距骨假体设计中韧带切除与软骨覆盖厚度对生物力学稳定性及应力分布影响的有限元分析

本研究针对距骨假体置换术后常见的邻近关节退变问题，通过有限元分析(FEA)系统评估了韧带切除和软骨覆盖厚度对假体稳定性和应力分布的影响。研究人员构建了包含骨骼、韧带和软组织的三维踝关节模型，模拟不同屈曲角度下的力学行为。结果显示：1）周围韧带切除不会显著影响假体稳定性（位移1.66-2.21mm，应力2.23-3.02MPa）；2）0.5mm软骨覆盖可使应力分布最接近正常踝关节。该研究为优化假体设计提供了关键生物力学依据，对降低术后并发症具有重要意义。

　　

踝关节作为人体承重关键部位，其核心组件距骨(talus)的严重损伤或坏死常需通过假体置换恢复功能。然而临床数据显示，全距骨置换术(TTR)后邻近关节退变发生率高达43.6%，其中胫距关节和距下关节最易受累。这种并发症与假体-软骨界面异常应力分布密切相关，但现有研究对韧带切除的影响和软骨覆盖优化缺乏系统评估。

为解决这一难题，中山大学附属医院的研究团队通过创新性有限元建模，首次量化分析了韧带切除序列和软骨厚度梯度对假体性能的影响。该研究发表在《European Journal of Medical Research》，为假体设计提供了重要生物力学依据。

研究采用GE Discovery CT750 HD扫描获取健康志愿者踝关节CT数据，通过Mimics 21软件进行骨骼和软组织分割，Geomagic 21完成曲面优化，SolidWorks 2021构建韧带模型。利用Ansys 17.0建立包含皮质骨(弹性模量7300MPa)、松质骨、软骨(1MPa)和钴铬合金假体(210GPa)的有限元模型。设置500N垂直载荷模拟站立状态，分析中立位、背屈(5°、10°)和跖屈(5°-30°)等7种体位下，不同韧带切除组合(外侧/内侧/跗骨窦/距舟韧带)和软骨厚度(0-2mm)对接触应力、位移的影响。

韧带切除对假体稳定性的影响
通过16种韧带切除组合的对比发现：无论是单独切除外侧韧带(前距腓韧带ATFL等)还是完全切除所有韧带，假体位移始终稳定在1.66-2.21mm范围内，峰值应力波动仅2.23-3.02MPa。这表明假体主要依靠骨性结构维持稳定性，为临床不重建韧带提供了理论支持。

软骨厚度优化分析
对比无软骨覆盖(0mm)与不同厚度(0.5-2mm)模型显示：

• 0mm组在30°跖屈时出现异常高压应力(6.22MPa)，接触面积锐减至445mm²

• 0.5mm组在所有体位下保持最佳应力分布(峰值1.57-2.77MPa)，接触面积稳定在469-482mm²
  ，最接近正常关节

• 过厚软骨(2mm)虽降低应力峰值，但导致应力分布不均

讨论与意义
该研究突破性地证实：1）距骨假体的稳定性主要依赖骨性匹配而非韧带结构；2）0.5mm软骨覆盖能最优重建生理性应力分布。这些发现解释了Taniguchi等临床观察中"无韧带重建仍获良好稳定性"的现象，并为解决TTR术后关节退变难题提供了量化设计标准。

局限性包括未模拟动态载荷和周围关节影响。未来研究可结合患者步态数据优化模型，但当前成果已为假体个性化设计奠定基础。特别值得注意的是，0.5mm这一"黄金厚度"的发现，可能成为降低胫距关节退变发生率的关键突破点。