目前的全髖關節(jié)假體股骨柄與宿主骨之間的彈性模量存在巨大的差異,這將誘導無菌性松動等長期并發(fā)癥的發(fā)生。仿生多孔股骨柄能有效緩解應力遮擋帶來的骨吸收問題,并通過骨細胞向內生長從而提供牢固的長期穩(wěn)定性。本文旨在通過有限元分析,探討不同多孔股骨柄在緩解骨吸收、促進骨整合方面的應用前景。提出了一種基于金剛石晶格結構的直觀可視化方法,以了解孔隙大小、孔隙率與骨生長需求和增材制造約束之間的關系,并得到了金剛石晶格結構孔隙率選擇的許可設計空間。隨后,借助有限元的分析方法,在計算機中仿真模擬手術結果,并對多孔假體和全金屬假體進行剛度以及應力遮擋率方面的評價。結果表明多孔假體在促進骨整合和緩解骨吸收方面具有明顯的優(yōu)勢。 

【文章來源】：機械. 2020,47(04)

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

受制造、孔徑、孔隙度等約束的金剛石晶格結構的設計空間

對于完全多孔的生物材料，單元細胞的力學和生物學特性受其節(jié)點連接性、孔隙度、孔徑和組成單元細胞的整體材料等的影響，特別是孔隙度、孔隙互聯(lián)性和孔徑大小對多孔材料的力學性能和生物性能有重要影響[9]。這些形態(tài)參數(shù)之間的關系以及它們如何影響機械性能和生物反應是不直觀的。在本文中，我們使用了Arabnejad等[10]所描述的方法，通過建立一個參數(shù)模型來描述一個單元的幾何形狀，使其形態(tài)特性之間的關系的可視化在設計圖上。這使我們能夠直觀地研究仸意孔隙度和孔徑組合的模型，以及對制造可行性的檢查。本文選取金剛石晶格單元，并利用其幾何模型的參數(shù)生成設計域。與立方體或八面體的多孔結構相比，基于金剛石晶格的多孔結構具有更高的柔度和更好的各向同性的力學性能，是多孔結構設計的首選。此外，Taniguchi等[11]研究了該結構在體內骨組織中的生長情況，為該結構的應用提供了可行性依據(jù)。在對金剛石晶格單元進行幾何分析的基礎上，建立了三維CAD模型，并進行了形態(tài)參數(shù)的測量。整個單元幾何由兩個幾何參數(shù)控制，支柱厚度t和單元尺寸a，通過對這些單元的參數(shù)可以修改，以獲得仸意的孔隙度和孔徑。支柱的厚度由圓柱截面的直徑?jīng)Q定，如圖3所示。雖然定義孔隙大小的方法有很多，比如線截距法，但是在這本文中選擇了最大內切球法，也就是結構中可以容納的最大內切球的直徑作為孔徑。Dumas等[12]提出孔隙大小介于50～800μm之間適合骨向多孔結構內生長，并且推薦孔隙度范圍為40%～80%。根據(jù)制造的可行性，限制金剛石晶格結構的最小支柱直徑為300μm。

在一名經(jīng)驗豐富的外科醫(yī)生的指導下，根據(jù)臨床要求，在CAD軟件中模擬股骨柄模型的手術植入，并將多孔結構應用于股骨柄，模擬植入股骨內進行分析，實驗中髖關節(jié)假體在植入股骨后的受載情況如圖3所示，表1表示各個載荷施加在假體及股骨在坐標系下的具體數(shù)值，股骨遠端采用固定支承的方式。根據(jù)髖部解剖學，在股骨頭中心施加關節(jié)力，在股骨上施加外展肌力，表1表示各個載荷施加在假體及股骨在坐標系下的具體數(shù)值。根據(jù)文獻將股骨髓腔與股骨柄之間的界面定義為增廣拉格朗日算法下的小滑動接觸，摩擦因子設為0.4，股骨遠端采用固定支承的方式。將植入假體中的多孔結構與全致密金屬假體的剛度進行比較，分析其剛度降低的情況，這里只考慮假體的壓縮變形，比較結果為植入多孔結構的部分相對于全致密金屬假體部分其剛度下降。2 結果與討論

【參考文獻】：
期刊論文
[1]髖關節(jié)翻修中不同假體柄長對股骨的力學影響[J]. 楊洋洋,楊磊,王躍,李凱.  機械. 2018(06)



本文編號：3456541