多孔股骨假体结构设计与性能研究

发布时间：2021-10-25 03:17

　　目前的全髋关节假体股骨柄与宿主骨之间的弹性模量存在巨大的差异,这将诱导无菌性松动等长期并发症的发生。仿生多孔股骨柄能有效缓解应力遮挡带来的骨吸收问题,并通过骨细胞向内生长从而提供牢固的长期稳定性。本文旨在通过有限元分析,探讨不同多孔股骨柄在缓解骨吸收、促进骨整合方面的应用前景。提出了一种基于金刚石晶格结构的直观可视化方法,以了解孔隙大小、孔隙率与骨生长需求和增材制造约束之间的关系,并得到了金刚石晶格结构孔隙率选择的许可设计空间。随后,借助有限元的分析方法,在计算机中仿真模拟手术结果,并对多孔假体和全金属假体进行刚度以及应力遮挡率方面的评价。结果表明多孔假体在促进骨整合和缓解骨吸收方面具有明显的优势。 

【文章来源】：机械. 2020,47(04)

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

受制造、孔径、孔隙度等约束的金刚石晶格结构的设计空间

对于完全多孔的生物材料，单元细胞的力学和生物学特性受其节点连接性、孔隙度、孔径和组成单元细胞的整体材料等的影响，特别是孔隙度、孔隙互联性和孔径大小对多孔材料的力学性能和生物性能有重要影响[9]。这些形态参数之间的关系以及它们如何影响机械性能和生物反应是不直观的。在本文中，我们使用了Arabnejad等[10]所描述的方法，通过建立一个参数模型来描述一个单元的几何形状，使其形态特性之间的关系的可视化在设计图上。这使我们能够直观地研究仸意孔隙度和孔径组合的模型，以及对制造可行性的检查。本文选取金刚石晶格单元，并利用其几何模型的参数生成设计域。与立方体或八面体的多孔结构相比，基于金刚石晶格的多孔结构具有更高的柔度和更好的各向同性的力学性能，是多孔结构设计的首选。此外，Taniguchi等[11]研究了该结构在体内骨组织中的生长情况，为该结构的应用提供了可行性依据。在对金刚石晶格单元进行几何分析的基础上，建立了三维CAD模型，并进行了形态参数的测量。整个单元几何由两个几何参数控制，支柱厚度t和单元尺寸a，通过对这些单元的参数可以修改，以获得仸意的孔隙度和孔径。支柱的厚度由圆柱截面的直径决定，如图3所示。虽然定义孔隙大小的方法有很多，比如线截距法，但是在这本文中选择了最大内切球法，也就是结构中可以容纳的最大内切球的直径作为孔径。Dumas等[12]提出孔隙大小介于50～800μm之间适合骨向多孔结构内生长，并且推荐孔隙度范围为40%～80%。根据制造的可行性，限制金刚石晶格结构的最小支柱直径为300μm。

在一名经验丰富的外科医生的指导下，根据临床要求，在CAD软件中模拟股骨柄模型的手术植入，并将多孔结构应用于股骨柄，模拟植入股骨内进行分析，实验中髋关节假体在植入股骨后的受载情况如图3所示，表1表示各个载荷施加在假体及股骨在坐标系下的具体数值，股骨远端采用固定支承的方式。根据髋部解剖学，在股骨头中心施加关节力，在股骨上施加外展肌力，表1表示各个载荷施加在假体及股骨在坐标系下的具体数值。根据文献将股骨髓腔与股骨柄之间的界面定义为增广拉格朗日算法下的小滑动接触，摩擦因子设为0.4，股骨远端采用固定支承的方式。将植入假体中的多孔结构与全致密金属假体的刚度进行比较，分析其刚度降低的情况，这里只考虑假体的压缩变形，比较结果为植入多孔结构的部分相对于全致密金属假体部分其刚度下降。2 结果与讨论

【参考文献】：
期刊论文
[1]髋关节翻修中不同假体柄长对股骨的力学影响[J]. 杨洋洋,杨磊,王跃,李凯.  机械. 2018(06)



本文编号：3456541