骨质疏松对全膝关节置换胫骨假体固定稳定性的生物力学效应研究

《Medicine in Novel Technology and Devices》：The Biomechanical Effects of Patient Bone Osteoporosis on Tibial Prosthesis Fixation in Total Knee Arthroplasty

本研究针对骨质疏松患者全膝关节置换(TKA)后假体固定稳定性难题，通过有限元分析模拟不同骨质条件，系统揭示了胫骨弹性模量降低导致假体应力集中、界面微动增加等生物力学变化。结果表明严重骨质疏松患者胫骨假体初始稳定性显著降低，为临床采用全水泥固定/延长杆技术提供了理论依据。

　　

随着人口老龄化进程加速，全膝关节置换术(TKA)已成为治疗终末期膝骨关节炎最成功的外科手术之一。然而，术后假体无菌性松动始终是导致TKA失败的主要原因。尤其值得关注的是，骨质疏松作为老年人群的常见合并症，在需要接受TKA的患者中占比高达20%，另有40%患者存在骨量减少。这种以骨微结构破坏、骨密度降低为特征的疾病，严重影响着假体与宿主骨之间的生物力学环境，进而威胁假体的长期稳定性。

尽管假体设计和材料不断进步，但骨质疏松患者进行TKA时，关于是否需要通过延长杆增强稳定性的临床决策仍主要依赖外科医生经验，缺乏充分的生物力学证据支持。这一知识空白使得骨质疏松患者术后面临更高的假体松动、假体周围骨折等并发症风险。为此，长安大学工程机械学院的研究团队在《Medicine in Novel Technology and Devices》上发表了一项创新性研究，通过有限元分析深入探讨了胫骨骨质疏松对TKA假体固定稳定性的生物力学影响。

研究团队采用的关键技术方法包括：基于86岁男性患者CT数据建立胫骨三维模型，通过医学影像软件Mimics和Geomagic Studio进行几何重建与优化；采用商业后稳定型膝关节假体Attune进行虚拟截骨；运用有限元软件Abaqus建立六种不同弹性模量条件（120%-20%）的胫骨模型模拟骨质疏松程度；应用步态周期载荷数据作为边界条件进行生物力学分析。

研究结果揭示了骨质疏松对假体固定系统的多重影响：

胫骨应力分布方面，随着弹性模量降低，胫骨最大von Mises应力从23.67MPa（120%模量）降至19.69MPa（20%模量），而假体应力相应从63.56MPa增至95.78MPa。这种应力转移现象表明骨质疏松导致载荷更多由假体承担。

假体-骨界面力学表现为，胫骨托柄接触压力从9.74MPa降至5.93MPa，表明骨质疏松患者假体柄与周围骨组织的压配固定效果减弱。同时胫骨托基板出现前内侧下沉合并后外侧抬起的倾斜现象，且倾斜程度随骨质恶化而加剧。

固定界面稳定性分析显示，当弹性模量降至初始值的60%时，骨-假体界面微动峰值达到66.2μm，超过骨长入最佳范围（20-50μm）。水泥剪切应力在模量降至40%时达到10.31MPa，远超水泥疲劳极限5MPa。

讨论部分指出，骨质疏松通过多重途径影响假体固定：骨结构强度降低导致假体过度位移；应力屏蔽效应引发周围骨吸收；界面微动抑制骨整合过程。特别值得注意的是，当弹性模量降至60%时，基板倾斜增加33.72%，水泥剪切应力接近疲劳极限，界面微动超过骨长入阈值，表明严重骨质疏松患者难以建立可靠的初始固定。

该研究的临床意义在于为骨质疏松患者TKA手术方案选择提供了生物力学依据。研究建议对于严重骨质疏松患者，应考虑采用全水泥固定和/或延长杆技术来恢复初始稳定性。这些发现不仅深化了对骨质疏松影响假体固定机制的理解，也为个体化手术策略制定提供了重要参考。

然而，研究也存在一定局限性：采用单一志愿者数据建模，未考虑年龄、体重等因素影响；仅模拟均匀弹性模量降低，未体现骨质疏松导致的骨密度不均匀变化；仅分析步态载荷，未涵盖上下楼梯等高需求活动。未来研究需要在这些方面进一步深化，以更全面评估骨质疏松对TKA假体长期稳定性的影响。