功能梯度材料胫骨假体的有限元分析

作者：李志; 陈维毅^*; 王晨艳; 相昌鑫; 兰伟伟; 王长江; 郭媛

来源：中国组织工程研究, 2022, 26(22): 3543-3549.

• 功能梯度材料
• 胫骨假体
• 有限元
• 应力
• 应力遮挡
• 无菌性松动
• 膝关节假体

背景:全膝关节置换后胫骨衬垫的过度磨损,以及关节假体的无菌性松动是导致膝关节假体失效的主要原因。假体与骨骼力学强度差异过大会导致骨上产生应力遮挡,进而诱发假体无菌性松动。目的:利用有限元方法分析植入功能梯度材料(functionally graded materials,FGM)胫骨假体后胫骨假体与胫骨近端松质骨的应力响应。方法:设计了两种不同孔隙率参数的钛合金-羟基磷灰石复合功能梯度材料(命名为FGMⅠ、FGMⅢ)和一种钛合金-理想骨弹性材料复合功能梯度材料(命名为FGMⅡ),其中FGMⅠ的孔隙率参数分别为0.1,1,1,FGMⅡ和FGMⅢ的孔隙率参数分别为0.4,0,1。建立全膝关节置换三维有限元模型,利用仿真软件Abaqus分析FGM与钛合金材料胫骨假体植入后,在伸直位0°及屈曲位30°和60°三种工况下胫骨假体与胫骨松质骨上的应力分布变化。结果与结论:(1)在不同工况下,与钛合金胫骨假体相比,FGM胫骨假体的最大Von Mises应力显著降低,且其松质骨与假体柄端接触部位上的应力明显减小。(2)胫骨松质骨沿不同路径的应力曲线和平均应力表明,在不同工况下,与钛合金胫骨假体相比,使用FGM假体后胫骨近端松质骨上的应力均有提升,其中FGMⅠ提高5.4%-17.3%,FGMⅡ提高1.0%-13.5%,FGMⅢ提高1.6%-15.4%。(3)结果表明,FGM胫骨假体有助于增加胫骨近端松质骨上的应力,减弱胫骨近端的应力遮挡效应,进而可降低胫骨假体无菌性松动发生的概率,延长假体的寿命,且FGMⅠ在3种FGM假体中效果最好。

• 单位
  生物医学工程学院; 太原理工大学