表面髋关节置换中假体材料对股骨应力的影响研究

0 引言

早在20世纪40年代，髋关节置换术的先驱设计就已经出现，但第一个将2个相同的假体植入到股骨头和髋臼的假体装置出现在20世纪70年代早期[1]。但是早期的髋关节表面置换术与全髋关节置换手术相比表现出较短的假体使用寿命。20世纪90年代初，英国的McMinn等[2]和德国的Wagner等[3]开始使用钴铬髋臼假体进行髋关节表面置换手术，美国的Amstutz等[4]也紧随其后。短期临床结果报告，加上实验室仿真实验中对于超高分子量聚乙烯（ultrahighmolecularweightpolyethylene，UHMWPE）替代金属髋臼杯的验证，促使髋关节表面置换术在21世纪初迅速在全球范围内流行起来。目前髋关节表面置换手术中具有代表性的表面髋假体有英国Corin公司的Comet-2000、Birmingham假体和美国Stryker公司的ConservePlus混合型假体3种，其共同特点包括承载面均由高碳钴-铬合金制成、髋臼假体采用生物固定、股骨假体采用骨水泥固定[5]。

近年来，因生活质量提高及老年人口增加，关节假体置换量迅速增长。将损伤的髋关节表面去除，植入表面髋假体，最大程度地保存了髋关节的骨质和功能，因此髋关节表面置换术对于股骨头坏死及骨关节炎终末期的中青年患者是一种比较好的治疗方法[6]。

随着人们对材料学、生物力学等领域的不断探索，人工髋关节的发展逐渐趋于成熟，假体的材料选择、设计制造和手术植入技术都有了很大的进步。已有研究表明[7]，不同材料对应力遮挡效应的影响存在差异，采用低弹性模量的材料制造的髋关节假体可以有效降低应力遮挡。其中锆铌合金是目前生物医学应用中最受欢迎的材料之一，因为其具有较好的生物相容性、耐腐蚀性和高强度，以及经高温氧化后具有良好的耐磨性[8]，已经应用于制造膝关节股骨髁假体和全髋关节置换的股骨头假体。从手术的固定方式来看，骨水泥固定型假体通过使用特殊的骨黏固剂将股骨假体固定在骨头上，可有效地提高术后稳定性；非骨水泥固定型假体主要是使骨细胞长入烧结孔或假体的粗糙表面，实现自然固定，从而达到理想的治疗效果。不管是骨水泥固定型假体还是非骨水泥固定型假体，都会在股骨近端造成一定的应力屏蔽，导致假体周围骨矿物质密度降低和骨吸收[9]。

有限元分析可以确定股骨内部应力，并且能够模拟各种结构，从而能够研究不同材料和固定方式对股骨的影响。本研究通过有限元分析将一种无骨水泥、具有3D打印多孔结构的锆铌合金股骨假体与相同设计的传统骨水泥钴铬合金股骨假体进行比较，分析假体植入前后股骨近端的应力传递，以评估具有多孔结构的锆铌合金假体缓解应力屏蔽的能力。这种新型表面髋假体采用铸造法制作出锆铌合金假体模型，然后将设计好的模型信息输入由计算机控制的金属3D打印设备中，利用高能束流对成形设备中的医用合金粉末进行分层扫描、高温熔融，按照表面髋假体模型形状，在其与股骨接触的表面熔融堆积成型，成型后的假体内表面具有骨小梁多孔结构[10]。

1 材料和方法

1.1 模型构建

股骨影像来自成年男子，经检查股骨正常，无伤病史。将CT扫描数据导入Mimics软件进行逆向建模。选择适当的灰度值将骨骼和组织区分开，构建原始的股骨三维模型；在GeomagicWrap软件中将股骨模型进行优化，得到股骨皮质骨和松质骨的三维模型；使用SolidWorks软件将模型实体化，通过布尔运算功能，将皮质骨与松质骨结构相结合，重建出完整的股骨模型，如图1所示。

根据目前手术常用的表面髋假体构建模型。股骨头假体使用锆铌合金材料，且假体外表面经氧化处理形成金属陶瓷材料，与股骨接触的表面经3D打印处理后具有骨小梁多孔结构，并采用无骨水泥压合方式植入。构建的假体模型中假体柄长度为50mm，直径为6mm，如图2所示。通过该模型分析锆铌合金股骨假体植入和加载后假体周围股骨的应力大小，并将其与相同设计的标准骨水泥钴铬合金假体作为对照。由于钴铬合金比锆铌合金更硬，弹性模量分别为230和97GPa[11]，可以假设锆铌合金假体能够向股骨传递更多的载荷，因此，股骨应力高于使用钴铬合金假体。

使用SolidWorks软件，按照文献[12]进行假体植入，将STEP格式的表面髋置换假体与上述完整股骨模型进行装配，得到的髋关节表面置换简化模型如图3所示。

1.2 材料属性

将装配好的模型导入ABAQUS软件进行仿真实验。赋予皮质骨和松质骨不同的弹性模量和泊松[13]，详见表1。

锆铌合金假体中骨小梁结构的弹性模量为1380MPa，泊松比为0.33，其性能取自电子束熔化（electronbeammelting，EBM）机器制备孔隙率为80%的钛合金多孔结构试件的实验[14]。钴铬合金假体通过在切除的股骨表面涂上厚度为1.5mm的水泥层固定在骨上，所使用的骨水泥材料为聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）[15]。

对于假体植入模型，可以假设植入物-骨、植入物-水泥和水泥-骨界面完全结合，以模拟骨完全长入和水泥的完全固定。

1.3 边界条件和载荷设置

为了更好地模拟人体站立时的状态，在小转子下边缘处沿股骨干横截面切开模型，得到股骨近端部分模型，并对其下表面进行完全固定。模拟人体质量为70kg，按照人体正常站立姿态，在完整股骨和假体上都施加350N的载荷，相当于重力大小一半的力，如图4所示。

1.4 有效性验证

将模型导入ABAQUS软件中进行仿真实验，在股骨假体最高点与所在的面进行耦合，在耦合点上施加350N载荷，对股骨近端的下表面施加位移全约束。结果表明，假体下方股骨各区域由于应力屏蔽，其股骨应力大小分布情况与文献[16]的结果一致。同时，本研究发现，在靠近假体边缘的皮质骨中存在应力集中现象，在股骨头处出现应力屏蔽效应，与文献[17]的结论一致，可以证明构建的模型有效。

1.5 观察指标

通过有限元仿真分析，得到2种表面髋假体植入后的有效应力云图，并记录假体下方松质骨的平均应力值。为了更加明显地观察股骨近端应力分布情况，将股骨近端分为6个区域[18]，如图5所示。

根据表面髋假体植入前后计算出的股骨应力平均值分析置换后应力屏蔽效应。应力屏蔽作用大小以应力屏蔽率表示，计算公式为

式中，η为应力屏蔽率；σ前为植入前的骨应力；σ后为植入后的骨应力[19]。

2 仿真结果

2.1股骨平均应力

假体植入前后股骨、松质骨应力云图如图6、7所示。由于假体植入前后皮质骨的体积会发生改变，根据1.5节的分区方法，取各个区域的松质骨节点若干，计算出股骨近端松质骨各区的平均等效应力的定量值（见表2），以确定哪种材料的假体植入后股骨负荷更大，以及在股骨近端的哪个区域发生应力屏蔽效应最明显。

2.2 应力屏蔽分析

由表2得到的结果，按照公式（1）计算出钴铬合金和锆铌合金假体植入后的应力屏蔽率，结果如图8所示。

正常股骨头皮质骨承受的应力要高于松质骨，髋关节表面置换后，由于金属假体的植入，股骨头内的应力有很大部分被假体承担。经过有限元分析发现，股骨颈皮质骨所承受的应力大于股骨颈和假体下方的松质骨，假体下方松质骨由于受到假体的应力屏蔽作用，所承受的应力比股骨颈松质骨要小。

与钴铬合金假体相比，锆铌合金假体将更多的负荷从假体转移到了股骨，结果显示1~6分区的应力屏蔽率分别降低了9.0%、7.7%、9.7%、11.5%、9.2%、9.5%，在股骨头的内下区域缓解应力屏蔽的能力较明显。

3 讨论

人工假体部件的材料特性会影响股骨上的载荷传递，在正常状态下本应该通过骨骼传递的力，更多由假体植入物负荷，而不是由植入后的骨骼负荷。手术植入比人体骨骼更硬的假体，就会导致应力屏蔽现象。假体材料的弹性模量决定了其对外力的抵抗能力，高弹性模量的材料在受力时应力会更集中，而低弹性模量的材料则会使应力更好地分散，但如果假体材料的弹性模量太小，又会使假体-骨界面结合性能差和界面微动，增加磨损碎屑。

本研究的目的是比较使用相同设计但材料和固定方式不同的2种表面髋假体引起的股骨应力的变化，以验证具有较低弹性模量的植入物，如锆铌合金，与钴铬合金植入物相比可以使假体周围股骨有更高的应力，应力屏蔽率得到降低。仿真结果证实了使用新型无骨水泥、具有多孔结构的锆铌合金假体实现了更好的应力传递，可以有效地缓解应力屏蔽，减少置换手术后的骨吸收，具有临床意义。

Ong等[20]通过有限元分析发现，在髋关节表面置换术后，股骨近端的应力应变分布出现非生理性变化，特别是在股骨头的内下区域，出现了明显的应力屏蔽现象，这与本研究的结果相符合。TorresPérez等[21]研究发现，骨小梁钛合金植入物能够实现良好的骨结合，并有利于将负荷转移到骨骼。苏在权等[22]指出，锆铌合金股骨头在中青年患者全髋置换术中展现出令人满意的疗效，能有效降低假体松动及周围骨吸收的风险。杨德育等[23]对26例全膝关节置换术的患者进行了随机访问，根据评估结果得出结论，锆铌合金全膝关节假体是膝关节置换的理想选择，能显著缓解疼痛，减少假体松动。本研究结果表明，相比钴铬合金假体，锆铌合金假体在股骨头的内下区域的应力屏蔽率最多减小了11.5%，验证了锆铌合金假体对应力屏蔽有较好的缓解作用，可以减少假体周围的骨吸收。

由于假体植入后的应力屏蔽现象会影响骨生长，已有研究发现多孔型关节假体拥有良好的骨长入性能。本研究构建了一种具有多孔结构的无骨水泥型锆铌合金表面髋假体模型，将其与骨水泥型钴铬合金假体进行对比研究，论证了具有多孔结构的锆铌合金假体能够缓解关节置换后的应力屏蔽效应。在现代增材制造技术的推动下，将多孔结构引入骨科植入物中已经被证明可以显著降低植入物的刚度，植入物的多孔和粗糙表面通过促进生物力学连接来确保植入物和骨组织之间形成较好的结合[24]。研究表明，孔径介于100~400μm的多孔结构最适合骨植入物，因为这种孔径有助于细胞渗透、组织向内生长、血管形成和营养物质向愈合组织运输[25]。

本研究建立了髋关节表面置换的股骨近端模型，将股骨处理为线性弹性材料进行有限元分析，结果比较可信。但本研究也存在以下不足：（1）本研究没有考虑锆铌合金假体不同的固定方式对缓解应力屏蔽效果的影响；（2）本研究属于静态力学分析，没有考虑髋关节部位中韧带、肌肉等对股骨受力状态的影响[26]；（3）本研究只模拟了人体站立时的力学状态，可以进一步考虑模拟人体行走过程中髋关节的受力状态，研究股骨近端应力分布情况。

参考文献：医疗卫生装备·2025年12月第46卷第12期ChineseMedicalEquipmentJournal·Vol.46·No.12·December·2025；表面髋关节置换中假体材料对股骨应力的影响研究；

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