人工关节改性材料的生物摩擦学研究

目的　研究不同人工关节材料的改性技术及生物摩擦学性能,为新型人工关节设计提供可靠的技术与理论基础。方法　选用表面渗碳、微弧氧化和氮离子注入技术对钛合金表面进行改性,以提高其耐磨损性能;超高分子量聚乙烯则采用填充改性技术,制备了UHMWPE/BHA、UHMWPE/NC和UHMWPE/VE复合材料,通过提高UHMWPE关节假体的承载能力和蠕变抗力,降低其磨损率;以聚乙烯醇（PVA）为基体材料,选用纳米羟基磷灰石（HA）为增强剂,制备了PVA/HA复合仿生人工软骨材料,考察了其摩擦学特性。结果　(1) 钛合金的表面改性可获得结合性能良好的表面陶瓷层,可有效提高钛合金的耐磨损性能。（2）超高分子量聚乙烯的填充改性,可获得耐磨损性能良好的关节复合材料,有效减少超高分子量聚乙烯磨损颗粒的产生并降低其磨损颗粒引起的生物学反应     

天然关节软骨的液体质量分布特征

目的采用切片称重的方法,研究关节软骨的液体分布特征。方法通过Leica冷冻切片机把软骨样品切成31块均匀厚度的薄片,采用真空恒温箱和高精度电子天平,得到液体的质量分数随深度变化的关系曲线。结果软骨质量随距表面的深度呈动态变化,距表面的49％区域内,软骨薄片的质量最大。软骨液体的质量分数随深度呈波动式下降趋势,从最表层的94．2％到最底层的78．1％。结论液体的质量分布与关节软骨的生理结构有关,胶原纤维网架阻止了蛋白多糖的充分伸展,使得液体的质量分数与距表面的深度呈递减趋势。     

人体股骨冲击特性数值模拟

目的:考察人体步态运动过程中冲击载荷作用时的应力和变形分布。方法:①2005-08-31在徐州医学院附属医院通过美国GE公司HispeedNx/i型双层螺旋CT对一志愿者(年龄28岁,身高173cm,体质量60kg)的股骨进行扫描,获得DICOM格式图像数据,采用逆向工程方法生成实体模型。②将三维模型导入有限元分析软件(Ansys8.0),单元选择Solid45,骨密质的弹性模量选择为16.7GPa,泊松比0.3。③对股骨进行远端固定,模拟股骨在膝关节完全固定情况(人体站立相)下的静力影响,同时采用冲击载荷对股骨进行试验,比较冲击载荷对股骨的不同作用效果,以及股骨在冲击载荷作用下的力学特性。结果:①在200N载荷作用下静载的峰值应力大于冲击载荷作用(847.451MPa比308.511MPa),从分布区域看,静载的峰值应力主要集中在股骨干部分,位置接近于远端1/3处,而冲击载荷峰值分布于股骨颈周围区域。②股骨在受到2546.04N冲击载荷作用后,股骨颈下部是应力响应的敏感区域,随着与冲击区域距离的增加,应力响应逐渐变小,除股骨近端1/3处外其他各处响应均迅速下降。③应力值随着冲击载荷的增大而增大,载荷为2063.88N,2546.04N时最大应力区均集中在股骨颈的下侧面,但当冲击载荷达到2728.32N时最大应力区超出颈部区域,出现在小转子外侧的股骨干上,且应力分布峰值区域变大。结论:①在低冲击载荷作用下,高应力区出现在股骨颈附近区域,随着载荷的增加,破坏区域从单纯的骨股颈区域扩展到了小转子外下侧的股骨干区域。②对比临床,股骨颈和小转子外下侧股骨干部分也是可能导致骨折的区域。     

髋臼几何形态对髋关节接触力学行为的影响

目的研究髋臼解剖几何形态对髋关节接触力学特性的影响。方法建立人体天然髋关节的解剖学模型以及具有不同髋臼外形的简化模型,利用有限元分析方法研究步态载荷作用下髋关节的接触力学行为。结果 (1)解剖学模型产生的接触主要在髋臼的中上部,沿身体前后方向分布,峰值接触应力出现在髋臼前上部。(2)与解剖学模型相比,旋转椭球形髋臼产生了类似的接触分布,而球形和旋转蚶线形髋臼产生的接触主要在髋臼中部,沿上下方向;(3)旋转椭球形髋臼具有最大的接触面积和最小的峰值接触压力和Von-Mises应力;(4)球形髋臼和旋转蚶线形髋臼具有类似的接触力学特征。结论与球形和旋转蚶线形相比,旋转椭球形能够更好地描述髋臼的解剖形态及其接触力学行为。     

基于逆向工程技术的人体股骨近端形态参数误差分析

背景：准确描述股骨近端形态特征对髋关节假体设计和假体置入十分关键。目的：基于逆向工程技术,对股骨近端形态参数描述股骨近端形态时产生的误差（简称股骨近端形态参数误差）进行有效分析。方法：基于Mimics软件、Imageware软件,对1例25岁女性健侧髋关节的股骨近端形态参数进行测量、逆向建模,并利用Imageware中差异分析命令进行相关的曲线-点云及曲面-点云差异的计算与分析。结果与结论：该例股骨基于股骨近端形态参数逆向建模后模型与人体股骨点云的整体差异为（1.29±0.99）mm,其中外壁的匹配误差占70.43%,髓腔占21.46%,股骨头占8.11%。股骨近端形态参数误差存在于以下方面：股骨头并不是标准球形;股骨干5个平面皮质骨内、外壁交线简单地认为是圆,或者认为是长短轴方向不变的椭圆;忽视小转子的几何特征的测量。提出以下改进意见：应在测量长短轴长度的同时,补充测量长短轴与正位片平面的夹角;增加小转子几何特征的测量。     

人工股骨柄的力学研究现状

背景：临床表明,全髋关节重建涉及假体、骨水泥和股骨整体的应力分布,针对减少各个组件的应力以减少置换关节失效风险研究有了很大的进展。 目的：对髋关节置换后各组件应力分布的研究现状及进展作一综述。 方法：应用计算机检索CNKI,EI Village和ELSEVER数据库中2001-01/2011-01关于髋关节置换和股骨柄应力的文章,在标题和摘要中以“股骨柄,应力,全髋关节置换”或“stem,prosthesis,stress,Total Hip Replacement”为检索词进行检索。入选34篇文献和2本书籍进行综述。 结果与结论：人工髋关节固定需亟待解决的关键问题是髋关节置换后各组件应力非均匀传递而引起的界面剪滞效应,并将最终导致界面松动失效。研究股骨-柄松动原因和增强股骨-柄界面的自锁能力,应是提高人工髋关节的稳定性和延长置换后髋关节寿命的发展方向。     

全髋置换对膝关节运动状态的影响

背景：处在不同运动状态的人体下肢关节系统,其力学特性和关节变形量具有较大的差别。全髋置换是目前解决髋关节严重疾病的最终方法。明确置换前后人体下肢系统,特别是膝关节对置换的响应对于患者的康复训练具有积极意义。 目的：通过对健康者和行全髋置换后19个月的患者,在相同的测试环境和测试方法下进行数据采集,对比分析髋关节置换对膝关节在运动中关节变形量的影响。 方法：采用NDI公司的动态捕捉系统对行全髋术后19个月的患者进行测量,同时与患者身体状况相似的健康志愿者采用相同的测量仪器和测量方法进行实验。测量内容包括步长,步频,关节转角和关节位移曲线,并根据测量数据计算各关节的速度和加速度。 结果与结论：由于髋关节置换对患者的自然关节状态进行了破坏,虽然置换后的步态没有太大的差别,但是通过实验数据可以发现,膝关节的变化量比正常状态下要大,说明人体自身进行了调节,通过增大膝关节的负荷,增加变形量来弥补由于髋关节手术所带来的损伤。     

人工关节无菌性松动机制及其药理学研究现状

20世纪60年代,Charnley发明了人工全髋关节置换手术.到目前为止,关节置换已经使全世界数百万患者的关节功能得以恢复.随着假体设计在对抗感染、抗疲劳以及与骨骼固定等方面的显著改进,无菌性松动已成为人工关节置换手术后远期失败的主要原因之一[1].骨水泥的使用一度被认为是引起假体松动的主要原因[2].     

心脏主动脉双叶瓣流固耦合模型定常流场数值的分析

目的:人工心脏瓣膜置换术后的并发症均与心瓣膜置换后引起的血流特性紊乱有关,因此分析心脏主动脉位置双叶人工机械心瓣/血液耦合系统的血流动力学特性和瓣叶机械应力分布情况,为机械心瓣的设计、优化和临床研究提供一定理论依据。方法:采用大型有限元分析软件ANSYS中的CFD(计算流体动力学)模块并运用顺序耦合分析方法分别建立物理环境和结构环境对双叶人工机械心脏瓣膜与其周围血液进行单向流固耦合分析。结果:获得了瓣膜在稳态流动情况下合理的血流速度场、压力场和流体切应力的分布情况及瓣阀的机械应力分布图。在减速时相下,人工机械瓣的速度场出现明显的湍流区、回流区及漩涡区;跨瓣压差较小,压力场有低压力分布;最大雷诺切应力出现在瓣叶窄流道附近,下游壁面附近有低切应力(雷诺切应力)分布,且峰值切应力远离壁面;人工机械瓣叶上无应力集中现象产生。结论:采用大型有限元分析软件ANSYS,建立了主动脉机械双叶瓣-血液耦合运动的两维数值模型,初步采用CFD中的顺序耦合分析方法对血液通过主动脉位置的人工机械瓣进行了单向流固耦合分析的方法是可行的。     

人工股骨柄的力学研究现状

背景:临床表明,全髋关节重建涉及假体、骨水泥和股骨整体的应力分布,针对减少各个组件的应力以减少置换关节失效风险研究有了很大的进展.目的:对髋关节置换后各组件应力分布的研究现状及进展作一综述.方法:应用计算机检索CNKI,EI Village和ELSEVER数据库中2001-01/2011-01关于髋关节置换和股骨柄应力的文章,在标题和摘要中以"股骨柄,应力,全髋关节置换"或"stem,prosthesis,stress,Total Hip Replacement"为检索词进行检索.入选34篇文献和2本书籍进行综述.结果与结论:人工髋关节固定需亟待解决的关键问题是髋关节置换后各组件应力非均匀传递而引起的界面剪滞效应,并将最终导致界面松动失效.研究股骨-柄松动原因和增强股骨-柄界面的自锁能力,应是提高人工髋关节的稳定性和延长置换后髋关节寿命的发展方向.