中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (21): 3326-3333.doi: 10.12307/2024.093
• 人工假体 artificial prosthesis • 上一篇 下一篇
人工膝关节中胫骨髓内柄的结构设计
曹雪坤1，董万鹏1，董跃福2，张 震1，张吉超1，李佳意1，苏德君1，马洪浩1
- 1上海工程技术大学材料科学与工程学院，上海市 201620；2徐州医科大学附属连云港医院，江苏省连云港市 222061
Structural design of tibial intramedullary stem of artificial knee joint
Cao Xuekun1, Dong Wanpeng1, Dong Yuefu2, Zhang Zhen1, Zhang Jichao1, Li Jiayi1, Su Dejun1, Ma Honghao1
- 1School of Materials Science and Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2Lianyungang Hospital Affiliated to Xuzhou Medical University, Lianyungang 222061, Jiangsu Province, China
摘要：
文题释义：
数值模拟：也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。应力遮挡：是指当2种或者多种具有不同刚度的材料共同承载外力时，刚度较高的材料将会承担较多的载荷，而刚度较低的材料则只承载较低的载荷。
背景：伴随着社会进步，面对社会人口中快速发展的老龄化问题，膝骨关节炎发病率越来越高，全膝关节置换手术量逐渐增加。
目的：通过对胫骨假体基座进行改进，研究假体尺寸与应力遮挡间的关系。方法：选择1例患有重度膝骨关节炎的女性患者，以Mimics为基础，通过提取膝关节骨骼结构模拟全膝关节置换手术，进行截骨、定位、置入操作，建立全膝关节置换假体(包含股骨假体、胫骨托、胫骨衬垫)的几何模型，对胫骨假体基座进行改进设计，分析不同胫骨假体基座对周围骨组织应力遮挡的影响。
结果与结论：①与单柄胫骨髓内柄假体相比，四桩胫骨髓内柄假体设计在短桩周围会造成一定的应力遮挡，但是与较粗大的单个长柄相比，这种应力遮挡作用明显减小，并由4个短桩来均匀分担负荷，因而在桩底部不会造成应力集中；②中部有矩形孔的设计，不仅能提供相对好的稳定性，并且在一定程度上还有利于减少松质骨的应力遮挡，减少率达77.5%；③与单柄胫骨髓内柄假体相比，四桩胫骨髓内柄假体和中部有孔的四桩胫骨髓内柄假体都有很好的稳定性，可以在一定程度上减少应力遮挡，不会造成应力集中，为胫骨髓内柄的设计提供理论指导。
https://orcid.org/0009-0000-0999-5866(曹雪坤)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
中图分类号:
由以上不同屈膝角度的静力学分析可知，膝关节假体受力情况随着屈膝角度的增大而变恶劣，屈膝角度越大，其受力状况越差。因此假体设计时要充分考虑大屈膝角度时假体受力状况的改善。四桩胫骨髓内柄假体和单柄胫骨髓内柄假体在屈曲0°-60°过程中，聚乙烯衬垫所受的应力呈现增加的趋势，且在60°时达到最大值；有孔四桩胫骨髓内柄的聚乙烯衬垫在屈曲90°时达到最大应力值。说明屈曲角度越大，衬垫所受磨损程度就越严重。GODEST等[20]在讨论中也提出比较结果的绝对值较困难，因为加载载荷及参数的设定均不相同，结果可能不会相同，因此只能比较趋势。而衬垫所受应力值整体呈上升趋势，且分别在屈曲60°和90°时应力达到最大值，与姬林松[21]的研究相同。具体比较结果如图18所示。
胫骨假体基座在胫骨上的固定方式有很多种，包括单柄固定、单柄辅以螺钉加强固定、单纯螺钉固定、短桩固定等等多种。张银光[4]对不同长短、不同粗细、不同位置的四桩设计进行比较，以及不同中部设计的四桩基座进行比较，得出结论：适当增加桩的直径、长度、桩位置向外侧移动都有利于提高固定的旋转稳定性并说明了增加矩形孔的中部设计并不会影响其固定的稳定性。孙孟帅[22]研究了非骨水泥钽金属一体化胫骨平台治疗终末期膝关节骨性关节炎，能够有效缓解患者疼痛、增加膝关节活动度、提高生活质量，获得良好的临床评价效果。QUILEZ等[23]分析了5种不同类型的假体，如果在不使用胫骨干的情况下能够获得足够的结构稳定性，那么可以避免在全膝关节置换翻修术中使用胫骨干带来的所有技术困难。强硕[24]关于肥胖患者膝关节置换中胫骨延长杆对胫骨应力分布影响的有限元研究得出：髓内延长杆无论是对于胫骨还是股骨假体来说都起到增加假体的机械稳定性并减少无菌性磨损风险的作用。王晖等[25]对胫骨托盘的不同结构进行设计，得出骨小梁结构设计的人工膝关节胫骨衬垫托盘可以有效降低应力遮挡水平，从而避免由于应力遮挡所造成的假体早期松动现象，提高了假体的使用寿命。