基于纤维增强双相材料的有限元研究揭示内侧膝骨关节炎进展及单髁置换对膝关节外侧间室的生物力学影响

本研究针对内侧膝骨关节炎(OA)进展及单髁置换术(UKA)后外侧间室OA发展的潜在风险，通过建立5种不同进展阶段的内侧膝OA模型和1种UKA模型，采用纤维增强双相材料模拟关节软骨(AC)和半月板，结合真实双相接触条件进行有限元分析。研究发现：早期内侧膝OA(OARSI 2-3)对外侧间室AC的生物力学影响可忽略(差异<2%)，但晚期OA(OARSI 4.5)会导致外侧AC应力增加7.0%、应变增加22.2%；而UKA手术可使最大剪切应变降低22.2%。该研究为理解膝关节间室力学耦合机制提供了重要依据，对临床手术决策具有指导意义。

　　

膝关节作为人体最复杂的负重关节之一，其健康状态直接影响运动功能和生活质量。随着人口老龄化加剧，膝骨关节炎(OA)已成为全球公共卫生挑战，其中内侧间室OA尤为常见。临床观察发现，内侧OA患者常伴随外侧间室退变，而接受单髁置换术(UKA)的患者中约30%因外侧OA进展需要翻修。这些现象提示内侧间室病变与外侧间室力学环境存在密切关联，但具体机制尚不明确。

针对这一关键问题，长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室联合西安交通大学机械工程学院等机构的研究团队，在《Scientific Reports》发表了创新性研究成果。该研究通过建立包含健康膝关节、5个不同OARSI分级的内侧OA模型和UKA模型的有限元分析体系，首次采用纤维增强双相材料(fibril-reinforced biphasic material)精确模拟关节软骨和半月板的力学特性，并实现真实双相接触条件(biphasic contact)的数值模拟。研究特别关注了外侧间室AC在步行最大载荷(3倍体重)下的生物力学响应。

关键技术方法包括：1)基于Open Knee Project的膝关节几何重建；2)采用深度依赖性纤维增强双相材料模拟AC的三区结构(表层SZ、中间层MZ、深层DZ)；3)建立包含7种组织(骨、AC、半月板、韧带等)的多组件有限元模型；4)应用ISO 14243-1:2009标准步态载荷条件；5)通过OARSI分级系统量化OA进展程度。

研究结果揭示：

1. 健康与早期OA模型的对比显示，OARSI 2-3阶段内侧OA对外侧间室AC的应力/应变影响<2%，生物力学变化可忽略。
2. 晚期OA模型(OARSI 4.5)中，外侧AC出现显著力学恶化：最大有效固体应力增加6.5%，压缩应变增加4.3%，最大主应力超过软骨屈服强度(7.0%增幅)，最大主应变达屈服应变的122.2%。
3. UKA术后模型显示，与晚期OA相比，外侧AC表层(SZ)应力显著降低，最大剪切应变回落至接近健康水平(降幅22.2%)，但深层(DZ)应力改善有限。

讨论部分指出，该研究首次量化了内侧OA进展与外侧间室力学环境的动态关系：早期OA通过软骨自身代偿维持力学平衡，但晚期OA因内侧支撑结构(AC和半月板)严重缺损导致载荷重分布，使外侧AC承受异常力学刺激——最大主应变超过10%的临界阈值将直接引发软骨细胞凋亡和胶原网络破坏。UKA通过重建内侧力学支撑，有效缓解外侧AC的表层应变，这解释了临床观察到UKA可延缓外侧OA进展的现象。

这项研究为理解膝关节间室力学耦合机制提供了全新视角，其创新价值体现在三方面：1)首次在UKA模型中实现纤维增强双相AC的精确模拟；2)建立首个考虑真实双相接触的OA进展系列模型；3)定量揭示OARSI分级与外侧间室力学响应的非线性关系。研究成果不仅为OA进展机制研究提供新范式，更对临床决策具有指导意义——建议晚期内侧OA患者及时接受UKA干预，以避免不可逆的外侧软骨损伤。未来研究可进一步探索不同活动模式(如上下楼梯)下的间室力学相互作用，以及个性化UKA设计对间室保护的优化潜力。