钛合金多孔垫块增强高位胫骨截骨与传统T型钢板及植骨的生物力学分析

doi:10.12307/2026.217

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (21): 5386-5395.doi: 10.12307/2026.217

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

钛合金多孔垫块增强高位胫骨截骨与传统T型钢板及植骨的生物力学分析

卿明松1，盛晓磊2，李豫皖3，徐志4，王伦华1，刘进南1

1贵州茅台医院骨科，贵州省仁怀市 564500；2苏州大学附属张家港医院骨科，江苏省张家港市 215600；3浙江大学医学院附属第一医院骨科，浙江省杭州市 310009；4张家港市第五人民医院骨科，江苏省张家港市 215600

接受日期:2025-09-03 出版日期:2026-07-28 发布日期:2026-03-03
通讯作者: 刘进南，硕士，副主任医师，贵州茅台医院骨科，贵州省仁怀市 564500
作者简介:卿明松，男，1993年生，贵州省仁怀市人，汉族，2019年遵义医学院毕业，硕士，主治医师，主要从事四肢创伤研究。
基金资助:
国家自然科学基金青年科学基金项目(82302853)，项目负责人：李豫皖

Biomechanical analysis of titanium alloy porous spacer-enhanced high tibial osteotomy versus conventional T-shaped plate and bone grafting

Qing Mingsong1, Sheng Xiaolei2, Li Yuwan3, Xu Zhi4, Wang Lunhua1, Liu Jinnan1

1Department of Orthopedics, Kweichow Moutai Hospital, Renhuai 564500, Guizhou Province, China; 2Department of Orthopedic Surgery, Zhangjiagang Hospital Affiliated to Soochow University, Zhangjiagang 215600, Jiangsu Province, China; 3Department of Orthopedics, The First Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou 310009, Zhejiang Province, China; 4Department of Orthopedics, Zhangjiagang Fifth People's Hospital, Zhangjiagang 215600, Jiangsu Province, China

Accepted:2025-09-03 Online:2026-07-28 Published:2026-03-03
Contact: Liu Jinnan, MS, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Kweichow Moutai Hospital, Renhuai 564500, Guizhou Province, China
About author:Qing Mingsong, MS, Attending physician, Department of Orthopedics, Kweichow Moutai Hospital, Renhuai 564500, Guizhou Province, China
Supported by:
Youth Science Foundation of National Natural Science Foundation, No. 82302853 (to LYW)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

胫骨高位截骨：一种通过调整胫骨上部的角度来矫正膝关节力线、减轻关节内侧压力的手术，常用于治疗膝关节单间室骨关节炎。
钛合金多孔垫块：一种具有多孔结构的钛合金植入物，该垫块采用钛合金材料，其内部结构具有多孔特性，能够模拟人体骨骼的自然结构，可提供更好的生物力学稳定性并有利于骨整合。

摘要
背景：对于特定膝骨关节炎患者群体，高位胫骨截骨是一种有效的治疗手段，但传统T型钢板存在多种局限性。
目的：通过有限元分析比较钛合金多孔垫块与传统T型钢板及植骨方案在胫骨高位截骨中的生物力学性能差异。
方法：采用计算机模拟实验，对1例接受胫骨高位截骨术的55岁男性患者进行了三维有限元分析。构建了3种不同的内植物几何模型：传统T型钢板高位胫骨截骨模型(模型A)、植骨增强高位胫骨截骨模型(模型B)和钛合金多孔垫块增强高位胫骨截骨模型(模型C)。这些模型分别用于评估在站立和起立2种载荷条件下，不同植入物对整体位移、应力分布等指标的影响。
结果与结论：①验证结果显示，构建的有限元模型有效；②在稳定性方面，模型C(钛合金多孔垫块增强胫骨高位截骨模型)表现出最佳的整体位移最小化效果，在站立和起立工况下最大位移较其他两个模型显著降低；③应力分析表明，模型C的T型钢板应力水平最低，分别为(40.9±36.5) MPa(站立)和(66.1±44.7) MPa(起立)，相比模型A减少了91.2%和92.9%；此外，模型C在外侧铰链部位的平均应力也明显低于模型A和B，显示出其降低外侧铰链骨折风险的优势；近端截骨接触面和铰链部位的应力分布显示，模型C具有更好的应力激发效果，有助于促进骨愈合，同时可降低铰链骨折的风险；④提示钛合金多孔垫块不仅提升了手术区域的初始稳定性，而且通过优化应力传导路径及提供良好的生物相容性环境，为解决现有接骨板机械稳定性不足与生物学融合缺陷提供了新思路，具有潜在的临床应用价值。

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

关键词: 胫骨高位截骨, 钛合金多孔垫块, T型钢板, 自体骨, 同种异体骨, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: High tibial osteotomy is an effective treatment for certain patients with knee osteoarthritis; however, traditional T-shaped plates have multiple limitations.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical performance of titanium alloy porous blocks with that of conventional T-shaped plates and bone grafting schemes in high tibial osteotomy using finite element analysis.
METHODS: A computer simulation experiment was conducted, performing three-dimensional finite element analysis on a 55-year-old male patient who underwent high tibial osteotomy. Three different implant geometries were constructed: a conventional T-shaped plate high tibial osteotomy model (Model A), a bone graft–augmented high tibial osteotomy model (Model B), and a titanium alloy porous block–augmented high tibial osteotomy model (Model C). These models were used to evaluate the effects of each implant on total displacement and stress distribution under two loading conditions: standing and initial rising from a seated position.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Validation results confirmed that the finite element models were effective. (2) In terms of stability, Model C (titanium alloy porous block–augmented high tibial osteotomy) demonstrated the best reduction in total displacement, with maximum displacements under both standing and rising conditions significantly lower than those of the other two models. (3) Stress analysis revealed that Model C’s T-shaped plate experienced the lowest stress values: (40.9±36.5) MPa (standing) and (66.1±44.7) MPa (rising), representing reductions of 91.2% and 92.9%, respectively, compared with Model A. Additionally, Model C exhibited significantly lower mean stress at the lateral hinge region than Models A and B, indicating a reduced risk of lateral hinge fracture. Stress distribution at the proximal osteotomy contact surface and hinge region showed that Model C provided more favorable stress stimulation, which may promote bone healing while lowering hinge fracture risk. (4) It is indicated that the titanium alloy porous block not only enhances initial stability at the osteotomy site but, by optimizing stress transmission pathways and offering a biocompatible environment, also addresses shortcomings in mechanical stability and biological integration found in existing plating techniques. These findings suggest promising clinical application potential.

Key words: high tibial osteotomy, titanium alloy porous block, T-shaped plate, autograft, allograft, finite element analysis

中图分类号:

卿明松, 盛晓磊, 李豫皖, 徐志, 王伦华, 刘进南. 钛合金多孔垫块增强高位胫骨截骨与传统T型钢板及植骨的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(21): 5386-5395.

Qing Mingsong, Sheng Xiaolei, Li Yuwan, Xu Zhi, Wang Lunhua, Liu Jinnan. Biomechanical analysis of titanium alloy porous spacer-enhanced high tibial osteotomy versus conventional T-shaped plate and bone grafting[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(21): 5386-5395.

图/表（结果） 4

2.1 有限元模型验证 参考YANG等[27]的研究结果，在站立工况下其钢板峰应力为154 MPa，胫骨模型最大位移为0.73 mm；起立工况下钢板峰应力为219 MPa，最大位移为1.86 mm。这类似于此次研究模型在相似加载条件下的数值表现，以模型A作为测试对象，在站立工况下显示钢板峰应力分别为226.9 MPa、胫骨模型最大位移为2.10 mm；起立工况下钢板峰应力分别为292.3 MPa，胫骨模型最大位移为2.99 mm，提示此次构建的有限元模型有效。
2.2 不同内固定-胫骨高位截骨模型整体位移比较 对于3个内固定-胫骨高位截骨模型的位移分布如图6所示。总体而言，在站立和起立两种载荷下模型A位移最大稳定性最差，模型B次之，模型C位移最小稳定性最佳，3种模型的位移分布均存在近端位移水平比远端高以及外侧位移水平比内侧高的规律，无论采用何种内固定方式，内侧开窗行楔形截骨后，力学作用会使截骨近端区域更易产生较大位移，同时由于体重轴线偏向胫骨外侧，外侧位移始终高于内侧。其中在站立工况下模型C最大位移较模型A和模型B分别降低了70.5%及69.8%；在起立工况下模型C最大位移较另外两者分别降低70.6%及69.7%。即反映在两种载荷下具有金属植入物的模型C的稳定性改善效果相似，均取得良好效果。值得注意的是，植入的自体骨/同种异体骨因质地松软，其应变(形变量)相对较大，无法提供与金属内固定件匹配的抗变形能力，表现在模型B的初始稳定性不如模型C。

2.3 不同内固定-胫骨高位截骨模型T型钢板、楔口植入物应力比较 对于3种模型内固定的应力分布如图7所示。应力云图显示在站立工况下，模型A和模型B的T型钢板总体应力水平接近，两者的应力集中于钢板中上段齐楔口水平，模型A和模型B最大应力均出现在钢板近端第2排螺钉孔上，分别为226.9，137.1 MPa。模型C除了T型钢板固定外还有钛合金多孔垫块分摊载荷，其T型钢板的应力水平明显低于另外两者，应力集中于近端螺钉及螺钉孔周围，最大应力发生于金属垫块内部，为184.8 MPa，模型C钢板应力均值较模型A和模型B分别下降91.2%及88.1%(P < 0.001)。在起立工况下3种内固定应力分布与站立工况下的情况相似，但钢板整体的应力水平升高，模型C钢板应力均值较模型A和模型B分别下降92.9%及86.2%(P < 0.001)(表3)。
图7展示了模型B和模型C的楔口植入物的应力分布，在站立工况下，由于模型B采用的自体骨/同种异体骨弹性模量更接近截骨区域骨质，因此其应力水平较钢板低，呈现深蓝色低应力反馈。模型C则采用钛合金多孔垫块的方案，因金属垫块的刚度高于周围的骨质，金属垫块的边缘存在局部的应力屏蔽，金属垫块整体应力水平较高，呈现的效果可与钢板协同，观察到应力在多孔结构表面均匀分布，钛合金多孔垫块的平均应力为自体骨/同种异体骨的3.1倍。在起立工况下模型B和模型C两种楔口植入物的表现情况与站立工况下相似，但植入物整体的应力水平升高，钛合金多孔垫块的平均应力为自体骨/同种异体骨的2.9倍(表3)。

2.4 近端截骨接触面和铰链部位的应力比较 图8显示了3个模型近端截骨接触面的应力分布，在站立/起立工况下观察到模型B和模型C应力分布规律相似，即应力集中于楔口植入物的轮廓周围，然而模型B由于采用了骨质植入，质地柔软难以与钢板分摊轴向载荷，应力在模型B楔口处的传导仍以钢板侧为主，因此可以观察到模型B和模型A的内侧皮质骨边缘较高的应力区域，模型B和模型C在毗邻植入物轮廓的内部区域散在分布亚高应力区，表现出良好的应力激发效果，且钛合金多孔垫块比自体骨/同种异体骨的应力刺激效果更佳，具体而言在站立/起立工况下后者接触面应力均值比前者分别高28.6%及16.7%(表3)。
在站立工况下，与模型B和模型C两种植入物方案形成鲜明对比的是模型A近端截骨接触面应力集中于内侧的螺钉孔周围和外侧铰链部位表面，且从外侧铰链的前缘起点(0点)到后缘终点(1点)可以观察到应力数值逐渐升高并在0.9点附近达到峰值(图9)。模型B和模型C的铰链部位的平均应力较模型A降低55.3%及87.2%(P < 0.001)(表3)，提示楔口植入物方案可以降低铰链骨折的风险。在起立工况下3个模型外侧铰链部位应力分布与站立工况下的情况相似，亦在0.9点附近达到峰值，但整体的应力水平升高(图9)。模型B和模型C的外侧铰链部位平均应力较模型A降低54.2%及87.1%(P < 0.05)(表3)，显示出钛合金多孔垫块具有降低外侧铰链骨折风险的优势。

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引言

胫骨高位截骨术通过矫正力线、减轻内侧压力，已成为65岁以下内侧间室狭窄膝骨关节炎患者的重要选择[1-5]。然而，现有胫骨高位截骨术式仍存在多种术后并发症，如低位髌骨、轨迹改变、铰链骨折、胫骨结节骨折、血管损伤及间隙延迟愈合等，难以满足不断增长的临床需求。尽管部分T形内固定系统可部分应对，但仍存在5大缺陷：①接骨板与胫骨贴合差，增加外侧铰链骨折风险[6]；②放置受限，易致应力集中和断板[7]；③螺钉方向欠佳，存在伤及腘动静脉风险[8]；④缺乏后内支撑，导致术后的后倾角增加[9]；⑤支撑部与截骨线位置不匹配，影响大角度矫正的稳定性[6]。因此，急需结合术式的解剖和力学特点，研发系统化、精准化、个性化的内固定方案，实现术式与固定系统的协同创新，以适应老龄化背景下日益增长的临床需求。
尽管TomoFix等锁定钢板系统在生物力学强度方面已能满足术后负重需求，但临床实践中仍观察到钢板应力集中、外侧铰链骨折、骨不愈合等并发症。提示单纯依靠钢板强度并不能完全解决胫骨高位截骨术的所有生物力学挑战。作者所在研究组在临床实践中遇到1例典型胫骨高位截骨失败案例：患者术后2年仍存在截骨部位骨不愈合，影像学显示明显的骨缺损(图1)，这一病例凸显了现有内固定系统在促进骨愈合方面的局限性。虽然胫骨高位截骨术因截骨端为松质骨、愈合相对较快，常规不需植骨，但对于大角度矫正、骨质疏松或存在其他骨愈合风险因素的患者，仍可能出现骨不愈合或矫正丢失[10]。此次研究基于临床遇到的典型失败病例，探索新型内固定解决方案。针对胫骨高位截骨中楔口缺损，临床上常规做法是植入自体或同种异体骨以促进骨桥形成，但此方案往往伴随供骨部位创伤大、并发症风险高、成本和患者痛苦都很大[11]。基于此前学者在颈椎多孔融合器研发中积累的经验，即通过拓扑优化设计的三维多孔结构改善了应力屏蔽现象且有利于骨整合发生[12-13]，作者所在研究组提出将多孔融合器理念引入胫骨高位截骨器械开发领域。借鉴颈椎前路减压融合术中钢板+多孔融合器组合的设计思路，此次所设计的胫骨高位截骨钛合金多孔垫块参考了这一结构优势：利用钢板提供刚性支撑，用多孔垫块促进骨生长与血管化，以期在满足力学稳定的同时增强生物学融合。参考颈椎多孔融合器的生物力学性能，推测该新型胫骨高位截骨内固定装置通过仿生微孔结构设计，既能降低弹性模量减少应力遮挡，又可为血管化骨长入提供通道，从而为解决传统T形接骨板的5大缺陷提供新思路。

当前计算模拟技术已为内固定系统的优化设计提供了关键评估手段[14-15]。此次研究旨在通过有限元分析对比钛合金多孔垫块和传统胫骨高位截骨固定方案的生物力学性能差异，研究重点在于揭示钛合金多孔垫块如何通过多孔互连结构和较低的弹性模量，减轻钢板和骨组织之间的应力屏蔽现象，优化应力传导路径，并在不同载荷作用下显著提高截骨区域的初始稳定性。假设钛合金多孔垫块设计可通过优化应力传导和孔隙互连结构，同步解决现有接骨板的机械稳定性不足与生物学融合缺陷双重挑战。

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

材料方法

1.1 设计 计算机模拟实验，高位胫骨截骨三维有限元分析。
1.2 时间及地点 实验于2025年6月在贵州茅台医院和苏州大学附属张家港医院完成。

1.3 材料 植入物信息见表1。

1.4 对象 从骨科门诊招募1例符合标准的已接受胫骨高位截骨手术治疗的双膝骨关节炎患者。该患者为55岁男性，身高169 cm，体质量73 kg(体质量指数为25.5 kg/m²)。经临床评估确诊为双膝内侧间室骨关节炎(Kellgren-Lawrence分级Ⅲ级)，患者术前无严重慢性基础疾病及膝关节手术史，双膝关节活动度为0°-110°。X射线片检查显示双膝内侧关节间隙明显狭窄伴胫骨内翻畸形，符合高位胫骨截骨术的手术指征。已于2022年接受胫骨高位截骨手术治疗，术后进行规范化康复训练及定期随访评估。当前患者因双膝疼痛不适再次入院，使用64排螺旋CT(Philips Healthcare，荷兰)对双下肢进行影像学评估，患者取仰卧位，双下肢自然伸直，扫描范围覆盖胫骨近端上方5 cm至截骨线以远5 cm，确保完整包含截骨区域、内固定物及邻近关节结构。扫描参数设置为：管电压120 kV，管电流200 mA，层厚0.8 mm，层间距0.8 mm，采集矩阵512×512，像素大小0.5 mm×0.5 mm，视野220 mm×220 mm。获得的二维断层图像将以Dicom格式文件保存。
患者充分了解研究目的及流程，在知情前提下自愿参与此次研究，此次研究中的所有方法均按照相关法规和指南进行。所有方案均经贵州茅台医院伦理委员会批准(批准号：KLL-2025-005，批准时间：2025-06-12)。
1.5 方法

1.5.1 高位胫骨截骨术模型构建将采集的患者CT Dicom数据导入Mimics 19.0 (Materialise公司，比利时)中，对胫骨皮质骨、松质骨及T型钢板螺钉进行阈值分割，选择了合适的骨性灰度阈值，有效地将软组织、骨组织和内固定分离。通过区域生长、填充和擦除等一系列图像处理步骤，提取出了胫骨的三维模型，将其保存为STL格式文件。为了进一步提高模型的精确度，在3matic 11.0 (Materialise公司，比利时)软件中完成网格光顺与去噪，最终得到了一个表面光滑、细节清晰的胫骨高位截骨三维模型，并测量术后楔隙宽度(约10 mm)及机械轴矫正至胫骨平台外侧62.5%位置，模型与文献中体外模型及影像学测量对比偏差≤0.5 mm，满足建模精度要求[16-17]。导出为IGS文件用于后续分析，建模细节见图2。

1.5.2 三种内植物几何模型和内固定-胫骨高位截骨装配体模型构建在此次研究中，构建了3种不同的内植物几何模型，用于高位胫骨截骨术，分别为传统T型钢板高位胫骨截骨模型(模型A)，植骨增强高位胫骨截骨模型(模型B)和钛合金多孔垫块增强高位胫骨截骨模型(模型C)。这些内固定装置与骨折-内固定装配体模型的构建如下：模型A中钢板及其配套螺钉按照仿TomoFix国产钢板的规格。钢板的长度、宽度和厚度分别约为88，26，2 mm。内侧楔形区的进入点、倾斜角度和楔形深度均参考TomoFix系统手术指南[18]。如图3所示，模型A未使用骨移植，以模拟胫骨高位截骨钢板在最不利条件下的稳定性。图3A展示了T型钢板的独立视图。在装配体模型中，如图3D所示，钢板与胫骨高位截骨胫骨模型组合，通过板上的螺钉提供稳定的内固定。模型B在传统的T型钢板基础上增加了自体骨或同种异体骨植入，这是一个固体填充物，采用了个性化环形构型，通过阶梯式楔形几何匹配截骨面解剖形态，设计用于提供额外的支撑和融合。在图3B展示了该内固定装置的独立视图。通过植骨材料填充截骨的楔形空隙，旨在为截骨区域提供更好的骨愈合支持。植骨材料的选用对提高胫骨高位截骨手术初始稳定性有一定的帮助且在一定程度上提高了骨愈合效果，如图3E所示，自体骨/同种异体骨与胫骨高位截骨胫骨模型组合。模型C的内固定装置由钛合金多孔垫块与T型钢板组合而成，钛合金多孔垫块内部具有适合骨组织生长和融合的多孔结构，梯度孔隙率控制在60%-70%和孔径直径500-1 000 μm的范围[12，19]，图3C展示了钛合金多孔垫块的独立视图。该内固定装置的设计不仅增强了胫骨截骨后部位的骨融合效果，同时多孔结构还能够在一定程度上减轻钢板及螺钉部位的应力集中。该装置的钛合金部分因其良好的力学性能和生物相容性，广泛应用于医疗植入物中[20-21]。如图3F所示，钛合金多孔垫块与胫骨高位截骨胫骨模型组合。

1.5.3 网格划分与定义材料属性将上述过程开发的3款胫骨高位截骨模型作为Parasolid装配文件导入Hypermesh 14.0 (Altair公司，美国)软件。几何清理完成后，所有实体部件均采用四节点线性四面体(C3D4)单元进行网格划分。此次研究使用传统T型钢板胫骨高位截骨模型进行收敛测试，并基于不同网格大小生成了4个网格分辨率的有限元模型，分别为Mesh 1(单元数86 874，尺寸1.5 mm)、Mesh 2(单元数110 254，尺寸1.2 mm)、Mesh3(单元数142 492，尺寸1.0 mm)、Mesh 4(单元数278 300，尺寸0.6 mm)。通过在4个不同网格精细度的模型上加载600 N轴向力，对比分析最大应力值的变化。以Mesh 4模型为参考基准，Mesh 3模型的内固定最大应力相对误差保持在5%范围内(图4)，认为已达到网格收敛的标准[22]。各模型的具体单元数量、节点数及网格尺寸详列于表2。将网格组件保存为INP文件，导入Abaqus 6.14(Dassault公司，法国)有限元软件进行预处理。一般情况下，钛合金和植骨块(松质骨)被视为连续、各向同性并具有线弹性特性的材料，因此钛合金弹性模量设定为 110 000 MPa，泊松比为0.34[23]，植骨块弹性模量设定为449 MPa，泊松比为0.3[24]。所采用的HU-密度-弹性模量转换公式来源于XU等[25]研究，此次研究的结果与张静等[26]采用灰度值-弹性模量公式赋值方案的实验结果处于同一个量级，不同的参数可能影响分析结果的绝对值，但组内相对比较结果基本可靠，可验证材料属性赋值的合理性。骨骼每个单元根据灰度值公式分配单独的材料值。胫骨根据灰度值公式为每个单元赋予单独的材料值。运用灰度值方法对每个单元单独赋予材料属性，各部分的表观密度(ρ)、弹性模量(E)由CT扫描的HU值按以下公式分配：
ρ(g/m3)= 0.000 968×HU+0.5 (1)
If ρ < 1.2 g/ cm3，E=2 014 ρ2.5 (MPa)，v=0.2 (2)

If ρ > 1.2 g/cm3，E=1 793ρ3.2(MPa)，v=0.32 (3)

1.5.4 接触关系、边界条件及载荷设定部件之间所有接触界面均为摩擦接触，骨-骨接触面的摩擦系数取0.46，骨-内固定装置之间的摩擦系数为0.42，而内固定件相互之间的摩擦系数为0.20[26]。对3款不同组合的胫骨高位截骨模型中施加了两种载荷条件，以模拟站立姿势和起立初始阶段的载荷情况。对于站立姿势，在整个胫骨平台上施加了600 N的轴向压缩载荷，其中内侧和外侧平台的载荷比例分别为60%和40%，为模拟坐起运动初始阶段的载荷，仅在胫骨平台的后半部分施加了额外的600 N轴向压缩载荷，为了防止分析过程中胫骨移动，胫骨远端在所有自由度方向上都被约束[27]，见图5。

1.5.5 有限元模型验证为验证有限元模型有效性，对此次研究中模型A的胫骨平台分别施加全平台600 N和后方平台600 N载荷模拟站立和起立状态，总负载按60%和40%的比例分别分配到胫骨平台的内侧和外侧，将测得的内固定峰应力和胫骨的最大位移与YANG等[27]的报道结果比较，检验模型的有效性。
1.6 主要观察指标
1.6.1 位移情况‌整体位移‌ 评估在站立和起立两种载荷下，不同组合的胫骨高位截骨模型[传统T型钢板高位胫骨截骨模型(模型A)，植骨增强高位胫骨截骨模型(模型B)和钛合金多孔垫块增强高位胫骨截骨模型(模型C)]的整体位移情况，以判断模型的稳定性。
1.6.2‌ 应力分布‌ ①钢板和楔口植入物应力‌：测量并分析3种胫骨高位截骨模型在不同载荷下钢板和植入物应力分布和数值差异，以评估其力学性能和应力屏蔽现象；②近端截骨接触面应力‌：研究不同模型的近端截骨接触面的应力分布和数值差异，探讨其对骨愈合的影响。
1.6.3 铰链部位应力‌ 分析铰链部位的应力分布和数值差异，评估其骨折风险。此次研究中所有展示和分析的应力均为Von Mises等效应力，该指标综合考虑了三维应力状态下的主应力分量，常用于评估材料的屈服风险。the Von Mises stress(σe)计算公式：
σe= (σ1、σ2、σ3为第一至第三方向主应力)。
1.7 统计学分析 使用SPSS 26.0(IBM公司，美国)进行数据分析。使用Shapiro-Wilk检验确定数据是否服从正态分布。正态分布的数据以x±s表示。使用单因素方差分析(ANOVA)进行差异分析，若差异有显著性意义，则采用LSD方法进行事后检验；对于两组数据间的比较，使用独立样本t检验。P < 0.05被认为差异有显著性意义[28]。

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

讨论

此次研究通过有限元分析比较了钛合金多孔垫块增强胫骨高位截骨模型、植骨增强胫骨高位截骨模型和传统T型钢板胫骨高位截骨模型3种内固定方案的生物力学性能。钛合金多孔垫块由于采用了多孔结构设计，在多数测试条件下表现出优于传统方案的稳定性，尤其是在降低应力集中和提升初始稳定性方面表现突出。值得注意的是，钛合金多孔垫块在站立和起立工况下最大位移显著降低，T型钢板应力大幅减少，外侧铰链部位应力明显降低，表明合理的多孔结构设计对固定效果产生重要影响。与传统植骨方案相比，钛合金多孔垫块在减少截骨区微动和优化应力分布方面显示出显著优势，其梯度孔隙率设计优化了内固定的生物力学特性，为血管化骨长入提供了理想环境，提高了预期的骨整合效果。
分析不同模型的初始稳定性，发现模型C在站立和起立2种载荷条件下均表现出最小的整体位移，显著优于模型A和模型B。在站立载荷条件下，模型C最大位移较模型A和模型B分别降低70.5%和69.8%；在起立载荷下，模型C最大位移较两者分别降低70.6%和69.7%。这一结果与YANG等[27]的研究发现一致，该研究通过体外生物力学测试发现，具有内部支撑结构的胫骨高位截骨内固定系统可将胫骨内侧平台的最大轴向位移分别减少约73%和76%。值得注意的是，此次研究中观察到的稳定性改善幅度略低于文献报道，钛合金多孔垫块具有良好初始稳定性的机制主要体现在3个方面：首先，个性化环形构型与阶梯式楔形几何设计能够更精确匹配截骨面解剖形态，增大与骨组织的接触面积；其次，钛合金材料的高强度(弹性模量110 GPa)提供了足够的刚性支撑，而多孔结构通过增大与骨组织的接触面积和界面摩擦力，提升了其初期的抗位移能力；与传统植骨方案相比，自体骨或同种异体骨因质地相对松软，难以提供与金属内固定件匹配的抗变形能力，导致模型B的初始稳定性不如模型C。LI等[29]的体外研究证实，电子束熔化制备 33%–61% 孔隙率的 Ti6Al4V 支架；随孔隙率降低，压缩强度可由 33 MPa 提升至 115 MPa，显著高于松质骨上限，解释了植骨方案在承受早期负荷时容易发生变形的现象。较少的微动有助于减少早期并发症如外侧铰链骨折或骨不连的发生，从而加速康复进程。这种初期稳定性的提升对术后康复至关重要，尤其对于需要在术后早期进行负重的年轻且活跃的患者群体具有重要意义。
应力分析结果表明，钛合金多孔垫块凭借其三维互联孔隙结构，在植入物表面、骨-植接触面以及截骨铰链区域均实现了更加均匀的应力分布，从而有效降低了局部应力集中风险。具体来看，在站立工况下，模型C骨-植接触面的平均应力为(2.7±2.3) MPa，相较模型B提高了28.6%；在起立工况下，该值为(3.5±3.2) MPa，比模型B提高了16.7%，与张静等[26]的研究结果相近，可为骨愈合提供适宜的力学刺激。同时，铰链区域应力较模型A、B分别降低了87.2%和87.1%，主要得益于多孔结构对加载力的有效分散，使应力从局部快速转移至更广泛的区域，减弱了植入体在关节活动过程中对骨组织的冲击[30]。此外，在站立载荷下，模型C中T型钢板的应力仅为(3.6±2.7) MPa，相较模型A的(40.9±36.5) MPa降低了91.2%；在起立载荷时为(4.7±3.7) MPa，而模型A则高达(66.1±44.7) MPa，降幅达到92.9%，说明多孔垫块在剪切力作用下可有效分担并卸载钢板载荷，显著提升了置入系统的整体力学稳定性。同时，钛垫块本身在站立和起立工况下所承受的平均应力分别为自体骨/同种异体骨的3.1倍和2.9倍，表明其弹性模量适中，能够先行承载应力并通过孔隙将力传递至周围骨组织，为新生骨提供持续的力学刺激，有助于骨重塑和整合。简而言之多孔钛垫块通过优化应力传递路径，一方面为新生骨提供适度刺激，促进骨结合；另一方面显著降低铰链区与钢板峰值应力，兼顾了机械支撑与生物学融合，有效提高了高位胫骨截骨术的稳定性和安全性。此外，关于应力遮挡的考量，此次研究结果显示钛合金多孔垫块并未产生显著的应力遮挡效应，模型C的截骨接触面应力较模型B提高了28.6%(站立)和16.7%(起立)，说明多孔垫块能够有效向周围骨组织传递应力。多孔垫块通过仿生的三维互联孔隙结构实现了渐进式应力传递，避免了传统固体植入物常见的局部应力集中和完全应力遮挡现象。这种设计理念与Wolff定律相符，骨组织需要适度的力学刺激来维持正常的骨重塑过程[31]。
与既往文献相比，主要差异在于内支撑材料的选择：YANG等[27]采用的聚醚醚酮材料弹性模量较低，而此次研究采用的钛合金多孔垫块具有更高的机械强度，但通过多孔结构设计也实现了良好的生物力学匹配。此外，此次研究还增加了传统植骨方案的对比，为临床决策提供了更全面的参考依据。2项研究均证实了内支撑结构在改善胫骨高位截骨术初始稳定性方面的重要价值，但钛合金多孔垫块在应力分散和稳定性提升方面表现出更明显的优势。在填充块设计方面，张静等[26]通过有限元分析发现，开放式胫骨高位截骨术引入填充块后固定板最大应力降低30%以上，胫骨最大应力下降15%以上，外侧铰链区域最大应力下降81%，且楔形间隙后侧位置填充设计可获得最优固定效果。这些发现与此次研究结果高度一致，但张静等[26]主要关注几何形状优化，而此次研究进一步探索了多孔结构设计和材料选择的影响；在材料选择方面，2项研究均认为多孔羟基磷灰石材料在平衡机械支撑与生物学融合方面具有显著优势，为开放式胫骨高位截骨术填充块设计提供了科学依据。
钛合金多孔垫块的创新性体现在其跨学科技术转化的成功应用。该设计借鉴了颈椎前路减压融合术中钢板与多孔融合器组合使用的成功经验[32]，将这一成熟的脊柱外科技术创新性地引入到膝关节矫形外科领域。钛合金多孔垫块具有广阔的临床应用前景[33-34]。此次研究中模型C的截骨面应力较模型B高28.6%(站立工况)，这对于促进骨与植入物的结合至关重要。多孔结构的孔隙率和孔径为血管化骨长入提供了理想通道，有效改善了接触界面的应力屏蔽效应，降低了术后骨不连的风险[35-36]。多孔结构的仿生设计为新骨形成创造了良好的微环境[37]。基于上述生物力学性能和骨整合特性，钛合金多孔垫块的技术优势体现在：①能够为年轻骨关节炎患者提供更为稳定的骨愈合环境，在高位胫骨截骨术内植物中具有竞争优势；②可实现个性化定制生产；③相较于传统植骨方案，避免了供骨区手术创伤，且无需二次手术取出。钛合金多孔垫块在初始稳定性、应力分布和生物整合方面均表现出显著优势，为解决传统胫骨高位截骨内固定存在的问题提供了新的解决方案。
此次研究存在以下局限性：①研究仅以1名55岁男性患者为研究对象，样本量较小，可能限制了研究结果的普适性和推广性；②有限元分析虽然能够准确模拟生物力学行为，但作为计算机仿真研究，骨组织的复杂生物学特性如愈合过程中的骨重塑、血管化进程等动态变化在静态模型中难以完全体现；③此文采用的载荷条件仅模拟了站立和起立两种静态工况，未涵盖步态周期中的动态剪切力、内外翻力矩及胫骨扭转等复杂载荷组合，而这些动态载荷条件对内固定系统性能的影响有待进一步研究；④缺乏临床验证：尽管有限元分析显示钛合金多孔垫块具有较好的稳定性和生物力学性能，但尚缺乏临床长期随访数据来验证其长期效果和安全性，因此应谨慎看待此次研究的结果。未来通过进一步的体外实验、动物实验和临床试验，钛合金多孔垫块可能成为高位胫骨截骨术中理想的内固定解决方案，为患者提供更为安全、持久的治疗效果。

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钛合金多孔垫块增强高位胫骨截骨与传统T型钢板及植骨的生物力学分析

Biomechanical analysis of titanium alloy porous spacer-enhanced high tibial osteotomy versus conventional T-shaped plate and bone grafting

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