采用加劲肋结构设计的3D打印钛合金股骨干假体：集成生物力学-FEA方法验证早期负重能力与战备价值

本研究通过集成生物力学测试与有限元分析（FEA），验证了两种个性化3D打印钛合金（Ti6Al4V）假体（A组和B组）在临界股骨干缺损（10 cm）模型中的性能。结果表明，假体在轴向压缩刚度（764.12±112.63 N/mm vs 693.63±136.31 N/mm）、扭转刚度（2.28±0.15 Nm/° vs 2.18±0.22 Nm/°）和疲劳寿命（100,000次循环≈13.3年生理使用）方面与完整股骨（808.59±18.1 N/mm）无显著差异（p>0.05）。FEA显示假体固定系统最大von Mises应力低于Ti6Al4V屈服强度，多孔支架弹性模量（1,132.85 MPa）介于皮质骨与松质骨之间，有效降低应力屏蔽效应。该设计为战伤导致的严重骨缺损提供了即刻负重、快速康复的解决方案，显著提升战场医疗效能。

　　

引言

骨是自然界中最优异的复合材料之一，具有卓越的自愈能力和生物力学性能，但在处理严重节段性缺损时存在明显局限性。当缺损长度达到1.5–3.0 cm或超过骨干直径1.5倍时，即超出自然骨愈合极限，需手术干预，此类缺损称为临界骨缺损。高能量创伤、爆炸伤、感染性清创和肿瘤切除均可导致骨缺损。据统计，骨科医生每年进行约200万例骨移植手术。在现代战争中，爆炸装置是主要致伤因素，90%的乌克兰士兵伤情涉及肢体，其中约三分之一为长骨骨折。

当前针对严重骨缺损的治疗方案各存局限：自体移植虽为金标准，但来源有限且取骨区易发生并发症；同种异体/异种移植存在免疫排斥和疾病传播风险；人工骨材料（如磷酸钙、硫酸钙）虽成分近似骨无机盐，但诱导成骨能力和长期负载性能欠佳；骨搬运技术易引发钉道感染；镁合金可降解但屈服强度低（157MPa），难以应用于股骨等承重骨；钽假体机械性能优异且具促血管生成潜力，但加工难度大、价格高昂。

Ti6Al4V钛合金强度较传统钛合金高约40%，兼具良好韧性和延展性，耐腐蚀性和疲劳性能优异，其3D打印产品可实现解剖形态匹配，屈服强度达819–1,022 MPa，且可通过孔隙率调节弹性模量。该材料生物相容性佳，能提供即时稳定性，直接填充骨缺损，促进早期康复，对战场环境具有重要意义。

研究表明假体孔隙率超过70%有利于骨生长和骨整合，但难以保证屈服强度。工程领域的加劲肋设计可增强金属件强度、分散应力、提升耐久性。本研究采用交叉加劲肋结构平衡假体刚度与孔隙率，并通过生物力学实验和FEA系统评估其性能。

材料与方法

假体设计与制备

基于完整Sawbone的自然骨骼结构，设计并制造了两种3D打印Ti6Al4V股骨干假体。假体A形似髓内钉，假体B为空心结构。两种假体均采用加劲肋与多孔结构结合，多孔部分孔隙率超70%。另制备6个4×4×4立方单元阵列的多孔结构样本用于弹性模量测试。

生物力学测试

采用16根第四代复合股骨模型（Sawbones3403），模拟10 cm股骨干缺损（n=10）和股骨干横断骨折（n=5），以完整股骨（n=1）为对照。分为四组：A组（缺损+假体A+双钢板）、B组（缺损+假体B+双钢板）、C组（横断骨折+双钢板）、D组（完整股骨）。所有模型由经验丰富的骨科医生制备。

测试内容包括：

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  扭转测试：载荷范围±6 Nm，速率3°/min

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  轴向压缩：预载10 N，加载速率20 mm/min，最大载荷870 N

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  四点弯曲：冠状面和矢状面刚度测试，预载10 N，速率1 mm/min，最大载荷870 N

  所有实验重复5次，记录刚度值。

采用数字化图像相关（DIC）技术，对钢板表面进行白色哑光喷涂和黑色斑点标记，重复压缩和扭转实验，获取主钢板应变分布。

多孔样本压缩测试中，预载1 N后以1 mm/min速度加载至断裂，计算有效弹性模量（E=σ/ε，σ=F/A，ε=(X-X₁)/X）。

有限元分析

将Sawbone CT文件导入Mimics 21.0，经3-Matic平滑处理和Geomagic建模，通过SolidWorks布尔运算获取皮质骨和松质骨模型，在HyperMesh中进行网格划分。建立股骨干缺损和横断骨折模型，假体、螺钉和钢板按物理实验方式装配。

材料属性参考线性弹性和各向同性假设，螺钉-骨、钢板界面采用绑定约束，假体-骨和钢板-骨界面设表面接触（摩擦系数分别为0.2和0.15）。骨折模型接触摩擦系数0.2，骨折面间隙0.1 mm。

模型验证显示，压缩刚度（1,309.4 N/mm）与人工股骨（1,263–1,317 N/mm）和尸体股骨（450–1,467 N/mm）相当；施加6 Nm扭矩时扭转刚度（12.45 Nm/deg）与既往研究（13.99 Nm/deg）相似。

加载条件参考既往研究：远端股骨六自由度约束，近端通过耦合点在股骨头施加集中力。压缩仿真施加870 N力，扭转仿真施加-6 Nm扭矩模拟股骨内旋。

循环疲劳与失效测试

股骨内收15°（冠状面），矢状面垂直，内旋角5°–10°。在距近端210 mm和230 mm处内外侧固定四组三元素应变片。疲劳测试分六步进行，以2次/秒频率完成100,000次循环加载，压缩力依次为：400–1,000 N、400–1,200 N、400–1,400 N、400–1,600 N、400–1,800 N。最后10,000循环时粘贴应变片。

失效测试沿股骨解剖轴进行循环加载，初始50次循环载荷400–1,800 N，之后以1,100 N为基线，每10循环峰值力增加100 N，直至出现可见裂纹或应力显著下降。

数据处理

采用IBM SPSS Statistics 27.0进行非参数检验，显著性水平0.05。

结果

刚度

压缩刚度和冠状面弯曲刚度在A、B、D组间无显著差异（p>0.05）。D组扭转刚度约为A、B、C组的三倍。A、B组间除冠状面弯曲刚度外无显著差异。假体多孔部分平均有效弹性模量为1,132.85 MPa，介于皮质骨与松质骨之间。

应力与应变

压缩载荷下，A、B、C组最大von Mises应力分别为264.5 MPa、328.2 MPa、206.4 MPa；扭转载荷下分别为323.9 MPa、308.9 MPa、288.9 MPa。A组最大应力位于假体上端螺钉孔，B组在压缩载荷下位于假体下端螺钉孔、扭转载荷下位于主钢板第10螺钉孔，C组见于主辅钢板。所有最大应力值均低于钛合金屈服强度（819–1,022 MPa）。

DIC应变分布与FEA应力分布高度一致，应力应变主要集中于钢板第4和第10螺钉孔周围，其余区域分布均匀，最大应力应变低于钛合金屈服强度和应变极限。

位移幅度与极限载荷

循环疲劳和失效测试中各点位移幅度变异系数（CV）较高（部分超80%），可能与手动制备模型时的截骨面角度偏差及疲劳测试产生的骨碎屑有关。极限载荷在A、B、C组间无显著差异（p>0.05），均接近4,000 N（约6倍人体重）。A组4例失效发生于近端股骨与第一螺钉之间，1例在股骨颈；B组全部失效于近端股骨与第一螺钉之间；C组2例失效于近端股骨与第一螺钉之间，3例在股骨颈。

讨论

股骨干严重节段性缺损是临床难题，更常见于现代战争高爆环境，患者需强假体支撑以实现早期活动。Ti6Al4V钛合金的高强度和耐腐蚀性为个性化承重假体提供优势。加劲肋与多孔结构结合实现了超70%孔隙率，同时保持整体刚性并辅助传力。

A、B、C组与D组在扭转刚度上的差异源于骨不连续和间隙的存在，导致近远端股骨节段相对位移增加。A、B组与C组相比缺损间隙更大，但通过额外螺钉连接假体与中央平面，使三组扭转刚度差异微小。

压缩实验中A、B、D组刚度无显著差异，C组因钢板刚性略高。假体弹性模量近似松质骨，减少了应力屏蔽效应，增强与骨组织的机械相容性。

FEA和DIC所得最大应力应变均低于钛合金极限强度，表明组件具有足够强度储备。高CV的位移幅度结果可能与截骨面角度偏差及疲劳测试产生的骨碎屑有关。

假体在100,000次循环加载（约13.3年生理使用）中未出现变形，极限载荷达4,000 N，表明其长期耐用性和抗冲击能力。A、B组骨折更易发生于近端股骨与第一锁定螺钉连接处，可能与骨折间隙的大变形经钢板螺钉传递至股骨上段有关。临床中可通过骨碎屑填充间隙和骨长入假体多孔结构消除该问题。

结论

现代战争中爆炸装置导致的开放骨折和骨缺损是临床骨科难题。Ti6Al4V钛合金特性使其成为承重骨假体的理想材料。假体A和B有效补偿节段性股骨缺损的生物力学劣势，性能匹配完整股骨，应力分布均匀，安全耐受循环载荷，保持自然载荷传递。

假体A稳定性更佳，对医生经验要求较低；假体B空心设计允许多样填充材料。该假体直接替代骨缺损部位，提供即时稳定、快速康复和早期负重，不仅满足临床治疗临界骨缺损的需求，更适用于战场环境。只要术前重建合适的骨-软组织操作界面，本研究开发的3D打印钛合金假体结合双钢板固定系统可安全用于非战伤（如高能量机动车碰撞和肿瘤切除后缺损）。其生物力学相容性、手术便捷性和模块化设计共同支持其向临床应用推进。