供稿人:康建峰、王玲 发布日期：2018-03-22
对于临床全髋关节置换术，无菌性松动是影响假体使用寿命的主要因素。通常股骨柄假体承在体内承受循环的弯曲载荷，约为200百万次/每年。对于采用均匀恒定的泊松比结构设计股骨柄假体，当其受载时在假体中性轴两侧将分别产生拉压应力。根据Hoffman’s失效准则，拉伸要比压缩更容易引发骨假体界面失效。而且，磨损颗粒有可能进入骨假体界面拉伸侧的空隙，继而刺激和触发破骨细胞成长，导致骨假体周围骨溶解而出现假体松动。反之，对于假体压缩侧，根据Wolff定律，通过应力刺激骨生长有助于提高界面结合强度，而且，骨骼的压缩强度也要高于拉伸强度。根据上述分析表明，在股骨柄假体受载时需保证中性轴两侧均产生压应力。
为了实现该目标，代尔夫特理工大学的Kolken等[1]采用负泊松比结构与传统多孔结构组合设计金属植入物。如图1所示，构建了六种不同结构组合及几何特征参数差异的模型，并应用于金属股骨柄假体的设计中。如图2所示，通过对混合型结构进行弯曲压缩测试，测试结果显示Type 3和Type 6两侧均呈现出压应变，而且中间过渡区域的存在将会降低结构的抗弯特性，故混合型Type 6表现出更均匀的双边扩张。为了更真实反映所设计假体的在生理载荷作用下的应变规律，将其植入仿生骨材料中，进行应变测试观察，如图3所示。结果显示：混合型的股骨柄假体在承载时界面两侧均呈现出压应变，有效地降低骨假体界面失效的风险，并防止磨损颗粒进入骨假体界面，降低应力屏蔽和提高骨生长。
图1 结构设计示意图：(A) 负泊松比结构试样和传统多孔结构试样；(B) 混合型生物金属材料试样；(C)金属股骨柄植入物；(D) 两种结构的几何参数：负泊松比结构(左)和传统的蜂窝六边形结构(右)，凹角、内角和长宽比a/b；(E) 6种混合型生物金属结构设计，其中1-3分别为内角为75°、85°和65°，而4-6与1-3相似，只是缺少过渡区域；(F) 金属假体设计，其中，(C1) 传统的六边形蜂窝结构构成，(H1) 由混合型Type 1结构按50/50比例构成，(C2) 由混合型Type2中的六边形蜂窝结构构成，(H2) 由混合Type 2按50/50比例构成，并且中间包含实心材料，(H3) 由混合Type3按70/30比例构成。
图2 混合型结构的力学测试：(A) 测试设备与图像图像处理，(1) 偏移轴压缩；(2) 偏移轴压缩，但涂覆一层便于观察应变分布的材料；(3) 采集观察点的信息与分布位置；(B) 2mm位移作用下图1 Type1-6结构的水平应变分布；(C) 偏移轴压缩过程中平均最大扩张量
图3金属植入物：(A) SLM制造植入物流程；(B) 增材制造加工的金属植入物样品；(C) 植入仿生骨材料中进行测试；(D) 在t=0s和180s及1.5mm位移作用下，不同金属植入物(C1, C2, H1, H2, H3)周围仿生骨材料的水平应变。