金属3D打印个性化股骨假体和4种类型标准化假体的生物力学对比

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1399

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (32): 5151-5157.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1399

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金属3D打印个性化股骨假体和4种类型标准化假体的生物力学对比

刘宏伟¹，蒋俊锋²，张云坤¹，徐南伟¹，王彩梅³，张文⁴

¹南京医科大学附属常州第二人民医院骨科，江苏省常州市 213003；²河海大学物联网工程学院，江苏省常州市 213022；³北京爱康宜诚股份有限公司，北京市 102200；⁴苏州大学骨科研究所，江苏省苏州市 215006

出版日期:2019-11-18 发布日期:2019-11-18
通讯作者: 蒋俊锋，副教授，河海大学物联网工程学院，江苏省常州市 213022
作者简介:刘宏伟，男，1973年生，江苏省常州市人，汉族，2009年苏州大学毕业，博士，副教授，主任医师，主要从事关节外科的临床和基础研究。
基金资助:
国家自然科学面上基金资助项目(61772172)，项目参与人：刘宏伟|常州市卫计委重大项目资助课题(ZD201617)，项目负责人：刘宏伟

Biomechanical comparison of personalized titanium femoral prosthesis fabricated by three-dimensional printing to four types of cementless prosthesis

Liu Hongwei¹, Jiang Junfeng², Zhang Yunkun¹, Xu Nanwei¹, Wang Caimei³, Zhang Wen⁴

¹Department of Orthopedics, Changzhou Second People’s Hospital, Nanjing Medical University, Changzhou 213003, Jiangsu Province, China; ²College of Internet of Things Engineering, Hehai University, Changzhou 213022, Jiangsu Province, China; ³Beijing AI-Kang Yicheng Limited Company, Beijing 102200, China; ⁴Orthopedic Institute, Soochow University, Suzhou 215006, Jiangsu Province, China

Online:2019-11-18 Published:2019-11-18
Contact: Jiang Junfeng, Associate professor, College of Internet of Things Engineering, Hehai University, Changzhou 213022, Jiangsu Province, China
About author:Liu Hongwei, MD, Associate professor, Chief physician, Department of Orthopedics, Changzhou Second People’s Hospital, Nanjing Medical University, Changzhou 213003, Jiangsu Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 61772172 (to LHW)| the Major Project Funding Project of Changzhou Municipal Health Planning Commission, No. ZD201617 (to LHW)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

高能电子束熔融金属3D打印：是通过发射高能电子束选择性熔融钛合金粉末，层层堆积完成金属件打印的一种增材制造技术，具有快速、精准、智能、个性化制造的特点。能够打印一体化的金属表面三维微孔结构，其力学强度介于铸造和锻造之间，在个性化精准医疗及植入体界面骨长入有独特的应用价值。

个性化股骨假体：和传统的标准化股骨假体设计和减材制造理念不同，个性化股骨假体是根据具体的股骨髓腔形态量身定做，因此是最符合个体需求的假体，具有磨锉骨量最少、节省手术时间、减少出血量等优势。尤其是金属3D技术的发展为个性化股骨假体的研发提供了更多的技术支持。

摘要

背景：蓬勃发展的金属3D打印增材制造技术为骨科个性化假体的研制带来了全新的机遇，但其生物力学性能是否能满足临床需求尚待深入研究。

目的：探讨高能电子束熔融金属3D打印个性化股骨假体相对于SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄的生物力学优缺点。

方法：分别将3D打印个性化股骨假体、SR组配柄、柱形柄、矩形柄、锥形柄的三维扫描stl格式数据导入UG 8.0建模，修补坏点及空洞。按临床手术要求进行虚拟截骨，置入数字化股骨假体。采用Ansys 10.0软件对5种股骨假体进行有限元网格及节点划分，对假体材料分别赋值。分别模拟双足静止站立、缓慢行走2种状态，对比5种股骨假体在界面应力、初始微动以及应力遮挡率3个方面的差异。

结果与结论：(1)最大应力对比：①双足静止站立：3D打印个性化股骨假体正应力略高于锥形柄(10.83%)，较SR组配柄、矩形柄、锥形柄正应力分别低45.65%，15.20%，41.18%；个性化股骨假体剪切应力较SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄分别低58.53%，38.91%，15.64%，37.55%；②缓慢行走：3D打印个性化股骨假体正应力较SR组配柄低，较3种标准柄高；剪切应力较SR组配柄、矩形柄低(25.78%、62.50%)，较柱形柄、锥形柄高(35.74%，15.82%)；(2)应力遮挡率：①双足静止站立：3D打印个性化股骨假体对股骨近端有着最小的应力遮挡率，比SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄分别低约56.21%，41.88%，23.92%和17.98%；②缓慢行走：个性化股骨假体应力遮挡率比SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄分别低56.84%，31.10%，20.45%，16.69%；(3)假体微动：①双足静止站立：3D打印个性化股骨假体水平微动较其他股骨柄大，最大值26.4 μm，在骨长入的微动范围内，垂直微动均较其余4种柄低；②缓慢行走：3D打印个性化假体的水平微动较其他柄大，最大值172 μm；垂直微动较柱形柄略低(1.45%)，较SR组配柄、矩形柄、锥形柄略高(16.10%，23.67%，1.54%)；(4)提示高能电子束熔融金属3D打印个性化股骨假体对股骨近端的应力遮挡率低于其他4种类型标准股骨柄，界面应力分布优于SR组配柄，缓慢行走时初始微动略高于其他标准柄，但在骨长入范围内。

ORCID: 0000-0002-0298-3149(刘宏伟)

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: 股骨假体, 金属3D打印, 有限元分析, 生物力学, 应力遮挡, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: The vigorous development of metal three-dimensional (3D) printing additional manufacturing technology has brought new opportunities for the development of personalized prosthesis in orthopedics, but whether its biomechanical properties meet the clinical needs remains to be further studied.

OBJECTIVE: To explore the biomechanical characteristics of titanium femoral prosthesis fabricated by electron beam melting 3D metal printing to four types of cementless prosthesis as SR modular prosthesis, rectangular prosthesis, cylindrical prosthesis and tapered prosthesis.

METHODS: The STL files of personalized femoral prosthesis, SR modular prosthesis, cylindrical prosthesis, rectangle prosthesis and tapered femoral prosthesis were exported to UG 8.0 software. Three-dimensional model was reconstructed and bad point and cavity were repaired to get the satisfied 3D STL format files. The digitized femoral prosthesis was implanted into femoral medullary cavity in accordance with the standard operative requirements. The five femoral prostheses with finite element mesh and node were divided by using Ansys 10.0 software and the prosthetic materials were assigned. The biomechanical characteristics of the five kinds of femoral prosthesis including stress distribution, interface stress, initial micromovement and stress shielding in simulating two states as bipedal standing still and walking slowly were compared.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Stress distribution: When standing still with double feet, positive stress of 3D printing personalized femoral prosthesis was only slightly higher than the tapered prosthesis (10.83%). Compared with SR modular prosthesis, the positive stresses of rectangle prosthesis and tapered femoral prosthesis were lower 45.65%, 15.20% and 41.18%, respectively. Compared with the SR modular prosthesis, personalized femoral prosthesis shear stresses of rectangle prosthesis, cylindrical prosthesis and tapered femoral prosthesis were lower 58.53%, 38.91%, 15.64% and 37.55%. When in low-speed walking condition, the positive stress of personalized prosthesis was lower than SR modular prosthesis and higher than the other three types of standardized prosthesis. Shear stress was lower than SR and rectangular prosthesis (25.78%, 62.50%) and higher than cylindrical and tapered prostheses (35.74%, 15.82%). (2) Stress shielding: When standing still with double feet, the rate of proximal stress shielding of personalized femoral prosthesis was minimum, lower than the SR, rectangular, cylindrical and tapered prostheses about 56.21%, 41.88%, 23.92% and 17.98%, respectively. When in low-speed walking condition, the rate of proximal stress shielding of personalized femoral prosthesis was minimum, lower than the SR, rectangular, cylindrical and tapered prostheses about 56.84%, 31.10%, 20.45% and 16.69%, respectively. (3) Prosthesis micromotion: When standing still with double feet, horizontal micromotion of personalized femoral prosthesis was higher than the other femoral stems, the maximum value was 26.4 μm, in the micromotion range of bone ingrowth; the vertical micromotion was lower than the other four prostheses. When in low-speed walking condition, the horizontal micromotion femoral prosthesis was higher than the other femoral prosthesis, the maximum micromotion value was 172 μm; the vertical micromotion was slightly lower than cylindrical prosthesis (1.45%) and slightly higher than SR, rectangular, and tapered prostheses (16.10%, 23.67%, 1.54%) respectively. (4) The stress shielding of proximal femur by electron beam melting metal 3D printing femoral prosthesis is lower than that of the other four types of standard prosthesis and stress distribution is better than SR modular prosthesis. The initial micromovement is slightly higher than that of other standard prosthesis, but it is within the range of bone in-growth.

Key words: femoral prosthesis, three-dimensional metal printing, finite element analysis, biomechanics, stress shielding, the National Natural Science Foundation of China

中图分类号:

R445.3|R318.01|R459.9

刘宏伟，蒋俊锋，张云坤，徐南伟，王彩梅，张文. 金属3D打印个性化股骨假体和4种类型标准化假体的生物力学对比[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(32): 5151-5157.

Liu Hongwei, Jiang Junfeng, Zhang Yunkun, Xu Nanwei, Wang Caimei, Zhang Wen. Biomechanical comparison of personalized titanium femoral prosthesis fabricated by three-dimensional printing to four types of cementless prosthesis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(32): 5151-5157.

图/表（结果） 5

2.1 分别模拟双足静止站立、缓慢行走2种状态下5种股骨假体的最大界面应力(正应力、剪切应力)对比

2.1.1 双足静止站立状态见图5。

正应力：个性化股骨假体最大正应力略高于锥形柄10.83%，较SR组配柄、矩形柄、锥形柄分别低45.65%，15.20%，41.18%；

剪切应力：个性化股骨假体最大剪切应力较SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄分别低58.53%，38.91%，15.64%，37.55%。

2.1.2 缓慢行走状态见图6。

正应力：3D打印个性化股骨假体最大正应力较标准柄大，较SR组配柄小(31.66%)；

剪切应力：3D打印个性化股骨假体最大剪切应力较SR组配柄、矩形柄分别低25.78%，62.50%；较柱形柄、锥形柄分别高35.74%，15.82%；矩形柄剪切应力最高。

2.2 各种股骨假体置入对股骨近端应力遮挡率对比 见图7。

双足静止站立状态：3D打印个性化股骨假体股骨近端的应力遮挡率最小，分别比SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄低约56.21%，41.88%，23.92%和17.98%；

缓慢行走状态：个性化股骨假体比SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄低分别约56.84%、31.10%，20.45%，16.69%。

2.3 双足静止站立、缓慢行走2种状态下5种股骨假体的最大初始微动(水平微动、垂直微动)对比

2.3.1 双足静止站立状态见图8。

水平微动：个性化股骨假体水平微动较其余4种标准假体略高，但其最大水平微动仅为26.4 μm；

垂直微动：个性化股骨假体的垂直微动较SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄明显低50.97%，47.02%，47.92%，50.23%。

2.3.2 缓慢行走状态见图9。

水平微动：个性化股骨假体的水平微动较SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄略高，其最大水平微动为172 μm，在骨长入范围。

垂直微动：个性化股骨假体的垂直微动较SR组配柄、矩形柄、锥形柄略高，分别为16.10%，23.67%，1.54%；比柱形柄低1.45%。

参考文献

[1]Tsiampas DT, Pakos EE, Georgiadis GC, et al. Custom-made femoral implants in total hip arthroplasty due to congenital disease of the hip: a review. Hip Int. 2016; 26(3):209-214.

[2]Al-Khateeb H, Kwok IH, Hanna SA. Custom cementless THA in patients with Legg-Calve-Perthes disease. J Arthroplasty. 2014;29(4):792-796.

[3]Hitz OF, Flecher X, Parratte S, et al. Minimum 10-year outcome of one-stage total hip arthroplasty without subtrochanteric osteotomy using a cementless custom stem for crowe iii and iv hip dislocation. J Arthroplasty. 2018;(4):1-6.

[4]Tischler EH, Hansen E, Austin MS. A custom trabecular metal implant in revision total hip replacement with a paprosky type-iv femoral defect: a case report. JBJS Case Connect. 2014; 4(4): 103.

[5]刘宏伟,翁益平,张云坤,等.计算机辅助设计及电子束熔融快速成型金属3D打印技术制备个性化股骨假体[J].中国修复重建外科杂志,2015,29(9):1088-1091.

[6]冯辰栋,夏宇,李祥,等.3D打印多孔钛支架微观孔隙结构和力学性能[J].医用生物力学, 2017,32(3):256-260.

[7]Eldesouky I, Harrysson O, Marcellin-Little DJ, et al. Pre-clinical evaluation of the mechanical properties of a low-stiffness cement-injectable hip stem. J Med Eng Technol. 2017;41(8):681-691.

[8]魏崇斌,马骏,王彩梅,等.电子束熔融法制备的医用Ti6Al4V在人工模拟体液中的耐腐蚀行为[J].生物骨科材料与临床研究,2017, 14(4):6-10.

[9]Stolk J, Verdonschot N, Cristofolini L, et al. Finite element and ex perimental models of cemented hip joint reconstructions can produce similar bone and cement strains in pre-c1inical tests. J Biomech. 2002; 35: 499-510.

[10]严世贵,何荣新,陈维善,等.全髋关节置换前后股骨应力变化的有限元分析[J].中华骨科杂志, 2004,24(9):561-565.

[11]Douglas RP,Richard AB,Dwight TD, et al. Pelvic muscle and acetabular contact forces during gait. J Biomech. 1997;30: 959-965.

[12]唐刚,王建革,罗红霞.髋关节置换前后不同步态下股骨应力分布[J]. 医用生物力学,2015,30(2):143-147.

[13]Koyano G, Jinno T, Koga D. Comparison of bone remodeling between an anatomic short stem and a straight stem in 1-stage bilateral total hip arthroplasty. J Arthroplasty. 2017; 32(2): 594-600.

[14]Drosos GI,Touzopoulos P. Short stems in total hip replacement: evidence on primary stability according to the stem type. Hip Int. 2018:1317364643.

[15]Pyburn E, Goswami T. Finite element analysis of femoral components paper III-hip joints. Mater Des. 2004;25(8): 705-713.

[16]李宁远,龚亚莉,刘煊文,等.不同材料人工髋关节假体对骨界面应力分布及生物力学的影响[J].中国组织工程研究,2016,20(9): 1268-1274.

[17]尚晓峰,窦坚,韩青.基于Abaqus下植入体与股骨腔配合的有限元分析[J].临床骨科杂志,2018,21(3):373-375.

[18]Chanda S, Gupta S, Kumar PD. A genetic algorithm based multi-objective shape optimization scheme for cementless femoral implant. J Biomech Eng. 2015;137(3):1124-1136.

[19]Mu JJ, Sang KC. Analysis of stress distribution around total hip stems custom-designed for the standardized Asian femur configuration. Biotechnol Biotechnol Equip. 2014; 28(3): 525-532.

[20]Peng MJ, Chen HY, Hu Y, et al. Finite element analysis of porously punched prosthetic short stem virtually designed for simulative uncemented hip arthroplasty. BMC Musculoskelet Disord. 2017;18(1):295.

[21]邱玉坤,李小康,张涌泉,等.3种不同弹性模量钛合金股骨假体在羊股骨置换模型中应力分布的三维有限元分析[J].现代生物医学进展,2016,16(28):5414-5419.

[22]Malfroy Camine V, Rüdiger HA, Pioletti DP, et al. Full-field measurement of micromotion around a cementless femoral stem using micro-CT imaging and radiopaque markers. J Biomech.2016;49(16):4002-4008.

[23]Orlik J, Zhurov A, Middleton J. On the secondary stability of coated cementless hip replacement: parameters that affected interface strength. Medi Eng Phys. 2003; 25(10):825-831.

[24]Engh CA, O'Connor D, Jasty M, et al. Quantification of implant micromotion, strain shielding and bone resorption with porous-coated anatomic medullary locking prosthesis. Clin Orthop. 1992; 285:13-29.

[25]Buhler DW, Berlemann U, Lippuner K, et al. Three-dimensional primary stability of cementless femoral stems. Clin Biomech. 1997; (2):75-86.

[26]Cilla M, Checa S, Duda GN. Strain shielding inspired re-design of proximal femoral stems for total hip arthroplasty. J Orthop Res. 2017;35(11): 2534-2544.

[27]王彩梅,张卫平,王刚,等.电子束熔融快速成型技术在骨科植入物修复过程中的骨诱导能力[J].中国组织工程研究,2013,17(52): 9055-9061.

[28]程文俊,勘武生,郑琼等. 3D打印钛合金骨小梁金属臼杯全髋关节置换术的短期疗效[J].中华骨科杂志, 2014,34 (8): 816-823.

[29]夏志勇,马康康,李凯,等. 3D打印钛合金骨小梁金属臼杯?垫块在全髋关节置换翻修术中的应用[J].中国骨与关节损伤杂志, 2017,32(2):121-124.

[30]王中汉,王辰宇,刘贺,等.3D打印钛合金孔隙支架骨长入影响因素的分析[J].中国组织工程研究,2016,20(52):7821-7828.

[31]Al-Dirini RMA, Martelli S, O'Rourke D, et al. Virtual trial to evaluate the robustness of cementless femoral stems to patient and surgical variation. J Biomech. 2019;82:346-356.

引言

材料方法

1.1 设计 三维有限元模拟生物力学实验。

1.2 时间及地点 于2016年8月至2018年1月在南京医科大学附属常州第二人民医院骨科实验室完成。

1.3 材料 64排螺旋CT(Siemens 公司)；电子束熔融 RP金属3D打印机(Arcam公司，瑞典)；Mimics 15.0医学图像处理软件(Materialise公司，比利时)；Pro/E软件(PTC公司，美国)；ANSYS 10.0软件(ANSYS公司，美国)；UG 8.0软件(Siemens PLM公司)；SPSS 16.0统计软件包。

1.4 实验方法

1.4.1 股骨和5种假体柄的三维建模及模拟截骨、置入实验方案得到医院伦理委员会批准。采用64排螺旋CT(美国GE公司)对1例60岁女性尸体右侧股骨全长(由苏州大学医学院解剖教研室提供)进行薄层横断面方式扫描，层厚0.625 mm，得到729幅CT二维图像数据(DICOM格式)，导入Mimics 15.0初始化设置，股骨干区皮质骨轮廓与松质骨之间界限清晰，采用Mimics 15.0软件自动提取，阀值为249-3 056；小转子以上皮质骨与松质骨之间移行界限不清、灰度分布不均，采用手工依靠解剖知识提取。对股骨数据去除噪声、调节阀值、区域增长、片层图像数据合并，完成股骨的三维重建。将前期所研制的3D打印个性化股骨假体以及SR组配柄(SR2# 北京爱康宜诚公司)、柱形柄(U2柄2# 台湾联合公司)、矩形柄(JY柄2# 春力公司)、锥形柄(力达康2# 北京力达康公司)分别进行激光三维扫描，获得stl.格式文件，导入UG 8.0软件建模，修补坏点及空洞，获得数字化股骨假体，见图1。这4种股骨假体代表了现今人工髋关节领域最广泛使用的假体形态类型，其假体柄材质均为钛合金(Ti6Al4V)，且为最接近股骨近端髓腔大小的假体型号。按临床手术要求分别进行模拟截骨和髓腔磨锉，置入数字化股骨假体，见图2。

1.4.2 五种股骨假体三维模型的网格化及材料赋值采用Ansys 10.0对5种股骨假体进行有限元网格及节点划分，网格尺寸为2 mm，单元类型采用10节点四面体单元，见表1。股骨模型参考采用Stolk等^[9]建议的数据，皮质骨、松质骨均简化为各向同性的弹性材料。个性化股骨假体其袖套为高能电子束熔融3D打印致密钛合金(Ti6Al4V)材质，其表层(2.0-3.0 mm厚度)为一体化打印的超多孔钛合金(Ti6Al4V)“类骨小梁结构”，小于800 μm的混合孔径，孔隙率为(72±4)%，弹性模量5.10×10⁴ MPa。其他4种类型股骨假体均为医用钛合金(Ti6Al4V)材质，所有假体均配套钴铬钼合金人工股骨头。材料特性及赋值参数见表2。股骨柄的近、远端区分松质骨和皮质骨，股骨与假体之间采用共节点方式接触。

1.4.3 模型的可靠性和有效性验证为了验证模型的可靠性，分别对模型按照粗、中和细3种尺寸划分体网格，比较分析假体颈部区域的应力最大值，来验证有限元模型的收敛性。其中粗网格模型的单元数为146 097，中网格模型的单元数为219 868，细网格模型的单元数为291 554。经过计算当网格密度为中和细时应力最大值变化小于3%，模型收敛，确认所建立的模型是可靠的，为节省计算时间，选择中网格模型作为计算网格。为了验证模型有效性，选取锥形柄模型，在生理状态下，参考严世贵等^[10]的Summit假体，在模型上施加髋关节肌肉和关节合力，模拟体质量60 kg的患者平均匀速走路，计算模型应力分布情况。经过计算，在匀速行走路作用下，锥形柄模型的压应力数值为71.63 MPa，与文献描述的68.4 MPa数值接近，误差小于5%，说明此文所建模型是有效的。

1.4.4 关节负荷加载及边界条件参考一种较精确的Douglas等^[11]的髋关节简化受力模型，见图3，将模型远端固定约束，即将模型底部界面的所有节点6个方向的自由度为0。在股骨头顶部选择直径3 cm区域的所有节点，施加体质量合力负荷，方向竖直向下。缓慢行走相：相对于体质量65 kg的成年男人缓慢行走时单足着地的股骨受力模式，股骨头传递关节力J=1 258 N，外展肌群肌力N=813 N，髂胫束肌力R=137 N，受力方向见图3。其中θ=29.5°，φ=24.4°，α=135°，R力方向垂直向下。双足静止站立相：双髋支撑头颈、躯干及双上肢约62%的身体重力，单髋承受约197.47 N作用力，方向垂直地面向下，力的轴线经过假体球心和股骨头球心。5个模型均设置相同的边界条件和载荷。坐标系建立X轴方向股骨内侧，Y轴方向股骨前方，Z轴竖直向上，见图4。

1.4.5 “股骨-假体”界面定义 5种股骨假体均为生物型假体，初始固定通过压配(过盈配合)来获得，即通过股骨髓腔对股骨柄假体的箍应力和假体表面粗糙涂层和股骨髓腔之间的摩擦接触获得。假体表面骨长入获得生物学固定后，股骨假体和股骨髓腔之间为固联(tie)关系。个性化假体、SR组配柄的袖套(粗糙涂层)以及其他3种股骨假体的表面涂层区域与股骨近端髓腔为严格的固联关系(骨长入)。5种假体除粗糙涂层外的抛光部位与股骨髓腔均为滑动匹配。

1.4.6 三维有限元分析在ANSYS 10.0和PRO/E软件平台，模拟双足静止站立和缓慢行走状态，测量5种股骨假体的应力分布、界面应力(正应力和剪切应力)、初始微动及应力遮挡率。应力遮挡率计算公式为：η=(1-δ/δ₀)×100%，该公式中δ为置换后等效应力，δ₀为置换前等效应力。绘制图表，进行分析。

1.5 主要观察指标 5种股骨假体在静止站立和缓慢行走状态，在标准体质量负荷下的最大界面应力、初始水平微动、垂直微动以及对股骨近端的应力遮挡率。

讨论

3.1 3D打印个性化股骨假体的界面应力 应力分布是评价假体置入体内生物力学表现的第一步，应力过度集中会引起局部骨皮质肥厚，同时对股骨近端产生应力遮挡^[12]。而剪切应力过大则导致假体与骨结合不牢和相对活动的可能。当今人工关节领域主流观点认为股骨干骺部区域传递应力更有优势，能减少股骨近端骨吸收。因此股骨假体被设计在股骨干骺部压配固定的理念越来越被重视，如采用此理念设计的短柄假体被证实有更好的生物力学表现和优良的早中期疗效^[13-14]。得益于个性化定制，此次研究3D打印股骨假体其近端袖套和干骺端髓腔尤其股骨距区域获得最大程度匹配，使得应力分布更均匀，其最大界面应力较SR组配柄低50%以上，明显降低了应力集中，明显降低了股骨假体金属疲劳断裂的可能性。同时，假体界面应力和材质也密切相关，高弹性模量材质在假体远端制造更高的峰值应力，而低弹性模性化股骨假体采用低弹性模量钛合金材料(Ti6Al4V)通过电子束熔融技术3D打印制造，应力主要分布在近端袖套下部，而假体远端与股骨髓腔间为滑动匹配，因此有效降低了股骨假体远端的应力集中和对髓腔骨内膜的刺激，也即减少了全髋术后股区痛的发生因素^[17]。

3.2 个性化股骨假体的应力遮挡率 股骨假体在负重时应力绕过近端股骨区域传递至更远端，从而对股骨近端产生应力遮挡，基于Wolff定律进一步造成骨质改建，导致股骨近端骨吸收和骨质疏松化，与磨损颗粒所致的骨溶解共同作用引起假体的无菌性松动。当今全髋关节置换普遍采用微孔涂层生物型股骨假体，对股骨近端产生不同程度的应力遮挡程度，主要取决于假体的形态设计和弹性模量^[18]。Mu等^[19]观察到个性化股骨假体和其他不同形态假体均存在应力遮挡，但袖套近端内侧阶梯状设计的个性化假体在沿着“假体-骨”界面路径具有最大面积的主应力分布，因此降低了由于“假体-骨”界面有效面积减少所致的应力遮挡。由于标准化股骨假体与髓腔之间不可能被期望是“线-线”或“面-面”接触，而3D打印个性化股骨假体能达到与干骺端髓腔最大程度的匹配和压配，因此，使得“面-面”接触成为可能。在体质量负荷下，3D打印个性化股骨假体所受应力分散至股骨干骺端区域，然后往下层骨组织逐次传递，是更符合生理状态下的应力传导模式。此次研究中3D打印个性化股骨假体对股骨近端的应力遮挡率比标准化股骨假体显著减少16.69%-56.84%验证了这点。其他学者也报道了通过改进假体形态契合来降低对股骨近端的应力遮挡，从而减少股骨近端的骨量丢失^[20]。另一方面，降低材料的弹性模量也是减轻对股骨近端应力遮挡的一种有效方法。低弹性模量材质有利于应力在假体与股骨间的传递，增加股骨假体的早期稳定性，并延长其临床使用寿命^[21]。此次研究个性化股骨假体主体材质采用低弹性模量Ti6Al4V粉末打印制造，表层(2.0-3.0 mm)为电子束熔融 3D打印的多孔“类骨小梁金属微孔结构”，假体在保证足够的机械强度前提下具有较低的弹性模量，因此对股骨近端的“应力遮挡”效应较小。

3.3 电子束熔融金属3D打印个性化股骨假体置入后的初始稳定性 可靠的初始固定是生物型假体获得骨长入并达到长期生物学固定的基础，常常通过压配合(Press-fit)或形态嵌合(Form-fit)而获得，有利于假体表面的骨整合从而抵消假体周围骨密度的降低^[22]。“假体-骨”界面之间的微动需要最小化，Orlik等^[23]认为植入物的微动应该控制在50-200 μm，这个范围允许合适的骨长入。Engh等^[24]认为150-500 μm微动范围诱导纤维层包绕假体表面，妨碍和骨小梁的桥接，减少植入物的机械稳定性。此次研究3D打印个性化股骨假体在缓慢行走下最大水平微动为172 μm，在骨长入范围。假体稳定包括动态荷载下可逆的“假体-骨”界面微动，以及植入物在股骨髓腔内的缓慢微小迁移^[25]。此次研究个性化股骨假体在负重状态下沿股骨髓腔走向有微小的垂直位移即“二次下沉”，由于假体的楔性设计，微小下沉使得柄体与髓腔压配更紧密，将限制假体在髓腔内的进一步下沉和减少微动，从而达到一个牢靠的初始固定状态，为假体表面骨长入和长期生物学固定创造良好条件。Cilla等^[26]认为对现有股骨假体外形进行小的调整(比如单纯缩短假体长度)并不能显著减少应力遮挡，解决的要点在于突破性地对原假体重新设计，并且对假体的长期骨锚固和疲劳特性予以更多关注。得益于电子束熔融一体化金属3D打印钛合金“类骨小梁”表层微孔结构，个性化假体不存在诸如羟基磷灰石涂层、等离子喷涂、钛珠烧结等表面涂层存在脱落风险，其一体化打印的金属微孔层三维贯通，孔径可达665 μm，孔隙率可高达81%，有着更大的微孔面积和更好的摩擦力，使得植入物和骨骼之间形成坚强的交锁^[27]。电子束熔融金属3D打印技术在人工髋臼杯及垫块应用的优良疗效也验证了3D打印微孔结构能增加臼杯的摩擦力和初始稳定，结合适宜的微孔孔径和孔隙率，促进假体表面骨长入，并获得长期的生物学固定^[28-30]。

3.4 总结 综上所述，电子束熔融金属3D打印个性化股骨假体对股骨近端的应力遮挡低于其他4种类型假体，界面应力比SR组配柄更均匀，缓慢行走时初始微动略高于其他标准假体，但在骨长入范围内。其稍大的垂直微动建议在临床上需预留2 mm左右的下沉空间，以便在术后获得更牢靠的二次固定。同时，股骨假体的初始稳定和股骨质量、假体设计和术者技术均密切相关^[31]。此次研究的不足在于借鉴了国际通用有限元研究方法，把皮质骨和松质骨都视为各向同性的均质材料，对髋关节周围肌力做了简化，没有模拟患者奔跑、爬楼等更复杂的运动状况。有限元分析并不能替代实体力学实验，在后续研究中，将对3D打印个性化股骨假体进行系列力学测试，并通过多样本的临床研究以进一步验证此文的仿真结论，以获得全面、准确的疗效评价。

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

金属3D打印个性化股骨假体和4种类型标准化假体的生物力学对比

Biomechanical comparison of personalized titanium femoral prosthesis fabricated by three-dimensional printing to four types of cementless prosthesis

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[1]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[2]	陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折：最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1404-1409.
[3]	周继辉, 李新志, 周游, 黄卫, 陈文瑶. 髌骨骨折修复内植物选择的多重问题[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1440-1445.
[4]	许玉林, 沈师, 卓乃强, 杨惠麟, 杨超, 李洋, 赵恒, 赵露. 髋臼后柱骨折3种不同钢板固定后站立及坐立位下的生物力学比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 826-830.
[5]	蔡群斌, 邹霞, 胡剑涛, 陈心敏, 郑利钦, 黄培镇, 林梓凌, 姜自伟. 有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 831-836.
[6]	宋成杰, 常恒瑞, 石明鑫, 孟宪中. 侧方入路腰椎融合治疗后的生物力学稳定性的研究与进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 923-928.
[7]	刘钊, 徐西林, 申意伟, 张晓峰, 吕航, 赵军, 王政春, 刘旭卓, 王海涛. 塌陷预测方法联合分期分型对股骨头坏死治疗的指导作用与前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 929-934.
[8]	谢崇新, 张磊. 保留与不保留残端重建前交叉韧带术后膝关节退变的比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 735-740.
[9]	周继辉, 李新志, 周游, 黄卫, 陈文瑶. 创伤性胸锁关节脱位多种内置物治疗优劣的比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 443-448.
[10]	聂少波, 李建涛, 孙基恩, 赵喆, 赵燕鹏, 张里程, 唐佩福. 内侧支撑髓内钉置入支撑治疗严重骨质疏松性股骨转子间骨折的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 329-333.
[11]	谭家昌, 袁振超, 吴振杰, 刘斌, 赵劲民. 弹性钉结合尾帽和钢丝固定长斜形股骨干骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 334-338.
[12]	陈路, 张建光, 邓长弓, 严才平, 张伟, 张袁. 锁定螺钉辅助髋臼杯不同固定方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 356-361.
[13]	李琨 , 李志军 , 张少杰 , 高尚 , 孙昊 , 杨喜 , 王星 , 戴丽娜. 有限元动态仿真建立4岁儿童“枕-寰-枢”关节模型[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(24): 3773-3778.
[14]	舒启航, 廖亦佳, 薛静波, 晏怡果, 王程. 新型颈椎3D打印多孔椎间融合器的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(24): 3810-3815.
[15]	孙玛骥, 王秋安, 张星晨, 郭冲, 袁峰, 郭开今. 新型颈椎前路经椎弓根固定钉板系统的研制及生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(24): 3821-3825.