步行步态周期下髋臼头-内衬系统接触参数在不同材料与几何构型中的有限元分析

《Materials Today Communications》：Finite Element Analysis of Contact Parameters in Hip Implant Acetabular Head–Liner Systems with Varying Materials and Geometry under the Walking Gait Cycle

　　

：采用ANSYS 2025 R2对Accolade II髋关节假体进行了有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）。依据ISO 7206-6标准设定边界条件。硬-硬材料组合（金属-金属（Metal-on-Metal, MoM）与陶瓷-陶瓷（Ceramic-on-Ceramic, CoC））表现出更高的接触应力，但穿透（penetration）与变形（deformation）极小。相比之下，采用超高分子量聚乙烯（Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene, UHMWPE）的硬-软组合接触应力较低，但穿透与变形较大。在单活动度（single-mobility）与双活动度（dual-mobility）系统中，较大的股骨头直径均降低了接触应力、穿透与变形。本研究将髋臼头-内衬几何构型及材料选择与临床观察到的失效机制联系起来。研究结果为减少磨损、降低翻修率及提升假体寿命提供了设计指导。

论文解读：

一、研究背景与问题

2025年，美国关节置换登记处（American Joint Replacement Registry, AJRR）与英国国家关节登记处（National Joint Registry, NJR）共记录了2,499,362例初次全髋关节置换术及271,648例翻修手术。AJRR数据显示美国髋关节翻修率为9.4%，共140,845例，主要翻修原因包括感染与炎症反应、机械并发症、不稳定、无菌性松动、疼痛、骨折及磨损。NJR数据基于1,561,640例初次置换，记录了149,622例翻修，主要归因于无菌性松动、脱位/半脱位、假体周围骨折、假体磨损、骨溶解及感染。综合分析表明，超过60%的髋关节假体翻修与假体设计相关因素有关，涉及股骨柄及关节活动部件的失效。髋臼头-内衬界面作为替代天然股骨关节的主要活动关节，其失效受材料组合、几何参数及载荷条件的影响。现有文献虽已对头-内衬材料组合及几何参数进行了广泛研究，但多数研究缺乏在真实步行载荷条件下的定量接触力学比较，且鲜有研究在保持整体髋臼外径不变的前提下优化内部头-内衬几何构型。因此，本研究旨在系统评估不同材料组合与几何参数对髋臼头-内衬界面接触力学的影响，为降低翻修率提供生物力学依据。

二、研究内容与主要结论

研究人员以Accolade II髋关节假体柄整合Pinnacle髋臼系统构建有限元模型，采用ANSYS 2025 R2的瞬态结构模块（Transient Structural module）进行分析。边界条件参照ISO 7206-6与ISO 14242-1设定，载荷数据取自OrthoLoad研究数据库的真实体内步行步态载荷。研究首先评估六种头-内衬材料组合的接触参数，随后固定CoCrMo-UHMWPE（MoP）组合以优化几何参数，最后将模拟结果与近期计算研究及临床取出报告进行验证。研究得出以下主要结论：硬-硬组合（MoM与CoC）接触应力高但穿透与变形极小；硬-软组合（含UHMWPE）接触应力低但穿透与变形较大；增大股骨头直径在单、双活动度系统中均降低接触应力、穿透与变形。

三、关键技术方法

研究人员采用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）方法，使用ANSYS 2025 R2软件建立三维髋臼头-内衬接触模型。模型采用二次四面体单元（quadratic tetrahedral elements）进行网格划分，经网格收敛性验证后选定0.8 mm单元尺寸。接触界面设置为摩擦接触，摩擦系数（Coefficient of Friction, CoF）依据材料组合选取，统一采用0.15。载荷条件采用OrthoLoad数据库记录的体内步行步态载荷数据，来源于柏林Charité医院Julius Wolff研究所10例佩戴遥测传感器的定制仪器化髋关节假体患者（7男3女，年龄50–75岁，身高1.57–1.84 m，体重56–102 kg，BMI 21.6–31.7 kg/m2）。边界条件参照ISO 7206-6与ISO 14242-1标准，股骨柄远端固定，合成力以12°屈曲与12°内收方向施加于髋臼内衬上表面。

四、研究结果

材料组合对接触参数的影响：研究人员对六种头-内衬材料组合进行了有限元模拟，发现硬-硬组合（金属-金属与陶瓷-陶瓷）表现出更高的接触应力，但穿透与变形极小；而含超高分子量聚乙烯的硬-软组合接触应力较低，但穿透与变形较大。

摩擦系数对接触参数的影响：针对CoCrMo/UHMWPE组合改变摩擦系数进行模拟，结果显示摩擦系数的变化对接触参数整体影响较小。较低的摩擦系数略微升高接触应力，而较高的摩擦系数导致接触应力轻微降低。研究人员解释为较高的摩擦系数减少了关节面间的相对滑动，促进更稳定的接触状态，使载荷在接触区域分布更均匀。

网格尺寸收敛性验证：研究人员在步行步态周期12.5%位置（对应峰值接触应力时刻）比较不同网格尺寸下的接触应力，所有网格尺寸的误差率均低于5%，最终选定0.8 mm网格尺寸以平衡计算效率与精度。

单活动度系统几何参数优化：研究人员设计了D1至D7七种单活动度构型，在保持髋臼杯外径不变的前提下改变股骨头直径（28–52 mm）与内衬厚度（4–10 mm）。结果显示增大股骨头直径扩大了接触面积并降低了峰值接触压力，但内衬厚度随头径增大而减小。

双活动度系统几何参数优化：研究人员设计了DM1至DM4四种双活动度构型，内衬厚度从6 mm增至15 mm，内壳直径从40 mm增至58 mm，内头直径保持28 mm。结果表明内衬厚度增加可降低接触压力，改善载荷分布。

五、讨论与结论

研究人员将模拟结果与近期计算研究及临床取出报告进行了对比验证，证实了材料组合与几何参数对接触力学的影响与临床观察到的失效机制相关联。研究指出，硬-硬组合虽接触应力高但磨损极小，而硬-软组合虽接触应力低但聚乙烯磨损颗粒可引发骨溶解与无菌性松动。增大股骨头直径虽降低接触应力，但增加滑动距离可能提高体积磨损率，需在稳定性、磨损与内衬厚度之间权衡。研究结论指出，优化髋臼头-内衬几何构型与材料选择可减少磨损、降低翻修率并提升假体寿命，为骨科临床医生选择合适假体构型提供了循证依据。