未固定髋关节股骨柄的设计参数对骨生长的影响——结合机械调节算法和实验设计的有限元分析

《Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials》：Effect of Design Parameters of an Uncemented Hip Stem on Bone Ingrowth—Finite Element Analyses Integrated With Mechanoregulatory Algorithm and Design of Experiment

骨整合程度受孔隙尺寸、多孔基座厚度及核心材料设计参数影响，通过有限元分析模拟不同工况下的骨整合与新生骨弹性模量变化。研究采用全因子实验设计构建8种宏观模型，结合生理边界条件和运动载荷进行数值模拟，发现孔隙尺寸增大、核心材料使用FGM及半孔隙基座可提升骨整合效率（32%-72%），新生骨弹性模量范围为380-1200MPa，有效增强人工髋茎长期固定稳定性，降低松动风险。

　　

摘要

多孔植入物中的骨长入程度受到设计参数（孔径、多孔支撑结构的厚度以及核心材料）的影响。本数值研究的目的是评估植入物设计参数的变化如何影响骨长入多孔髋关节假体的过程，这一观点源自作者之前的一项研究。基于实验设计方法（全因子设计，包含三个参数，每个参数有两个水平），开发了八个植入物-骨结构的宏观模型。这些有限元（FE）宏观模型在ANSYS软件中进行了模拟，考虑了正常行走和爬楼梯时的载荷以及生理边界条件。每个宏观模型都对应一个用于骨长入模拟的3D子模型。宏观模型切割边界处的总位移被映射到相应的子模型中。通过将现象学力学调控算法与子模型的有限元分析相结合，预测了骨长入情况。对设计参数与新形成组织的弹性模量之间的数据进行了方差分析（ANOVA）和回归分析。研究预测，在术后一个月内，所有子模型中骨长入量都显著（32%–72%），而纤维组织的长入量较少（0.5%–3.5%）。在平衡迭代状态下，所有子模型中新形成骨组织的平均杨氏模量范围为380至1200 MPa。较大的孔径、FGM核心材料以及半多孔支撑结构能够促进更好的骨长入，从而提高髋关节假体孔内新形成组织的弹性模量。这种骨长入有望提高假体的长期固定性和稳定性，降低假体松动的风险。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向相应作者提出合理请求后获取。