综述：骨水泥型关节置换中界面生物力学的系统评价

这篇综述系统评价了骨水泥（PMMA）固定关节假体中骨-水泥和水泥-假体两个关键界面的生物力学特性，重点探讨了界面摩擦、表面涂层、粗糙度、沟槽几何形状、孔隙率等参数对界面断裂韧性（KC）、能量释放率（GC）及假体稳定性的影响，为优化髋、膝、肩等关节置换的长期性能提供了理论依据。

　　

骨水泥型关节置换界面的生物力学密码

摘要

骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）固定的关节假体通过骨-水泥和水泥-假体双界面实现力学传导。尽管在老年患者中展现出优于非骨水泥假体的生存率，但界面失效仍是导致无菌性松动的主因。本综述揭示：最佳骨水泥渗透深度（3 mm时界面强度提升225%）和半圆形沟槽设计（双沟槽较单沟槽混合模式强度提高24.78%）是增强界面机械完整性的关键。

1. 引言

骨水泥假体在髋、膝等关节置换中具有即时稳定性优势，但界面特性直接决定长期性能。临床数据显示，骨-水泥界面断裂韧性（0.1-1.8 MPa·m^1/2）显著低于水泥-假体界面（最高达4.5 MPa·m^1/2），这解释了前者更易发生微裂纹扩展的现象。

2. 关键界面参数

表面形貌：Ra值在8-19 μm的粗糙表面可使剪切强度提升30%
沟槽几何：矩形沟槽虽提高机械互锁，但锐角易引发骨小梁断裂（实验证据见文献13）
骨水泥特性：高粘度PMMA能减少孔隙率（<5%时疲劳寿命延长3倍）
力学环境：混合模式（I+II）加载下能量释放率（25-800 J/m²）显著高于单一模式

3. 失效机制

骨-水泥界面在张力载荷下最脆弱（强度仅3.4-6.5 MPa），而水泥-假体界面失效多源于：

• 非优化假体设计导致的应力集中（峰值应力>50 MPa）
• 骨水泥固化收缩形成的微孔（直径>200 μm时强度下降40%）
• 肥胖患者（BMI>30）的循环载荷加速疲劳裂纹扩展

4. 临床启示

髋臼假体中的3D打印钛合金涂层可将界面剪切强度提升至17 MPa；而膝关节置换中2 mm均匀水泥层能降低83%的松动风险。值得注意的是，抗生素骨水泥虽降低感染率，但会牺牲15%压缩强度。

5. 未来方向

亟待开展的研究包括：

• 基于患者CT数据的异质骨建模
• 3D打印梯度多孔假体-水泥复合结构
• 针对运动损伤的III型断裂力学分析
• 开发可抑制裂纹扩展的纳米改性PMMA

结论

通过优化界面形貌设计（如深度0.5 mm、间距2 mm的阵列微沟槽）和精准控制骨水泥渗透（3±0.5 mm），可显著提升各类骨水泥型关节假体的10年生存率至94.3%。这为新一代假体的智能设计和精准植入提供了明确的技术路线。