骨材料行为假设对全踝关节置换中胫骨-植入体微动有限元预测的影响研究

本研究针对非骨水泥型全踝关节置换(TAR)中胫骨植入体初始稳定性评估的关键问题，通过有限元分析(FEA)对比线性弹性与弹塑性骨材料行为假设对胫骨-植入体界面微动的预测差异。结果表明，弹塑性假设下峰值微动增大69%，且与界面von Mises应力差异显著相关(r=?0.73)，提示传统线性弹性模型可能低估实际微动风险，为TAR生物力学评估提供重要方法学参考。

　　

踝关节骨性关节炎终末期患者通过全踝关节置换(TAR)手术可缓解疼痛并改善功能，但植入体长期稳定性仍是临床挑战。尤其非骨水泥型TAR依赖骨整合(osseointegration)实现生物固定，而胫骨-植入体界面微动(micromotion)是影响骨整合的关键因素。现有研究多采用有限元分析(FEA)评估植入体稳定性，但普遍简化假设骨材料仅具线性弹性行为，可能低估实际微动风险。Paragon 28资助的研究团队通过对比弹塑性(elastic–plastic)与线性弹性(linear elastic)骨材料模型，揭示了传统方法的潜在局限性。

研究采用5例TAR患者CT数据建立个性化胫骨模型，虚拟植入两种设计（钉状固定与沟槽固定）的胫骨组件。通过FEA模拟步态站立相载荷，分析两种骨材料行为假设下的界面微动差异。关键技术包括：基于CT的骨密度分布映射、线对线(line-to-line)植入模拟、弹塑性本构模型定义，以及峰值微动与von Mises应力的对比分析。

Methods
建立包含患者特异性骨密度分布的有限元模型，模拟生理步态载荷。通过对比弹塑性与线性弹性假设下5例患者×2种植入设计×2种材料行为的组合数据，量化微动与应力差异。

Results
弹塑性模型预测的峰值微动普遍更大（最高增加69%），且微动差异与界面von Mises应力差异呈负相关(r=?0.73)。患者4的钉状设计在100%步态期表现最显著，微动差异与骨塑性变形程度强相关(r=0.92)。

Discussion
传统线性弹性假设会系统性低估界面微动，尤其在低密度骨区域易发生塑性变形时。弹塑性模型更准确反映实际载荷下骨的力学响应，建议未来TAR生物力学研究纳入塑性行为分析。该发现对优化植入体设计评估标准具有重要意义。

结论强调，骨塑性变形会显著增加界面微动，线性弹性模型的保守性评估可能掩盖临床风险。研究为提升TAR术后稳定性预测精度提供了方法论依据，成果发表于《Journal of Biomechanics》。作者Joshua E. Johnson和Donald D. Anderson指出，后续需开展多周期载荷模拟以评估塑性累积效应。