摘要：目的基于动物骨小梁结构设计多孔植入物,阐述骨小梁结构的力学性能特点,说明使用仿骨小梁多孔结构植入物在临床治疗中的重要意义。方法基于动物骨小梁结构的各向异性力学性能,利用拓扑优化技术进行多孔结构设计。根据骨功能原理提出分区、分块重建原则,利用Micro-CT图像重建动物骨小梁模型结构;根据代表体元法对模型施加边界约束和外载荷,以求解的力学性能作为优化的目标函数,利用拓扑优化中的变密度法和均匀化方法进行多孔结构设计及优化。结果骨小梁结构具有各向异性的力学特点。求解发现,松质骨的体积分数在同一截面的边缘到中间主压力位置呈现递增趋势;泊松比无明显变化规律,均匀分布在0. 17-0. 30之间;而弹性模量和剪切模量在松质骨主压力位置明显大于其他位置;基于上述结果进行拓扑优化设计,结果显示,优化后模型的泊松比分布在0. 17-0. 30,弹性模量误差在14%以下,最小的仅为3%,剪切模量误差范围在8%以下,基本符合最初的设计目标。结论利用拓扑优化方法设计的多孔结构具有与动物松质骨相同的各向异性特点,同时减少应力集中现象,可以实现特定性能的多孔结构设计,为后续设计临床应用的多孔植入物提供一种合理有效的方法。

摘要：背景:髋关节置换是治疗股骨头坏死、骨性关节炎、髋关节发育不良以及老年股骨颈骨折等髋关节疾病最有效的方法,因此有必要对髋关节置换的生物力学行为展开研究。目的:采用有限元仿真的方法模拟髋关节置换后骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯模型的接触应力和米氏应力大小和分布情况,分析其对假体及髋关节的影响。方法:通过3-Matic Research 11.0软件设计了2种不同结构的髋关节假体组件模型:骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯模型。并将设计好的模型经Hypermesh 14.0软件划分网格并赋予材料属性,最后导入有限元分析软件Abaqus 6.13软件中仿真分析,比较相同状态下2种髋臼杯的应力值和应力分布情况。结果与结论:骨小梁结构髋臼杯的应力呈散点状分布,分布范围广。实体结构髋臼杯容易出现应力集中现象,应力分布集中在受力点附近。骨小梁结构髋臼杯相对于实体结构髋臼杯而言,应力分布范围更大,应力分布更均匀,从而可以减轻髋关节假体之间的磨损,降低髋关节假体发生无菌性松动的风险。

摘要：目的研究距骨体内松质骨的具体走行及结构,以了解力在骨内传递的机制,为距骨骨折的复位及假体的设计提供一定的理论依据。方法在2020年1月于天津医院骨科获取20对共40例完整的成人距骨标本进行Micro-CT扫描,分别计算距骨头、颈、体的骨体积分数、骨表面积分数、骨小梁厚度、骨小梁数目、骨小梁间距及骨小梁模式因子,分别对相同侧别不同部位以及相同部位不同侧别的各项参数的差异进行比较;使用硬组织切片机分别在冠状面、矢状面及水平面将距骨切成2 mm厚的薄骨片,随后使用高分辨X线依次对切片进行扫描,对骨内结构进行观察描述。结果距骨内外侧及左右侧骨小梁骨体积分数、骨表面积分数、骨小梁厚度、骨小梁数目、骨小梁间距及骨小梁模式因子比较差异均无统计学意义(均P>0.05)。其中距骨头、颈及体部骨小梁数目分别为(1.608±0.150)、(1.639±0.142)、(1.749±0.159)个;距骨头、颈及体部骨小梁间距(μm)分别为0.378±0.054、0.370±0.053、0.331±0.062;距骨头、颈及体部骨小梁模式因子(mm-1)分别为-0.407±0.699、-0.478±0.848、-1.029±0.851;距骨头、颈分别与距骨体小梁在骨小梁数目、骨小梁间距及骨小梁模式因子方面差异均有统计学意义(均P<0.05)。冠状面、矢状面、水平面观察发现距骨体小梁结构由前后走行的相互平行垂直排列的板状小梁组成,距骨颈小梁为外上到内下扭转的网状骨板结构,呈后向前走行,距骨头部小梁由类似平行排列的半弧形外上内下走行的小梁构成。结论距骨内骨小梁具有明显的方向性、功能性,故骨折后应达到解剖复位标准;同时,关节内距骨假体的设计需对假体在行走、站立状态下的应力分布及方向做充分考虑。

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:骨小梁金属AVN重建棒为多孔钽金属假体,为MichaelChristie设计并发明,自2001-11在欧洲上市以来已有大量的假体植入,取得良好效果。中医药治疗股骨头坏死具有一定优势,特别是对早、中期患者的疗效良好,关键在于早期诊断与早期治疗是取得良好疗效的关键。目的:观察骨小梁金属AVN重建棒植入配合中药治疗早期股骨头缺血性坏死的临床效果。方法:选择2005-02/2007-06河南省中医院骨科收治的早中期股骨头缺血性坏死患者26例,男16例,女10例;年龄18～56(40.0±2.2)岁;单侧股骨头坏死21例,双侧坏死5例;Ficat分期,Ⅰ期14例,Ⅱ期12例。所有患者均有患髋疼痛,腹股沟中点处深在性压痛,髋关节活动受限,能扶单拐行走者15例,扶双拐行走者8例,卧床不能行走者3例。26例术前采用Harris评分平均(61.5±1.0)分。全部患者均采用骨小梁金属AVN重建棒植入配合中药治疗。结果与结论:26例患者均获得随访,随访时间1～2年。26例患者均顺利植入骨小梁金属AVN重建棒,植入时间10～18min,平均15min。植入后患者切口均Ⅰ期愈合。术后1年Harris评分平均(87.3±1.3)分,与植入前相比差异有显著性意义(P<0.05),优21例,良3例,可2例,优良率92%。植入后均无深静脉栓塞、泌尿系统、肺部感染及压疮等发生。提示骨小梁金属AVN重建棒植入配合中药是治疗早期股骨头缺血性坏死的有效方法。

摘要：背景:钛合金人工假体植入后会产生应力遮挡,破坏该区域内骨组织的力学微环境,影响正常骨重建进程。采用过盈配合方式产生预紧力植入人工假体重建该区域内的力学微环境,达到保证术后中远期骨重建进程,具有重要的理论意义与临床应用价值。目的:分析预紧力对多孔钛合金人工假体骨整合的促进作用。方法:将14只雄性新西兰大白兔分为2组,实验组在右侧后腿股骨髁外侧以过盈配合方式植入1颗3D打印钛合金人工假体,对照组自由饲养,每组7只。术后12周取术侧股骨,进行micro-CT扫描及三维重建,测量假体区域骨密度与骨小梁组织形态学参数。动物实验方案已获天津市医药科学研究所动物伦理委员会批准,批准文号:IMPS-EAEP-Z-2019108-01。结果与结论:①实验组骨密度明显低于对照组(P0.05);③结果表明,预紧力可促进多孔钛合金人工假体的骨整合,但长入骨组织的结构特征与健康骨相比仍然较差,在术后中远期可能具有较高的骨折风险。

摘要：背景:3D打印骨小梁结构是新兴技术之一,其特有的结构和生物力学特性满足更多患者的临床需求,是未来精准医学的发展方向之一,但这一技术目前仍处于初步应用阶段,理论应用研究较少。目的:建立基于三周期极小化曲面单元结构的骨小梁假体生物力学有限元模型,分析不同曲面结构的生物力学性能差异。方法:以Matable软件根据函数公式生成曲面片结构,然后应用Magics 19.0设计三周期极小化曲面单元结构骨小梁假体,并在ABAQUS划分四面体网格,模拟人体站立状态下的受力环境。分析应力分布与位移,比较在宿主环境下的生物力学差异。结果与结论:①S曲面结构、D曲面结构、G曲面结构因孔隙率差异不大,生物力学差异不明显,相较于传统结构有明显改变,生物力学性能更优;②多孔结构的空隙率决定了假体的生物力学性能;③多孔结构假体的复合层出现层间结合容易出现应力突变现象;④多孔结构假体会明显减少植入体与宿主骨之间产生严重的应力遮挡效应。

摘要：背景:目前已有相关有限元模型仿真模拟了股骨骨折,并探讨了载荷速率、载荷角度及松质骨在髋部骨折中的影响,但骨小梁的断裂仿真仍缺乏相关研究。目的:仿真模拟去势大鼠骨质疏松性骨小梁压缩断裂的生物力学过程。方法:取去势大鼠右侧股骨于Micro-CT扫描股骨远端,获得大鼠股骨感兴趣区域骨微结构参数及三维模型,在Geomagic Studio几何优化后在Hypermesh 14.0前处理,包括体网格划分、设置材料属性参数、边界条件,设置载荷1200 N,作用时间2 ms,在LS-DYNA软件中进行运算。结果与结论:①感兴趣区域骨小梁显示空间分布不均;②骨小梁体积小、数量少的部位最先开始出现变形断裂,板状及较大体积的骨小梁最后发生断裂塌陷;③Von-mises应力变化趋势与骨小梁断裂塌陷趋势大致相同;④感兴趣区域骨小梁断裂塌陷过程包括了垂直塌陷和水平扭转,其中水平扭转程度及速率低于垂直塌陷,使得横断面扭转成角大小及成角速率小于冠状面成角;⑤破坏单元的剪切应力增幅及峰值较Von-mises应力小;⑥提示骨小梁断裂塌陷是个复杂的过程,包含了不同平面的变形、成角。

摘要：基于“Ward三角区”,张英泽院士团队提出了“张氏N三角理论”。本文提出了一个股骨头、颈及转子间骨小梁模型的数学分析,可用于研究骨小梁结构轨迹分布的动态计算机模拟。骨小梁模型描述了且预测小梁可能存在的所有位置,不仅发现了Ward三角区还发现了其他四个“宏观三角区”,从而论证“张氏N三角理论”。“张氏N三角理论”是在Ward三角区基础上的延伸和理论创新。该理论对于指导股骨近端骨折内固定物的设计、研发、植入都有着重要的参考价值。

摘要：目的:研究微重力场下宇航员对抗性训练对骨小梁和成骨细胞的力学行为影响,从一定程度上揭示微重力场下对抗性训练防治废用性骨质疏松的生物力学机理。方法:建立包含骨小梁、成骨细胞和骨髓的松质骨有限元模型,将骨小梁和成骨细胞定义为各向同性线弹性材料,模拟研究地球重力场(1×g)和微重力场(0×g)下,人体静止(应变幅值为0με)及不同强度的运动状态时(应变幅值分别为100、700、2000和3000με)骨小梁、成骨细胞的力学微环境(液体流速、液体压力、von Mises应力、应变)的变化规律。结果:地球重力场和微重力场下,人体运动时成骨细胞表面的液体流速均高于静止状态,且地球重力场下成骨细胞表面的液体流速高于微重力场。微重力场下,相比静止状态,运动可明显提高骨小梁、成骨细胞的液体压力,且相同运动条件下骨小梁、成骨细胞的液体压力无较大差异;不同强度的对抗性训练均可对骨小梁、成骨细胞产生一定的应力刺激,而骨小梁的von Mises应力与对抗性训练强度呈正相关;成骨细胞的应变值明显高于骨小梁,而且骨小梁、成骨细胞应变均与加载位移呈正相关。结论:微重力场下,宇航员进行对抗性训练可明显改善骨组织和成骨细胞的力学微环境,有助于维持骨密度,从而减轻废用性骨质疏松症。