仿生复合金属髋关节表面置换植入物

文摘

髋关节表面置换技术是一个保守的关节成形术应用于年轻患者股骨头的重塑接受金属帽小导柱。在目前的调查,提出了混合出现复合金属植入物。杯子是由碳纤维/聚酰胺12 (CF / PA12)覆盖着一层薄薄的钴铬(钴铬)。有限元(FE)方法应用于分析和比较的生物力学性能混合传统髋关节表面置换(HHR)和伯明翰(BHR)。有限元分析结果表明,该复合植入松质骨中会导致压力的增加比BHR 15%以上,表明较低的应力屏蔽和潜力骨骨折和更高的潜力与HHR并列。

1。介绍

成功地重新引入改进的金属对金属介面人工髋关节(MOM)轴承导致复苏对髋关节表面置换过程作为一个可行的替代传统的关节成形术对年轻和更积极的病人1,2]。髋关节表面置换(人力资源)的报道的好处包括减少位错率和增加功能全髋关节置换术相比,(那)3,4]。其他人力资源优势与那包括最小骨切除术相比,更容易修改,减少应力屏蔽股骨近端(1,5]。

股骨颈骨折和应力屏蔽问题仍然是一个关注重修的髋关节假体(6,7]。目前,大多数为关节置换植入物包括人力资源从硬材料(即制造。、不锈钢、钴铬等)。这些材料进行应力屏蔽,可能导致植入物松动和股骨颈骨折8]。

目前,传统植入物仍然进行生物力学不匹配的弹性模量和界面稳定性问题和宿主组织。幸运的是,纤维增强聚合物复合材料提供了一个有趣的解决方案来面对这些问题,因为他们有良好的机械性能,如高疲劳和蠕变强度,刚度和刚度。此外,这些材料快速、多功能和廉价的制造过程。

的可行性提出仿生聚合物复合以前用来制造一个臀部阻止路飞。这臀部干被坎贝尔et al。9)和Bougherara et al。10)是评价数值和实验。初步调查仿生复合材料的生物相容性测试杆表明复合产生任何不良periprosthetic组织(细胞毒性反应11,12),使用模拟体液调节和测试表明,羟磷灰石(HA)涂层复合具有良好的潜在的生物相容性13]。

这个新的仿生复合植入有能力模拟天然骨的功能将允许稳定固定假体通过应力屏蔽用最小的骨质流失。这个新的仿生复合材料的生物相容性是验证(14,15]。微型植入由相同的材料和HA-coated Ti控制生产和插入股髓内植入物的兔子。Hystomorphometric结果组合和控制植入物(HA-coated Ti)表明,复合植入物高度osseoinductive,超过一个数量级对控制(植入覆盖超过100%的名义植入周长)。这里使用的协议从而让我们得出这样的结论:HA-coated PA12 / CF复合材料有可能导致osseoconduction非常好,可以减少应力屏蔽导致骨吸收。

髋关节表面置换技术的一种新型混合复合钴铬(HHR)植入提出了防止应力屏蔽和骨折。因此本文的目的是展示的概念设计混合再涂层植入其次,比较其性能与传统伯明翰髋关节表面置换(BHR)。

2。材料和方法

2.1。概念设计和3 d几何图形

计算机断层扫描(CT)扫描部分进行每0.5毫米沿着复合股骨的长度(外科医生第四代复合骨模型)和用于生成三维实体模型的近端股骨16)(见图2(a))。弹性模量的模拟皮层(短纤维环氧树脂)和松质(硬质聚氨酯泡沫)基于ASTM d - 638 d - 695 d - 1621测试等于16.7 (GPa)和206年(MPa)。

混合重修的组件的概念和几何图所示1。股杯子直径46毫米(伯明翰)由2毫米厚壳结构由几层连续碳纤维/聚酰胺12 (CF / PA12)复合面料(见图2),到1毫米的钴铬层覆盖,以避免磨屑的形成。导杆由相同的材料作为杯(即。,CF / PA12-Co-Cr)。杯子是固定的1.5毫米的股骨头水泥制成的PMMA。

2.2。有限元模型

复合股骨网状的3 d有限元模型和分析使用ANSYS 11.0软件。股骨头铰,嵌入两种类型的髋关节表面置换植入物。第一个是一个模型的股骨骨植入人力资源是Cr-Co-base合金(平均绩点,)(见图3 (b)),而第二个杂交组合(CF / PA12)金属(钴铬植入(见图)3 (c))。

使用的材料特性分析如表所示1。

模型被网状10节点四面体二次元素(参见图3 (b))。保税联系当时以为cup-bone接口的模拟完整的骨的生成和完美的水泥固定。这导致了一个刚性复合杯和PMMA接触表面之间的联系,不允许相对滑动或打开缺口。bone-stem接口模拟使用无摩擦接触允许自由滑动(见图4)。

对于每一个有限元模型,加载与8跑步和由3704 kN负载应用到股骨头和1085 kN大转子肌肉负荷(17]。负荷分布在多个节点,以避免应力集中,和有限元分析,所有节点的位移在股骨远端骨是严格限制(图3(一个))。

3所示。结果

3.1。骨小梁的压力

•冯•米塞斯应力骨小梁Cr-Co和CF / PA12重修的植入物图所示5。小梁骨内的压力高于传统的钴铬重修的植入物(•冯•米塞斯应力介于0和4.7 MPa)比使用混合CF / PA12-Co-Cr(·冯·米塞斯应力水平介于0和4.1 MPa)之间。最高压力模式指出在下方压迫地区植入的边缘附近。峰值应力分别为6.09 MPa钴铬假肢和5.26 MPa的混合动力人力资源。

3.2。强调在植入

强调在传统的钴铬植入的值介于0到77之间相比,0到69 MPa时混合使用植入(见图6(一))。传统的植入的峰值应力(173.6 MPa)高于混合移植(156.2)。

4所示。讨论

髋关节表面置换使用混合的新概念设计复合金属。有限元分析已经完成评估和分析提出设计理念的潜力。

在混合移植的情况下,数值结果表明,·冯·米塞斯应力更均匀和松质骨高15%以上。这表明混合复合植入的潜力减少应力屏蔽,尤其是在大转子区。也更高的峰值应力松质骨被发现当使用钴铬,这可能会导致骨折。再次混合移植的使用大大减少了松质骨的骨峰值应力,从而防止骨折。

仿真结果也表明混合植入股骨杯的压力减少了大约10到20%。因此,越来越多的负载转移到骨与混合复合钴铬重修的比传统的植入。

当前的工作的主要目的是提出一个初步研究金属复合股骨组件。然而,有限元模型需要一些改进,如将承载表面(即。髋臼的杯)。这个位置的厚度会影响荷载传递到轴承表面。

5。结论

本研究的结果表明,混合复合金属髋关节表面置换有可能减轻压力的屏蔽,保护骨骼的股票,和防止骨折比传统金属髋关节表面置换植入物。

引用

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