《Results in Engineering》：Primary stability assessment under simulated loading conditions of two β-titanium alloy hip stems versus conventional hip stem
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无骨水泥型全髋关节置换术（Total Hip Arthroplasty, THA）的成功取决于股骨柄-骨界面初始微动（Micromotion）及长期骨整合（Osseointegration）。新型β钛合金（Ti27Nb和Ti-35Nb-5Ta-7Zr-0.4O
无骨水泥型全髋关节置换术（Total Hip Arthroplasty, THA）的成功取决于股骨柄-骨界面初始微动（Micromotion）及长期骨整合（Osseointegration）。新型β钛合金（Ti27Nb和Ti-35Nb-5Ta-7Zr-0.4O, TNTZ）与传统Ti6Al4V合金相比具有更低刚度与更优生物相容性，因而成为具前景的股骨柄材料本研究基于有限元方法，在正常步态和爬楼梯峰值载荷条件下，对上述三种材料的实心（Solid）与近端多孔（Proximally Porous）髋关节柄进行了比较研究。研究人员利用CT影像构建的股骨计算模型，植入Stryker Accolade股骨柄，并通过准静态轴向压缩实验，对模型进行了基于线性可变差动变压器（Linear Variable Differential Transformer, LVDT）的微动测量验证。近端多孔结构通过基于三重周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）的Gyroid架构实现。研究评估了六种股骨柄构型——Ti6Al4V、Ti27Nb和TNTZ的实心及多孔变体——以评估材料刚度与多孔设计对初期稳定性的影响。根据所采用的应力屏蔽指数（Stress Shielding Index, SSI）公式，模拟结果显示，与Ti6Al4V股骨柄相比，多孔TNTZ股骨柄的应力屏蔽效应降低达10.96%。多孔股骨柄，尤其是多孔TNTZ股骨柄，在临床相关的近端干骺端区域表现出更优的初期稳定性，尽管在远端观察到轻微的微动局部累积。在所有分析构型中，多孔TNTZ股骨柄在爬楼梯条件下表现出最低的平均微动（71.58 ± 31.42 μm），同时保持了良好的近端稳定性特征。研究结果凸显了多孔TNTZ股骨柄在改善假体初期稳定性及载荷向宿主骨传递方面的潜力，但尚需进一步的体内（In Vivo）和体外（In Vitro）验证加以确证。
无骨水泥型全髋关节置换术的成功取决于股骨柄-骨界面初始微动及长期骨整合效果。传统Ti6Al4V合金虽具备优异的机械与耐腐蚀性能，但铝和钒离子的长期释放存在细胞毒性及神经毒性隐患。相比之下，新型β钛合金（Ti27Nb和TNTZ）具有更低的弹性模量（37–85 GPa）和更高的强度（780–1296 MPa），且不含毒性元素，近年来在骨科应用中日益受到重视。此外，植入物拓扑结构对载荷传递和初期稳定性具有重要影响。基于三重周期极小曲面（TPMS）的Gyroid结构因其光滑的拓扑形态和相互连通的多孔通道，被认为有利于改善载荷传递、血管化和生物固定。在此背景下，研究人员开展了这项计算机模拟研究，旨在比较传统Ti6Al4V合金与两种新型β钛合金制成的实心和近端多孔股骨柄在术后即刻的生物力学表现，以期为临床选择更优的假体材料与结构提供依据。该论文发表于《Results in Engineering》。
研究采用的关键技术方法主要包括：基于CT影像的复合股骨计算模型建模；LVDT实验验证有限元模型；TPMS-based Gyroid多孔架构设计；静态结构有限元分析；以及应力屏蔽指数（SSI）的量化计算。
研究结果部分，研究人员首先分析了外侧皮质骨的等效应力分布。结果显示，TNTZ植入案例在两种载荷下均表现出最高的等效应力，其次是Ti27Nb和Ti6Al4V，这符合植入物刚度与载荷传递之间的反比关系。使用实心柄时，皮质骨最大等效应力在正常步态下均在157 MPa以内，爬楼梯时不超过220 MPa；而多孔柄的皮质骨应力水平更高，峰值出现在固定支撑起始区域，最高达435.45 MPa（多孔TNTZ爬楼梯），但研究人员指出这些高应力区域邻近约束边界，根据Saint-Venant原理，可能不代表皮质骨的整体生物力学状态。
在股骨柄等效应力方面，实心柄在两种载荷下均远低于各自屈服强度；多孔柄有极少量区域（<0.005%体积）因多孔结构几何不连续而略微超出屈服强度，但被认为对整体结构稳定性影响可忽略。
在应力屏蔽方面，研究人员采用应力屏蔽指数（SSI）进行量化。结果显示，β钛合金柄的应力屏蔽风险低于Ti6Al4V柄。实心TNTZ柄在正常步态和爬楼梯下分别降低应力屏蔽4.2%和5.9%；多孔TNTZ柄则分别降低9.4%和10.96%，在所有配置中效果最为显著。这表明低弹性模量的β钛合金促进了更生理性的载荷分担，有利于长期骨保存。
在初期稳定性方面，微动峰值与股骨柄材料刚度呈反相关。多孔柄在近端区域的微动显著低于实心柄，但在远端出现轻微累积。在所有配置中，多孔TNTZ柄在爬楼梯条件下表现出最低的平均微动（71.58 ± 31.42 μm）。三因素方差分析显示，生理活动对微动的影响最大（η2=0.084），材料的影响相对较小（η2=0.003），多孔设计有轻微影响（η2=0.013）。研究人员指出，爬楼梯时股内侧肌的协同收缩产生了稳定效应，降低了弯曲力矩，从而使微动低于正常步态。
在讨论部分，研究人员进一步阐释了上述结果的意义。近端多孔结构通过增加机械互锁改善了临床相关近端干骺端区域的稳定性。虽然多孔柄远端微动略有增加，但近端界面均保持在150 μm金标准阈值以下，有利于骨长入。值得注意的是，虽然材料变化具有统计学意义，但其效应量较小，提示生理活动条件和康复方案可能对初期稳定性产生更大影响。
研究结论指出，基于有限元分析的结果表明，β钛合金柄，特别是TNTZ多孔股骨柄，在降低应力屏蔽和改善初期稳定性方面具有显著优势。TNTZ多孔柄在爬楼梯等高载荷活动中表现尤为突出，平均微动最低且近端稳定性良好。然而，研究也存在若干局限性：仅考虑了两种峰值静态载荷，未涵盖 stumble、下楼等更复杂活动；采用理想化的复合股骨模型，未能完全代表真实人体骨的异质性和各向异性；未涉及长期骨重塑、疲劳分析及生物整合过程。研究人员强调，这些发现应被视为比较性的机制和假设生成证据，而非直接的临床推荐。未来研究应聚焦于多孔结构优化设计、靶向实验测试、疲劳分析以及长期生物固定效果评估，以进一步验证β钛合金髋关节柄的临床转化潜力。
