单间室膝关节假体衬垫在步态载荷下的磨损性能仿真分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3775

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (12): 1831-1835.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3775

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单间室膝关节假体衬垫在步态载荷下的磨损性能仿真分析

王献抗，张月静，杨友，刘军

天津市骨植入物界面功能化与个性化研究企业重点实验室，嘉思特华剑医疗器材(天津)有限公司，天津市 300190

收稿日期:2020-04-11 修回日期:2020-04-18 接受日期:2020-05-30 出版日期:2021-04-28 发布日期:2020-12-25
通讯作者: 王献抗，天津市骨植入物界面功能化与个性化研究企业重点实验室，嘉思特华剑医疗器材(天津)有限公司，天津市 300190
作者简介:王献抗，男，1988年生，河南省南阳市人，汉族，硕士，工程师，主要从事骨科植入物产品研发及生物力学研究。
基金资助:
天津市科技计划项目生物医学工程科技重大专项(18ZXSGSY00010)，项目负责人：刘军，项目名称：国人单间室膝关节假体系统核心技术的研发；第三批天津市人才发展特殊支持计划-高层次创新创业团队，项目负责人：刘军

Simulation analysis of wear performance for tibial insert of unicompartmental knee arthroplasty prosthesis under gait load

Wang Xiankang, Zhang Yuejing, Yang You, Liu Jun

Tianjin Key Laboratory of Functional and Personalized Research on Bone Implant Interfaces, Just Huajian Medical Equipment (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 300190, China

Received:2020-04-11 Revised:2020-04-18 Accepted:2020-05-30 Online:2021-04-28 Published:2020-12-25
Contact: Wang Xiankang, Tianjin Key Laboratory of Functional and Personalized Research on Bone Implant Interfaces, Just Huajian Medical Equipment (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 300190, China
About author:Wang Xiankang, Master, Engineer, Tianjin Key Laboratory of Functional and Personalized Research on Bone Implant Interfaces, Just Huajian Medical Equipment (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 300190, China
Supported by:
Major Special Project of Biomedical Engineering Science and Technology of Science and Technology Plan Project of Tianjin, No. 18ZXSGSY00010 (to LJ); the Third Batch of Tianjin Talent Development Special Support Plan-High-Level Innovation and Entrepreneurship Team (to LJ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
单间室膝关节假体：用于对膝关节单侧病变间室进行表面置换，不但手术切口小、术中截骨量少，而且不影响或较少影响其他正常关节间室，不破坏伸膝装置，可保留十字韧带及骨软骨，因此单髁膝关节置换后恢复快、并发症少，保存了膝关节的正常运动和本体感觉。
衬垫：目前单间室膝关节假体根据运动方式不同分为活动平台型和固定平台型。该文所述假体为固定平台型单间室假体，包括股骨髁、衬垫与胫骨平台，其中股骨髁通过骨水泥固定于股骨远端，材质为钴铬钼，胫骨平台通过骨水泥固定于胫骨近端，材质为钴铬钼，衬垫通过机械连接固定于胫骨平台，材质为高交联聚乙烯，与股骨髁关节面配合为关节摩擦副。由于股骨髁与衬垫的接触面积较小，造成接触应力较大，临床中易出现磨损问题，造成衬垫失效。

背景：目前，有限元分析多用于全膝关节假体衬垫的磨损仿真研究。
目的：利用有限元分析单间室膝关节假体衬垫形状优化对磨损性能的影响。
方法：基于Archard磨损理论建立了单间室膝关节假体的磨损有限元模型，研究了衬垫优化前后的接触压力及磨损性能变化规律。
结果与结论：①在ISO标准步态载荷工况条件下，优化前后的衬垫接触压力分别为54.7 MPa和37.2 MPa，优化后的衬垫接触压力降低了32%；优化前后的衬垫线性磨损分别为4.38×10-5 mm和3.15×10-5 mm，优化后的衬垫线性磨损深度降低了28%；②结果表明优化后的衬垫可明显提高线性磨损性能，研究结果对单间室膝关节衬垫设计、磨损性能评估以及临床应用具有实际意义。

https://orcid.org/0000-0002-5038-0940 (王献抗)

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: 骨, 材料, 假体, 单间室膝关节假体, 胫骨衬垫优化, 步态, 载荷, 磨损仿真

Abstract: BACKGROUND: At present, finite element analysis is mostly used in the simulation study of wear of the total knee prosthesis pad.
OBJECTIVE: To study the effect of shape optimization for the tibial insert of the unicompartmental knee prosthesis on wear performance using finite element analysis.
METHODS: Based on the Archard wear theory, the wear finite element model of the unicompartmental knee prosthesis was established. The contact pressure and wear performance of the tibial insert before and after optimization were studied.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under the condition of ISO standard gait load, for the contact pressure, the tibial insert contact pressure before and after optimization was 54.7 MPa and 37.2 MPa, respectively, and the tibial insert contact pressure was reduced by 32%. For linear wear, the linear wear of the tibial insert before and after optimization was 4.38×10-5 mm and 3.15×10-5 mm, respectively, and the linear wear depth of the tibial insert was reduced by 28%. (2) The results show that the liner wear performance can be significantly improved after optimization. The results of the study have practical significance for unicompartmental knee tibial insert design, wear performance assessment and clinical application.

Key words: bone, material, prosthesis, unicompartmental knee prosthesis, tibial insert optimization, gait load, wear simulation

中图分类号:

王献抗, 张月静, 杨友, 刘军. 单间室膝关节假体衬垫在步态载荷下的磨损性能仿真分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(12): 1831-1835.

Wang Xiankang, Zhang Yuejing, Yang You, Liu Jun. Simulation analysis of wear performance for tibial insert of unicompartmental knee arthroplasty prosthesis under gait load[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(12): 1831-1835.

图/表（结果） 3

参考文献

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引言

单间室膝关节置换常用于治疗中期膝关节炎，具有微创、快速康复、并发症率低、术后关节功能更接近生理状态等优点，然而衬垫磨损会引起骨溶解，是限制假体寿命的主要原因[1-3]。目前，用于体外评估人工关节假体衬垫磨损的主要方法是在膝关节磨损试验机上依据ISO 14243标准对假体进行体外磨损实验，近年来越来越多的研究者利用有限元仿真模拟方法评估胫骨假体磨损。体外磨损实验费钱费时，而通过有限元进行磨损分析不失为一种有效的磨损预测方法。
目前，有限元分析多用于全膝关节假体衬垫的磨损仿真研究，如：2007年美国的KNIGHT等[4]对CR型全膝关节假体在步态载荷条件下进行了500万次的磨损仿真，得到了磨损过程的线性磨损与体积磨损曲线，将仿真结果与磨损实验进行了对比，具有较好的一致性。2009年日本的TODO等[5]对PS型全膝关节假体在深蹲载荷下的磨损性能进行了研究，得到了屈曲过程中的应力与磨损深度变化，从而对膝关节假体损伤和失效位置进行了评估。2009年加拿大的WILLING等[6]通过修订全膝关节假体股骨髁与衬垫的冠状面与矢状面半径，并根据ISO标准进行了磨损仿真研究，结果表明优化后的假体可明显提高磨损性能。2017年北京航空航天大学的王川等[7] 基于Archard磨损理论对步态与上楼梯载荷对全膝关节衬垫磨损的影响进行了磨损仿真研究，结果表明上楼梯活动会明显增加衬垫的磨损。2018年北京航空航天大学的丁文宇等[8]对胫股关节冠状面高吻合度假体进行了磨损仿真与体外实验，结果表明冠状面高吻合度假体可降低衬垫的磨损率。而用于单间室膝关节衬垫的优化设计及磨损性能评估国内外文献尚无报道，故该文研究之。
实验基于市面上常见的浅弧型单髁衬垫，对衬垫冠状面与矢状面进行了几何优化，建立了单间室膝关节衬垫磨损仿真模型，并对优化前后的衬垫接触压力、磨损体积以及线性磨损进行了对比分析。
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 设计单间室膝关节假体衬垫在步态载荷下的磨损性能仿真分析和优化设计。
1.2 时间及地点仿真分析于2019年11至12月在天津市骨植入物界面功能化与个性化研究企业重点实验室完成。
1.3 材料三维建模软件Creo(美国PTC公司)；有限元分析软件Ansys(美国ANSYS公司)。采用三维建模软件Creo设计了2种固定型单间室膝关节假体，将2种三维模型分别导入有限元分析软件ANSYS，基于Archard磨损理论，对两种类型衬垫在步态载荷条件下进行了磨损仿真分析。
1.4 实验方法

1.4.1 模型建立如图1所示，基于现有市场上常见的固定型单间室膝关节假体衬垫设计，衬垫摩擦面大部分为平面，或利用三维软件通过矢状面单一半径拉伸切除将衬垫设计为浅弧面。通过有限元软件ansys建立其磨损有限元模型并施加边界条件，几何模型包含股骨髁、衬垫与胫骨平台。其中，股骨髁的矢状面远端曲率半径为34 mm，屈曲半径为17 mm，冠状面曲率半径为24 mm。胫骨衬垫矢状面半径RT为345 mm，衬垫最低点D位于衬垫中心位置，胫骨平台与衬垫底面为卡锁式配合。胫骨衬垫采用8节点六面体单元进行划分，股骨髁与胫骨平台的材质为钴铬钼，弹性模量为200 GPa，股骨髁与胫骨平台简化为刚体，与参考点设置了刚体耦合，采用四边形网格进行划分。衬垫假体采用的材料为高交联超高分子量聚乙烯，采用非线性材料属性，其弹性模量为544.6 MPa，泊松比为0.46，屈服强度19.9 MPa，切线模量54.46 MPa。股骨髁与衬垫及衬垫与胫骨平台间的接触算法为法向拉格朗日算法，摩擦系数为0.04。

优化后的衬垫模型如图2B所示，胫骨衬垫矢状面前端半径RAT为160 mm，胫骨衬垫矢状面后端半径RPT为 180 mm，衬垫冠状面半径RF为58 mm，衬垫最低点D位于衬垫中心偏后4.5 mm位置；衬垫轨迹线为一条空间曲线，在俯视图方向为圆弧-直线相切线，在矢状面为双半径相切曲线；在冠状面半径较矢状面半径小，以此降低接触应力，减少磨损，同时形成中心路径松弛，降低股骨在衬垫表面滚动、滑动与旋转时的阻力，从而最大程度上恢复膝关节正常运动轨迹。有限元模型如图2所示，材料参数及边界约束与原始模型保持一致。

1.4.2 边界条件依据全膝关节置换假体磨损测试标准ISO 14243-3:2004对单髁假体施加了步态载荷，包括屈曲运动、轴向载荷、前后位移及胫骨平台旋转，所有数据曲线需分成100个载荷步施加到模型中，选取胫骨相对股骨向前移动和内旋为正方向。通过控制节点对股骨髁施加步态周期-屈曲角度/轴向载荷，通过控制节点对胫骨平台施加步态周期-前后位移/内外旋角度。对单间室膝关节假体系统施加边界条件，其中，轴向载荷采用全膝载荷的60%进行加载。步态过程中膝关节运动及受力曲线如图3所示。

屈膝角度和轴向力通过控制节点施加在股骨髁上，股骨髁剩下的4个自由度被完全约束。胫骨内外旋与前后位移通过控制节点施加在胫骨平台上，其余自由度完全约束。考虑到韧带对膝关节内外旋活动与前后运动的影响，对胫骨平台内外旋施加扭簧，刚度系数为0.6 Nm/deg[5]。对胫骨平台的前后方向施加一对非线性弹簧，弹簧提供了胫骨前后方向的位移约束，弹簧刚度数据通过体外实验数据计算获得，非线性弹簧函数关系为[9]：
F=1.991 9d2+0.029 2d
其中，F为弹簧力，d为弹簧压缩量。
1.4.3 磨损计算预测 Archard磨损模型是目前国内外学者最常用的经典微动磨损理论，其计算公式为：
V=KFNS/H (1)
其中：V为磨损体积，K为无量纲磨损系数，FN为法向载荷，S为滑移距离，H为较软材料的硬度。
为定量分析衬垫体积磨损，引入磨损率公式[11]：
磨损率=磨损体积V/滑动距离S(mm3/m) (2)
Archard线性磨损计算公式为[11]：
(3)
其中： δ为磨损造成的材料损失厚度；k 为恒定的磨损因子； σ为接触应力； d为相对滑动距离；∆t为时间增量； i为增量步数； n为每个循环总的增量步数；
Cross-Linked高交联UHMWPE 衬垫关节面的磨损因子为K=5.24×10-11 mm3/(N·mm)[10]，衬垫硬度为H=65.39。首先，对衬垫磨损过程进行有限元计算，并在每个增量步提取衬垫表面节点编号、接触压力和摩擦距离等数据。然后，根据Archard磨损公式计算每个表面节点的线性磨损。
1.5 主要观察指标衬垫优化前后的接触压力及磨损性能变化规律。

讨论

实验基于现有市场上常见的固定型单间室膝关节假体衬垫对其进行了优化设计，同时在步态载荷条件下对2种衬垫进行了接触压力与磨损性能的对比研究。对于接触压力，原始衬垫的接触压力为54.7 MPa，优化后的衬垫接触压力为37.2 MPa，接触压力降低了32%。对于体积磨损，原始模型的衬垫磨损率为0.354×10-9 mm3/m，优化模型的衬垫磨损率为0.364×10-9 mm3/m，磨损率稍有增加。英国利兹大学的BARBOUR等[10]通过对衬垫进行体外实验与仿真，研究表明衬垫磨损率主要受接触面积和载荷的影响，在同等载荷80 N条件下，A型衬垫的接触面积为23.4 mm2，接触应力为 3.4 MPa，磨损率为1.55×10-6 mm3/m；B型衬垫的接触面积为10.2 mm2，接触应力为7.8 MPa，磨损率为0.78×10-6 mm3/m。HEISEL等[12]对髋关节衬垫进行体内磨损测试，结果表明28 mm股骨头产生的衬垫体积磨损为15.8 mm3/年，32 mm股骨头产生的衬垫体积磨损为21.7 mm3/年。球头直径越大接触面积越大，活动度也越大，产生的体积磨损量也越大。实验中运动导向型衬垫增加了接触面积，降低了衬垫的接触应力，增加了一定程度的体积磨损量，与上述文献分析结果一致。
对于线性磨损，原始模型的衬垫线性磨损深度为4.38×10-5 mm，优化模型的衬垫线性磨损深度为3.15× 10-5 mm，优化模型的衬垫线性磨损深度降低了28%。ASHRAF 等[13]研究表明固定单髁的线性磨损为0.15 mm/年，活动单髁的线性磨损为0.02 mm/年。KRETZER 等[14]分别对活动单髁与固定单髁进行体外磨损实验，测试结果表明：活动型衬垫的磨损颗粒数为336×109个/Mc，固定型衬垫的磨损颗粒数为263×109个/Mc。BURTON 等[15]同样对活动单髁与固定单髁进行体外磨损实验，测试结果表明：活动型衬垫的体积磨损率为16 mm3/Mc，固定型衬垫的体积磨损率为 2.36 mm3/ Mc。根据上述文献分析表明，根据临床实际应用，活动单髁衬垫的接触面积远大于固定单髁衬垫的接触面积，接触面积的增加将显著降低衬垫的接触应力，但是会增加衬垫的体积磨损率。固定单髁衬垫的接触面积小，衬垫的接触应力远大于活动单髁衬垫的接触应力，将显著增加固定单髁衬垫的线性磨损。利兹大学HATTON 等[16]的研究表明，导致骨溶解的聚乙烯磨粒阈值为500-800 mm3。这些研究表明活动型单髁衬垫更容易发生体积磨损，当体积磨损阈值超过骨溶解阈值后易引发临床中的骨溶解，造成假体松动。固定型单髁衬垫则更容易发生线性磨损，当线性磨损超过一定程度易引发临床中衬垫磨穿，造成衬垫失效。由此可见，该文设计优化的固定型单髁衬垫可明显提高其线性磨损性能。
WILLING等[6]通过对CR型人工膝关节假体的股骨髁与衬垫的关节面形状优化来降低磨损，并根据ISO标准进行了磨损仿真研究，结果表明优化后的假体可明显降低衬垫线性磨损。从数值模拟结果来看，该文对固定型单髁衬垫的摩擦面进行形状优化，可显著降低线性磨损与接触压力。
在下一步工作中可对股骨髁与衬垫的冠状面半径与矢状面半径进行参数研究，分析其不同组合方式对接触压与磨损量的影响规律。另外，高屈曲、上下楼梯等不同载荷条件，假体不同型号尺寸对磨损的影响也应在后续研究中考虑。尽管这些对磨损可能造成的影响因素尚未考虑，但是通过衬垫形状优化来改善磨损性能是可行的方法，并且未来的分析将考虑多参数组合优化实现磨损性能的评估，以便更好地进行膝关节假体设计。
结论：实验对单间室膝关节衬垫假体进行了优化设计，基于Archard磨损理论建立了单间室膝关节假体的磨损有限元模型，研究了衬垫优化前后的接触压力及磨损体积与线性磨损变化规律。通过对比衬垫在ISO标准步态载荷下的衬垫磨损发现，优化后的衬垫可明显提高线性磨损性能。该模型和方法可用于假体设计和临床中膝关节衬垫的磨损性能评估。
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

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