摘要：目的分析骨水泥型胫骨假体平台界面应力,确定界面应力损伤区域,为临床单髁置换胫骨平台的应力失效问题提供参考。方法通过人体动力学软件模拟完整周期的步态,获得膝关节的承力条件;利用医学影像及三维重建软件建立完整的膝关节模型并进行单髁置换;通过有限元法分析单髁置换后胫骨假体平台界面应力的分布规律。结果步态下膝关节的力和角度随时间呈周期性变化,1.3 s为1个周期,膝关节合力峰值为760 N;界面最大剪切应力为11.82 MPa、最大拉应力6.849 MPa,均发生在假体-骨水泥界面的内侧前端拐角处;对于界面的最大应力,钛合金假体低于不锈钢假体。结论假体的弹性模量减小可以降低界面最大主应力,从界面应力考虑,钛合金假体优于不锈钢假体;胫骨假体平台界面损伤区域主要在内侧前、后端拐角和外侧中端处,故提高该区域假体-骨水泥结合能力能防止单髁膝关节胫骨假体平台松动。研究结果对临床中单髁术后胫骨假体平台松动预防具有实际意义。

摘要：背景:近年来,全髋关节置换的应用使大多患者初期都获得了满意的疗效,但临床上全髋置换后的并发症仍然是困扰医生和患者的一大难题,假体置入位置的优良成为评估置换效果的重要方面。目的:探究短柄假体不同置入位置对全髋关节置换效果的影响,为临床手术实施提供启示。方法:利用人体动力学软件进行完整周期的步态仿真,获得髋关节的承力条件;模拟短柄假体不同置入位置,即人体力线位置以及内、外偏3°,5°位置,建立其相应的全髋关节置换三维有限元模型,分析不同全髋关节置换模型中股骨、短柄的应力变化以及聚乙烯内衬的应变变化情况。结果与结论:①步态下髋关节的关节力和角度随时间呈周期性变化,约1.17 s为一个周期,在0.4 s左右关节合力达到峰值约700 N;②无论内外偏角度的大小,股骨小转子下方以及底端外侧的应力值均高于人体力线位置时的应力,内偏比外偏对股骨应力的影响更大;③股骨短柄的最大拉压应力在人体力线位时均比内、外偏时的应力值低;④以人体力线位为参考,聚乙烯内衬的最大压应变在外偏3°时最小,为2198με;其他角度时的最大压应变均比人体力线位时大,其中内偏5°时最大达到了7348με,是人体力线时的2.08倍,此角度下会加剧内衬的磨损;⑤提示在全髋关节置换过程中,不同假体置入位置会对股骨、假体和内衬的力学环境产生很大影响,在术中应该尽量保证假体处在与人体力线重合的位置。

摘要：背景:目前,有限元分析多用于全膝关节假体衬垫的磨损仿真研究。目的:利用有限元分析单间室膝关节假体衬垫形状优化对磨损性能的影响。方法:基于Archard磨损理论建立了单间室膝关节假体的磨损有限元模型,研究了衬垫优化前后的接触压力及磨损性能变化规律。结果与结论:(1)在ISO标准步态载荷工况条件下,优化前后的衬垫接触压力分别为54.7 MPa和37.2 MPa,优化后的衬垫接触压力降低了32%;优化前后的衬垫线性磨损分别为4.38×10^-5mm和3.15×10^-5mm,优化后的衬垫线性磨损深度降低了28%;(2)结果表明优化后的衬垫可明显提高线性磨损性能,研究结果对单间室膝关节衬垫设计、磨损性能评估以及临床应用具有实际意义。

摘要：背景:近年来骨组织工程支架结构应用广泛,但其稳定性、可控性较差并易产生应力集中。三周期极小曲面具有多孔性、光滑性、连通性、多样性及可控性等诸多优点,为骨组织支架设计及应用提供了新思路。目的:基于隐式曲面法构建骨小梁结构,应用有限元数值模拟方法及拓扑优化技术对其进行结构优化。方法:①基于隐式曲面法参数化构建三周期极小曲面结构,构建三周期极小曲面S-P型、D型和G型骨小梁结构;②采用有限元数值模拟方法对构建的骨小梁结构进行压缩仿真;③利用变密度法和固体各向同性材料惩罚模型建立S-P骨小梁结构拓扑优化数学模型,进行结构优化。结果与结论:①应力云图显示,3种骨小梁结构在单元结构相交处呈现较大应力值,S-P型出现在单元径向连接处,G型出现在轴向连接处,D型在轴向和径向连接处均有,S-P、G、D型骨小梁结构的等效应力分别为105.07,694.78,637.36 MPa;②位移云图显示,3种骨小梁结构接近施加位移面的部分位移最大,沿轴向递减,S-P型的总形变小于G、D型;③3种骨小梁结构的孔隙率均高于50%,其中S-P型孔隙率最高,达到90.7%,孔径为0.63 mm,骨长入性能优于G、D型;④经拓扑优化后,S-P型骨小梁结构的等效应力为149.11 MPa,质量减少13.9%,符合骨组织支架设计要求;⑤结果显示,基于三周期极小曲面参数化建模结合有限元数值模拟及拓扑优化方法对骨小梁结构进行设计优化,为骨植入物表面结构设计提供了新思路。

摘要：背景:目前已有股骨柄数值计算与实验标准所用的模型与加载方式还不一致。现在使用的股骨柄有限元计算标准ASTM F2996-2013/YY/T 17142020规定了髋关节股骨柄假体的计算模型为单一的股骨柄,加载方式为刚性区加载;实验标准YY/T 0809.6-2018/ISO 7206:2013规定的模型则包括股骨柄、球头和压板,加载方式为位移加载。由于计算模型和实验模型的不同导致了计算结果与实验结果相差较大,而当计算模型与实验模型一致时且加载方式相同时,二者结果的差值明显减小。这表明采用ASTM F2996-201/YY/T 17142020标准的计算模型和加载方式还存在明显缺陷。目的:研究不同加载方式对股骨柄头颈部应力分布的影响,减少计算结果和实验结果的误差,用球头压板模型和位移加载方式替代现有股骨柄数值计算的标准,提高计算精度。方法:①数值模拟:通过有限元分析软件ANSYS APDL对单一股骨柄和股骨柄球头压板2种计算模型分别采用刚性区加载和位移加载,得到2种模型和不同加载方式下股骨柄头颈部的应力分布规律;②电测实验:利用球头压板对股骨假体柄施加载荷通过在柄颈部贴应变片得到应变数值;③比较计算结果和实验结果,确定与实验结果接近的计算模型和加载方法。结果与结论:①股骨柄球头压板模型在位移加载方式下,股骨假体柄的颈部应力峰值为504 MPa,最大拉应力主要集中在头颈部外侧,最大压应力主要集中在头颈部内侧;②单一股骨柄模型在刚性区加载方式下,股骨假体柄的颈部应力峰值为562 MPa,最大拉应力主要集中在头颈部外侧,最大压应力主要集中在头颈部内侧,应力分布规律与位移加载方式接近;③电测实验显示,头颈部内侧应变值为-581.96με,头颈部外侧应变值为666.00με;④与应变片相对应位置位移加载方式下的内侧应变值为-834.91με,外侧应变值为724.32με;刚性区加载方式下内侧应变值为-992.32με,外侧应变值1006.97με;⑤提示采用股骨柄球头压板模型和位移加载方式的结果更接近实验结果,应该作为股骨柄有限元计算的标准。

摘要：目的:对膝上截肢假体植入后的骨-假体界面不同的骨整合状态进行有限元模拟,分析界面的应力变化,以判断临床中假体是否松动。方法:依据一名健康男性志愿者的CT二维影像扫描数据,采用Mimics软件建立三维逆向截肢后股骨模型,使用SolidWorks软件建立假体模型。将装配好的模型导入Abaqus软件,将骨-假体界面分为7个区域,模拟计算不同区域未骨整合时(开裂)的界面应力。结果:当骨-假体界面存在未骨整合区域时,压应力最大增大172%,剪应力最大增大230%,且未骨整合区域与骨整合区域交界处出现应力集中的现象。结论:膝上截肢假体植入界面未骨整合时会显著增大界面的压应力和剪应力,界面局部应力过大可引起界面开裂,进一步演化可导致假体植入失效。

摘要：目的:探讨人工髋关节置换后在不同步速时股骨的力学行为,为髋关节置换患者及医生提供参考性意见。方法:利用人体动力学软件LifeMOD进行步速为0.51、0.61、0.77 m/s的步态仿真,选取行走时全足放平、站立中相、加速推离、摆动中相4个步态事件获得各瞬间髋关节的承力条件,同时建立完整的髋关节置换三维有限元模型,将动力学软件得出的力学条件作为边界条件进行加载,分析置换后股骨的应力分布及其随步速变化的情况。结果:在不同步速的各步态事件下,置换后股骨的整体应力模式并未改变,均由股骨近端到远端逐渐增加,在股骨中下段达到最大,最大应力在前外侧和后内侧附近。在全足放平和加速推离时,股骨应力与步速呈正比,全足放平的应力最大值范围为13.6~17.9 MPa,区间相差4.3 MPa;加速推离的应力最大值范围为3.3~17.6 MPa,应力呈倍数增长。在站立中相和摆动中相时,股骨应力随步速变化略有波动,但是变化程度很小。结论:步速改变对站立支撑时的股骨应力影响不大,但对双腿摆动时的股骨应力有明显影响,特别是在加速推离阶段,股骨应力随着步速增加呈倍数增长,建议患者在髋关节置换术后尽量减慢步行速度。

摘要：背景:目前临床治疗长骨骨折的主要手段是石膏或夹板外固定及接骨板或者髓内钉等内固定,同时也可服用加速骨折愈合的药物或者在患处外敷药物。目的:探讨夹板外固定联合散巴布剂对于桡骨骨干骨折的恢复是否有改善作用。方法:取18只新西兰大白兔,制作左侧桡骨完全性骨折模型,分成3组,未干预组不进行任何干预,夹板固定组用夹板外固定处理,散巴布剂组使用夹板外固定处理并辅助散巴布剂药物外敷(每天换药一次),每组6只。术后2,4,6周,取骨痂位置制备样品,应用原子力显微镜检测骨痂粗糙度和颗粒度。结果与结论:①夹板固定组、散巴布剂组可以明显观察到骨痂的粗糙表面和明显的颗粒结构,这些矿物颗粒附着在胶原纤维上,呈现出鱼鳞状,其中散巴布剂组的胶原结构远远小于夹板固定组;②随着愈合时间的增长,骨痂矿物颗粒尺寸逐渐减小,散巴布剂组同期骨矿化颗粒尺寸较夹板固定组小47.5%-69.6%;同时随着愈合时间的推移骨痂粗糙度逐渐降低,散巴布剂组术后2周的骨痂粗糙度较夹板固定组小约69%,术后6周两组骨痂粗糙度趋于近似;③结果表明散巴布剂对骨折愈合具有促进作用。

摘要：临床治疗结果显示,带有骨小梁结构的膝关节假体相比传统膝关节假体有更好的术后恢复效果。在目前对骨小梁结构与膝关节假体研究的基础上,设计了骨长入效果更好的分区骨小梁结构;通过设计8种不同的骨小梁胞元结构,经对比分析,选择出一种综合性能最佳的骨小梁胞元结构;根据该结构构建了两组具有分区骨小梁结构的胫骨平台假体简化模型,通过有限元分析,选出了一组骨长入效果较好且适用于膝关节假体设计的分区骨小梁结构。

摘要：背景:3D打印钛合金多孔结构以其良好的机械性能和生物相容性已经在骨科植入假体设计与临床应用方面得到了快速发展,与涂层假体相比,钛合金骨小梁结构具有骨长入快和骨长入好的优点。为了保证骨科植入物的安全,目前多采用实验方式确定骨小梁结构的拉伸、剪切疲劳和弯曲疲劳强度。目的:通过力学实验和有限元数值模拟方法研究骨小梁多孔结构的力学性能。方法:①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验:设计并制备3D打印钛合金骨小梁拉伸试件,骨小梁结构的丝径为0.28-0.35mm、孔径为0.71mm、孔隙率为73%。检测钛合金骨小梁结构的拉伸强度,分析其失效机制,同时分析不同打印位置对骨小梁拉伸强度的影响。②数值模拟实验:利用有限元方法建立包括骨小梁理论结构的拉伸试件实体模型,模拟骨小梁试件的拉伸破坏过程。结果与结论:①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件的极限载荷分布在39.55-47.11kN之间,等效极限拉伸应力分布在62.79-74.53 MPa之间,拉伸破坏的结果为网状结构断裂,说明钛合金骨小梁具有较高的拉伸强度;②3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验与数值模拟实验均显示,骨小梁试件受到拉伸破坏时的破坏形式为丝径断裂,不会在骨小梁与钛合金实体的结合面发生断裂;③数值模拟实验中骨小梁试件的拉伸破坏载荷低于3D打印钛合金骨小梁拉伸试件,造成该差异的原因主要为:3D打印骨小梁试件的丝径(280-350μm之间)大于骨小梁的理论丝径(142μm),而孔径(孔隙率75%)小于骨小梁的理论孔径(孔隙率96%)。