压配式股骨膝关节假体固定中的骨应力松弛：实验与计算联合分析揭示初始稳定性优化策略

针对非骨水泥型全膝关节置换术(TKA)中无菌性松动这一主要翻修原因，荷兰Radboud大学医学中心团队通过结合尸体实验与有限元(FE)模拟，首次将骨松弛和磨损效应纳入股骨假体固定强度评估。研究发现未考虑骨磨损的模型高估植入应变350%，而0.75mm虚拟磨损使预测更接近实验值(150%)，证实骨粘弹性(viscoelasticity)和磨损(abrasion)对精准预测初始稳定性的关键作用，为优化假体设计提供新思路。

　　

在骨科领域，全膝关节置换术(TKA)已成为治疗终末期膝骨关节炎的标准术式，每年全球实施超过百万例。然而随着手术量激增，翻修率持续攀升，其中非骨水泥型假体的无菌性松动(aseptic loosening)占比高达75%，成为困扰临床的首要难题。尤其令人担忧的是，年轻患者因活动量大，面临更高的翻修风险。传统观点认为，假体的长期存活依赖于初始稳定性(primary stability)，但现有评估方法存在重大缺陷——有限元(FE)模型普遍采用线性弹性骨材料模型，既无法反映骨的塑性变形(plasticity)，又忽略了骨组织的粘弹性(viscoelasticity)和术中磨损(abrasion)效应，导致对固定强度的高估可达360%。

为破解这一困局，荷兰Radboud大学医学中心联合DePuy Synthes公司的研究团队开展了一项开创性研究。他们通过六具人尸体股骨植入实验与多尺度计算模拟的结合，首次量化了骨应力松弛(stress relaxation)和磨损对压配式(press-fit)股骨假体固定强度的耦合影响。这项发表于《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》的研究，为精准预测假体稳定性建立了新范式。

研究团队采用三大关键技术：首先在六具新鲜冷冻尸体股骨(53-79岁)植入Attune^?
假体，通过四组应变片连续24小时监测植入应变；其次利用3D光学扫描和CT数据重建个体化FE模型，采用塑性-粘弹性骨材料模型，创新性引入虚拟磨损参数(0/0.5/0.75mm)；最后通过轴向拔出试验(pull-off test)验证固定强度。

【3.1 植入后假体应变】
实验测得假体表面应变范围为115-1156微应变，而传统FE模型(无磨损)预测值高出350%。引入0.75mm虚拟磨损后，过估幅度降至150%，证明骨磨损可显著降低界面应力。

【3.2 应变降低(骨松弛代理)】
实验观察到24小时内应变降低17%-37%，反映骨应力松弛现象。FE模型虽能捕捉趋势，但预测松弛幅度平均低41%，提示当前粘弹性模型仍需优化。

【3.3 骨应变特征】
计算显示随着虚拟磨损增加，骨弹性应变和塑性应变均递减。0.75mm磨损组几乎无塑性变形，揭示磨损可能改变骨组织的力学响应机制。

【3.4 拔出力学】
实验拔出力855-2903N呈现显著个体差异。无磨损FE模型预测值超实验值180%-360%，而0.5mm磨损组更接近实测值。骨密度(BMD)与拔出力呈正相关(R²
=0.72)，证实骨质是固定强度的关键变量。

讨论部分深刻指出，该研究首次通过实验-计算联合框架揭示了三个关键机制：(1)骨应力松弛可使压配力衰减54%，(2)每0.5mm骨磨损可降低拔出力约40%，(3)弹性应变能(elastic strain energy)是预测固定强度的有效指标。这些发现对假体设计具有双重指导意义：一方面建议优化压配干涉量(interference fit)以平衡初始稳定性和骨损伤风险；另一方面揭示多孔涂层(POROCOAT^?
)的摩擦系数(CoF=0.95)可能需要根据术中磨损动态调整。

尽管存在样本量有限、粘弹性模型未涵盖皮质骨等局限，但这项研究建立了首个整合塑性、粘弹性和磨损效应的计算框架。其临床价值在于：术前可通过患者CT数据个性化预测固定强度；术中可指导敲击力度以减少骨损伤；长期来看，为开发"应力松弛补偿型"假体提供理论依据。正如作者强调，未来研究应聚焦于骨磨损的定量表征和跨尺度建模，这将是实现精准骨科仿真的下一个里程碑。