供稿人:康建峰、王玲 發(fā)布日期：2018-03-22
對(duì)于臨床全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，無(wú)菌性松動(dòng)是影響假體使用壽命的主要因素。通常股骨柄假體承在體內(nèi)承受循環(huán)的彎曲載荷，約為200百萬(wàn)次/每年。對(duì)于采用均勻恒定的泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)股骨柄假體，當(dāng)其受載時(shí)在假體中性軸兩側(cè)將分別產(chǎn)生拉壓應(yīng)力。根據(jù)Hoffman’s失效準(zhǔn)則，拉伸要比壓縮更容易引發(fā)骨假體界面失效。而且，磨損顆粒有可能進(jìn)入骨假體界面拉伸側(cè)的空隙，繼而刺激和觸發(fā)破骨細(xì)胞成長(zhǎng)，導(dǎo)致骨假體周圍骨溶解而出現(xiàn)假體松動(dòng)。反之，對(duì)于假體壓縮側(cè)，根據(jù)Wolff定律，通過(guò)應(yīng)力刺激骨生長(zhǎng)有助于提高界面結(jié)合強(qiáng)度，而且，骨骼的壓縮強(qiáng)度也要高于拉伸強(qiáng)度。根據(jù)上述分析表明，在股骨柄假體受載時(shí)需保證中性軸兩側(cè)均產(chǎn)生壓應(yīng)力。
為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，代爾夫特理工大學(xué)的Kolken等[1]采用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)多孔結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)金屬植入物。如圖1所示，構(gòu)建了六種不同結(jié)構(gòu)組合及幾何特征參數(shù)差異的模型，并應(yīng)用于金屬股骨柄假體的設(shè)計(jì)中。如圖2所示，通過(guò)對(duì)混合型結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲壓縮測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示Type 3和Type 6兩側(cè)均呈現(xiàn)出壓應(yīng)變，而且中間過(guò)渡區(qū)域的存在將會(huì)降低結(jié)構(gòu)的抗彎特性，故混合型Type 6表現(xiàn)出更均勻的雙邊擴(kuò)張。為了更真實(shí)反映所設(shè)計(jì)假體的在生理載荷作用下的應(yīng)變規(guī)律，將其植入仿生骨材料中，進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試觀察，如圖3所示。結(jié)果顯示：混合型的股骨柄假體在承載時(shí)界面兩側(cè)均呈現(xiàn)出壓應(yīng)變，有效地降低骨假體界面失效的風(fēng)險(xiǎn)，并防止磨損顆粒進(jìn)入骨假體界面，降低應(yīng)力屏蔽和提高骨生長(zhǎng)。
圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖：(A) 負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)試樣和傳統(tǒng)多孔結(jié)構(gòu)試樣；(B) 混合型生物金屬材料試樣；(C)金屬股骨柄植入物；(D) 兩種結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)：負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)(左)和傳統(tǒng)的蜂窩六邊形結(jié)構(gòu)(右)，凹角、內(nèi)角和長(zhǎng)寬比a/b；(E) 6種混合型生物金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中1-3分別為內(nèi)角為75°、85°和65°，而4-6與1-3相似，只是缺少過(guò)渡區(qū)域；(F) 金屬假體設(shè)計(jì)，其中，(C1) 傳統(tǒng)的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)成，(H1) 由混合型Type 1結(jié)構(gòu)按50/50比例構(gòu)成，(C2) 由混合型Type2中的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)成，(H2) 由混合Type 2按50/50比例構(gòu)成，并且中間包含實(shí)心材料，(H3) 由混合Type3按70/30比例構(gòu)成。
圖2 混合型結(jié)構(gòu)的力學(xué)測(cè)試：(A) 測(cè)試設(shè)備與圖像圖像處理，(1) 偏移軸壓縮；(2) 偏移軸壓縮，但涂覆一層便于觀察應(yīng)變分布的材料；(3) 采集觀察點(diǎn)的信息與分布位置；(B) 2mm位移作用下圖1 Type1-6結(jié)構(gòu)的水平應(yīng)變分布；(C) 偏移軸壓縮過(guò)程中平均最大擴(kuò)張量
圖3金屬植入物：(A) SLM制造植入物流程；(B) 增材制造加工的金屬植入物樣品；(C) 植入仿生骨材料中進(jìn)行測(cè)試；(D) 在t=0s和180s及1.5mm位移作用下，不同金屬植入物(C1, C2, H1, H2, H3)周圍仿生骨材料的水平應(yīng)變。