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髋关节假体多孔结构优化设计研究

内容来源:《机械设计与制造工程》      浏览次数:55      更新时间:2020-09-11

刘乐乐1,戴宁1,丁龙伟1,李大伟1,姚庆强2,王黎明2

(1. 南京航空航天大学机电学院,江苏 南京210016)

(2. 南京市第一医院骨科,江苏 南京210006)

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51775273);江苏省六大人才项目(GDZB-034);江苏省重点研发计划项目(BE2018010-2);南京航空航天大学研究生创新基地开放基金资助项目(kfjj20170520)

作者简介:刘乐乐(1995—),男,硕士研究生,主要研究方向为数字化设计制造,lllyx2016@126.com.

通讯作者:戴宁,男,教授,dai_ning@nuaa.edu.cn.

 

摘要:针对全髋关节置换术中采用的实体假体其高弹性模量与股骨弹性模量不匹配造成术后不良反应的问题,提出了一种能够根据股骨CT数据以及股骨受力情况进行宏微一体结构个性化参数设计,并能有效降低股骨应力遮挡效应的多孔结构股骨假体建模方法。以股骨应力遮挡率作为对比指标,比较了不同多孔结构在股骨假体应力条件下的适应性。实验结果表明:多孔结构假体可以有效降低术后由植入物造成的股骨应力遮挡;主轴方向弹性模量较小、斜向弹性模量较大的多孔结构能够更好地适应股骨应力,具有较好的缓解应力遮挡的作用。

 

关键词:髋关节多孔结构假体;有限元分析;参数化建模;应力遮挡

中图分类号TP391.9;TH789   文献标识码A   文章编号2095-509X(2020)06-0012-05

 

股骨作为下肢主要的承重部件之一,承受着人体的大部分质量,也是人体中很容易受到损伤的部件,并且在受到损伤后难以修复。此外,随着人口的老龄化,关节炎和骨质疏松等疾患也渐渐成为人们关注的重点1。全髋关节置换是目前解决股骨关节损伤和炎症病痛的最有效途径,但是术后的多种并发症并没有得到完全解决,尤其对于年轻、运动量大的患者,手术后需要重新翻修的比例正在增加2。造成术后不良反应的主要原因是植入物与宿主股骨的弹性模量不匹配。根据Wolff定律,植入物的弹性模量大,承载了部分原本由股骨承受的载荷,改变了股骨上的力学传递路径,使部分股骨受力降低,从而造成骨吸收3。如何降低由于骨骼力学传递路径改变造成的应力屏蔽效应是目前需要解决的主要问题。伴随着3D打印技术的飞速发展,多孔结构的出现较好地解决了上述问题。通过多孔结构的引入可以大幅度减小金属的弹性模量,使假体的弹性模量接近于真实骨质的弹性模量,从而减小应力遮挡,并能增强植入物与骨组织的结合。Arabnejad 4设计了一种概念化二维晶格结构填充的股骨柄,将骨吸收和界面失效作为密度调控条件对结构进行优化,证明了该设计能够使假体传到股骨上的力更加均匀,减少骨吸收,并能减少假体柄部的疲劳强度。Simoneau5将假体柄部上端部分进行无序多孔结构填充,证明了该结构可以较好地分散应力,改善假体的力学分布情况。王亚玲6和肖然7分别将多孔结构应用在牙齿种植体假体和下颌骨假体上,并证明了多孔结构假体具有较好的应用优势。本文首先根据人体股骨的CT数据设计出能够贴合人体股骨的个性化多孔结构假体,再结合多种不同多孔结构的力学性能分析以及对不同多孔结构假体植入人体后股骨应力遮挡情况的数值分析结果进行对比,证明了不同力学性质的多孔结构具有不同的应用效果。

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