,构建正常股骨和术后股骨的有限元模型,对其进行步态情况下的生物力学行为分析、模态分析。结果 (1)关节置换术后假体柄部有明显的应力集中,并产生了应力遮挡;(2)术后股骨的峰值应力增大到原来的4.36倍;(3)约束模态的固有频率明显高于自由模态;(4)振型阶次越高,术后股骨与正常股骨固有频率的差距越大;(5)股骨的振型主要为弯曲和扭转,且置换前后振型变化不大。结论假体的植入改变了股骨原有的力学结构特性。在假体设计方面,必须考虑到股骨的振动特性,避免共振带来的假体松动。     

基于逆向工程技术的人体股骨近端形态参数误差分析

背景：准确描述股骨近端形态特征对髋关节假体设计和假体置入十分关键。 目的：基于逆向工程技术,对股骨近端形态参数描述股骨近端形态时产生的误差(简称股骨近端形态参数误差)进行有效分析。 方法：基于Mimics软件、Imageware软件,对1例25岁女性健侧髋关节的股骨近端形态参数进行测量、逆向建模,并利用Imageware中差异分析命令进行相关的曲线-点云及曲面-点云差异的计算与分析。 结果与结论：该例股骨基于股骨近端形态参数逆向建模后模型与人体股骨点云的整体差异为(1.29±0.99) mm,其中外壁的匹配误差占70.43%,髓腔占21.46%,股骨头占8.11%。股骨近端形态参数误差存在于以下方面：股骨头并不是标准球形;股骨干5个平面皮质骨内、外壁交线简单地认为是圆,或者认为是长短轴方向不变的椭圆;忽视小转子的几何特征的测量。提出以下改进意见：应在测量长短轴长度的同时,补充测量长短轴与正位片平面的夹角;增加小转子几何特征的测量。