最新人工膝关节发展简史
人工膝关节仿生结构设计和生物力学关键技术及应用
人工膝关节仿生结构设计和生物力学关键技术及应用引言人工膝关节置换术是一种常见的临床治疗方式，主要应用于严重的关节炎、骨折或其他损伤所致的膝关节严重损害的患者。
随着科技的不断进步和人们对生活质量要求的提高，人工膝关节仿生结构设计以及生物力学关键技术的研究得到了越来越多的关注。
本文将从仿生结构设计和生物力学关键技术两个方面，探讨人工膝关节的最新进展和应用。
一、仿生结构设计1.1 人工膝关节的解剖和生理特点正常的膝关节由髌骨、股骨和胫骨组成，关节软骨和韧带起着重要的作用。
人工膝关节应该模拟出这些结构，并且在运动过程中要尽量减少关节表面的磨损和损伤。
仿生结构设计的关键在于模拟人体天然的关节结构和功能。
1.2 材料选择人工膝关节的材料选择至关重要，传统上常用的材料包括金属、聚乙烯和陶瓷。
近年来，生物可降解材料和纳米材料也开始逐渐应用于人工膝关节制备中，以期提高材料的生物相容性和耐磨性。
1.3 三维打印技术三维打印技术在人工膝关节仿生结构设计中起着越来越重要的作用，它可以根据患者的特殊情况，量身定制膝关节，精确度高，适应性强，减少了手术过程中的不确定性。
1.4 表面处理技术人工膝关节的表面处理对其耐磨性和功能都有很大的影响，现代的表面处理技术如纳米涂层、表面纳米结构等，可以有效地提高人工膝关节的使用寿命和力学性能。
二、生物力学关键技术2.1 运动分析技术人工膝关节置换术后，患者需要进行康复训练，运动分析技术可以帮助医生更好地监测患者的运动状态，调整康复方案，提高治疗效果。
2.2 人工关节材料的疲劳寿命测试疲劳寿命测试是评价人工膝关节材料耐久性的重要手段，通过疲劳寿命测试，可以及早发现材料的疲劳破损点，确保人工膝关节的长期可靠性。
2.3 载荷仿真技术人工膝关节在使用过程中要承受来自体重、运动等多方面的载荷，通过载荷仿真技术，可以更好地了解人工膝关节的受力情况，从而指导设计和临床治疗。
2.4 功能评估技术人工膝关节的功能评估技术可以帮助医生及时掌握患者膝关节的功能状态，评估人工膝关节的效果，指导临床治疗方案的调整。
人工膝关节发展历史简介
• 1979年 • Kinematic假体
• 1980
• IBPS由强生和Zimmer两家公司联合推 出推广。对矫形外科医生来说他是一种 非常大的技术革新。
• IBPS
• 它提供具有专利的中央突和凸轮设计防 止胫骨的后方脱位。
• 这种设计在前后面和内外面上符合胫股 髁的几何形态
• 5种股骨和胫骨尺寸
• 钴合合金超高分子聚已烯组合仍是膝关节材料的“金标 准”。
膝关节假体的种类
• 按置换范围：单髁、双髁、三间隔。 • 按固定方式：骨水泥型、非水泥型。 • 按限制程度：限制（铰链）、半限制（ps）、非 限制型cr。 • 按平台活动：固定型、旋转半月板型。
Thank You !
• 2001 • MBT翻修胫骨托
人工膝关节置换术现状
• 今天，TKR手术已经成为临床常用手术。10年以上的临 床优良率在90%以上。北美达30万例/年。我国亿人 口潜在病例达3千万，市场非常巨大。我国的TKR起步晚， 80年代开始模仿TCP型假体（京航），但是材料和设计 细节上和国际品牌还有一定的差距。
1860
• 膝关节表面置换这一概念在19世纪得到实践 。1860年，Verneuil(公 认的第一位发表关于膝关节外科文章的学者)提出用软组织包裹去重建 关节面。
• 它使用了诸如猪膀胱和阔筋膜等材料进行试验，结果都令人失望。
• 在同一时期，有一名叫Fergusson的外科医生，切除整个膝关节的关节 面，使软骨下骨之间形成关节，结果发现，骨质去除越多，患者膝关节 活动越佳但稳定性较差，当骨质去除较少时，关节之间常常会自行融合， 这些手术主要用于因患关节结核和感染而破坏关节的患者，这些治疗的 结果都很差，所以只有少数严重病例患者才使用这种治疗。
人工关节材料发展综述
人工关节材料发展综述1引言当前我国正处于人口老龄化时期，各种原因引起的骨性关节炎，股骨头坏死以及老年髓部骨折等关节疾患日益增多，严重影响了老年人的生活质量，产生了极大的经济和社会负担；同时由于疾病、事故、工伤、战争以及比赛对抗程度的明显增强等各种因素，均增加了意外伤害的概率导致大量的人体骨骼病变和损伤，造成许多人残疾而失去基本的生活能力，给病人、家庭及社会带来了极大的影响和沉重的负担[1-3]。
1963年英国曼彻斯特人John Charnley首先报道了全髋关节置换手术治疗类风湿性髋关节骨性关节炎。
他利用不锈钢制作股骨头，以聚四氟乙烯（PTFE）制作髋臼，用聚甲基丙烯酸甲酯（骨水泥）固定，形成Charnley型低摩擦全髋关节假体，奠定了现代人工关节置换技术的基础[1]。
自此以后，人工关节置换技术发展迅速，日益成为治疗关节伤痛、重建关节功能的重要手段。
人工关节置换术经过近百年的发展，目前已广泛开展，能有效地根除关节病痛，恢复关节功能以及提高患者生活质量，现已被认为是最成功的外科手术之一[4]。
人工关节是模拟人体关节制成的植入性假体，以代替病变或损伤的关节病恢复其功能[4]。
人工关节包括髋、膝、肩、肘、腕、指间、跺等关节，其中以髋、膝关节置换为主。
人工关节置换是对因创伤或疾病造成破坏的关节应用人工关节材料替代病变部位而进行的修复，解除关节疼痛、畸形和功能障碍，重建一个功能接近人体正常的关节[12-13]。
目前，每年世界上大概有100万患者实施人工关节假体置换手术[20]。
据不完全统计全球每年仅全髋关节置换就达80万例，人工髋关节置换术是治疗髋关节疾病终末期病变最重要和最有效的手术之一，也是开展得非常广泛的一项技术，美国现有总人口中的0.83%接受过人工髋关节置换术[81]。
我国根据民政部门的报告，目前仅肢体不自由患者就达1500万人，其中残疾约780万人，全国骨缺损和骨损患者近300万人，且随着我国社会老龄化的到来，这一数字还有上升的趋势[2]。
单髁关节置换的发展史
单髁关节置换的发展史可以追溯到1952年，当时使用金属胫骨假体开始了单髁关节置换手术。
然而，真正的单髁关节设计直到20世纪70年代才出现，但当时的失败率较高。
随着时间的推移，人们对膝关节运动医学的认识不断提高，假体和置换技术也在不断改进。
1970年，Gunston、Engelbrecht及Marmor等学者成为单髁置换使用及发展的先驱。
1973年，Marmor报道了对单室关节炎使用单髁关节置换术（Unicompartmental Knee Arthroplasty, UKA）。
1975年，日本学者渡部对Marmor型单髁人工假体进行了改进。
1986年，Thornhill 再次报道了UKA，对UKA有了进一步的论说，并被相当一部分学者所接受。
近年来，单髁关节置换的假体和置换技术得到了进一步的发展和改进，现在的假体6至10年的生存率达到了98%。
以上内容仅供参考，建议查阅单髁关节置换的相关文献或咨询专业医生以获取更准确的信息。
人工膝关节发展简史
缺点：可能
2 引起感染， 需要定期更 换
优点：恢复
3 膝关节功能， 提高运动能 力
缺点：可能
4 引起关节僵 硬，需要长 期康复训练
人工膝关节的未来发展趋势
材料创新：使用更轻、更耐用的材 料，提高关节寿命
设计优化：采用更符合人体工程学 的设计，提高关节舒适性
智能关节：引入传感器和微处理器， 实现关节状态实时监测和调整
20世纪初， 人工膝关节 的早期实验 和研究开始
1950年代， 人工膝关节 的临床应用 开始
1960年代， 人工膝关节 的设计和材 料不断改进， 提高了使用 寿命和性能
01
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早期人工膝关节的应用
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19世纪末，人 工膝关节开始 应用于临床
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20世纪初，人 工膝关节逐渐 普及，成为治 疗膝关节疾病 的主要手段
1990年代：个性化膝关 节置换术逐渐普及
2000年代：计算机辅助 设计和3D打印技术应用 于膝关节置换术
人工膝关节材料的改进
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新型材料：如碳纤维、石 墨烯等，具有更高的强度 和耐磨性，但成本较高
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复合材料：金属与高分子 材料的复合，提高耐磨性 和生物相容性
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改进材料：高分子材料， 如聚乙烯、聚氨酯等，具 有更好的生物相容性
人工膝关节的普及程度
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人工膝关节在 全球范围内的
普及程度
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人工膝关节在 不同国家和地 区的普及程度
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人工膝关节在 不同年龄段的
普及程度
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人工膝关节在 不同性别的普
及程度
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人工膝关节在 不同收入水平
的普及程度
铰链式膝关节置换
5、在人工骨干的近端或远端配置的 带孔的金属皮质骨外套长约定4cm（起加 强固定作用）。
病例1
例1， 患者女性，58岁，右侧严重膝 外翻畸形13年，入院后行旋转铰链膝（ LINK公司）置换术，术后13天拆线步行 出院。
出院后注意事项
出院后注意事项 1.保持适量步行运动 2.避免扭动膝部关节 3.如发现伤口红肿、流脓或疼痛增加，
请道医院检查。 4.如身体过胖，必需减肥，可减少膝关
节的劳损。
出院后注意事项
5.定时到医院复诊。 6.以后如身体患上其他疾病或遇到创伤
，必须告诉医生您曾接受全膝关节置换 术。医生会给您服预防性抗生素，以减 低膝关节受到病菌感染的机会 。
术前
术前
术后
术中
术中
术中
假体
假体
手术方法
1、采用瘤段切除+定制型铰链式全膝关 节置换，假体均采用骨水泥固定。
2、依据肿瘤性质及大小确定截骨距离， 并广泛切除肿瘤。
3、胫骨、股骨假体间有高分子聚乙烯垫 片。
4、保留髌骨，髌骨位置与股骨侧髌骨关 节面相对和，复位后无弹跳。
手术方法
并发症
腓总神经在矫正畸形时也可发生，发 生率约为5%。多为矫正畸形时牵拉所致， 多数可经非手术疗法恢复。
相关报道
Shaw 等报告初次置换时髌骨不稳的发生 率高达 21 %。
认为可能与假体设计不理想有关 ，因为 大多数假体滑车沟较浅且短，与髌骨的适 合性差，假体前方凸缘相对较平 ，加上 屈伸活动时非限制性的胫骨股骨的旋转， 都可能导致髌骨不稳。
康复锻炼
康复训练
最新人工关节发展简史_1
1950年 Moore在美国设计了自锁 式钴铬钼合金的股骨头假体。
1951年 Leventhal用钛股骨头， 进行尝试宣布骨可以长入钛合金假体。
1952年-1957年间Willse等人用冷 固化丙烯酸酯骨水泥进行动物试验获得 了大量数据，为人工关节的骨水泥技术 做出了贡献 。
三、现代人工髋关 节的发展阶段
（1958年~1970年）
1950年 Charnley进行了关节摩擦和润滑 机制研究的设想，做了动物试验，他认为生物 关节面，类似海绵具有弹性，内含滑液，使关 节保持低摩擦系数。那么采用润滑液润滑假体 关节面以获得低摩擦效应是不能的，应当寻求 低摩擦系数的生物材料来制作假体以达目的， 从而确立了人工关节低摩擦理论 。
60年代 人工髋关节置换术最严重的 并发症是感染，Charnley人工髋关节置 换术的感染率为7%，1966年Charnley 首先使用了空气层流净化手术间，个人 空气隔离系统，预防性抗生素，使术后 感染率大大降低。由于Charnley对人工 关节作出的重大贡献，被公认为现代人 工关节之父 。
四、骨水泥型与非 骨水泥型共同发展阶段
人工关节发展简史_1
什么是人工关节（又称人工假体）：
人工关节是以各种不同生物材料 制成的模拟人体解剖关节。如模拟肢 体骨干某一部分或椎体、人工股骨干 假体、人工肱骨干假体、人工椎体等。
1895年 Jones设计了金铂关节成形术。
1910年 德国Dethert用橡胶假体施行了 全髋关节置换术。
膝关节假体
全膝关节假体历史现状未来全膝关节假体历史现状未来现代人工膝关节置换术成功的三人工膝关节置换术成功的关键因素个关键因素植入材料假体设计手术技术假体设计假体设计发展的循环临床植入发现问题膝关节置换兴起的重要外部条件1960——PMMA 固定开始流行 1963——UHMWPE 开始应用1971——FDA 批准PMMA 应用膝关节置换的重要问题¾成功用于人工髋关节的假体材料是否能够满足膝关节高负荷及关节形态和运动学复杂的要求？¾如果材料方面没有问题，人工膝关节该采用何种几何形态、固定方式和手术技术？Polycentric 膝关节假体Frank Gunston ，加拿大 1960’s 后期引入 1970’s 后期报告结果 ACL/PCL 保留 PMMA 固定Polycentric 膝关节假体Geomedic 膝关节假体Geomedic 膝关节假体现代膝关节假体的发展Polycentric 膝关节Geometric 膝关节现代全膝关节表面置换功能重建解剖重建功能重建现代膝关节假体的发展用工程学的方法解决复杂的膝关节运动学问题 切除交叉韧带解剖重建保留全部或大多数膝关节软组织限制性结构 固定性关节面，以避免与限制性软组织的冲突活动关节面Freeman ‐Swanson 膝z 铸造CoCr 合金z UHMWPE z 全聚乙烯胫骨z 单一型号z 无手术技术z 无手术器械z 1970年3月伦敦植入第一例Freeman‐Swanson膝1966-1968，英国伦敦London Splint Company（后被Howmedica收购） “condylar total knee”y引入三个重要概念：1，切除ACL/PCL2，股骨髁单一半径设计3，胫骨假体安放在平坦的松质骨截面上Freeman的膝置换技术采用MacIntosh的概念——假体应充填关节间隙，以矫正畸形和重建韧带张力 平面直角截骨——简化手术操作股骨与胫骨髓内定位伸膝空间与屈膝空间需平行与一致，引入了间隙测量器初起时需行髌骨切除，后放弃开始时的股骨髁假体无髌骨滑车沟ICLH膝Freeman‐Swanson膝I mperial C ollege L ondon H ospital kneep g p¾1974年¾增加了长而平的髌骨滑槽¾由瑞士Protek公司和美国Howmedica公司推出Freeman和InsallFreeman和Insall1950：Corpus Christie College, Cambridge, UK 1953：London HospitalFreeman Insall英国，伦敦医院美国，HSS HSS膝关节研发小组1966:Harlan Amstutz,Biomechanics and Biomaterials Laboratory at HSS1969:Peter Walker(Leeds)加入(UCLA)1970:Amstutz(UCLA),Walker领头1970年12月:Peter WalkerJohn InsallChitranjan RanawatAlan InglisHSS膝关节研发小组Peter WalkerJohn InsallChitranjan RanawatHSS膝关节第一款HSS髁型膝关节假体:Duocondylar 1970年12月推出:Cintor Division of CodmanHowmedica1971年12月:植入第一例术者:Ranawat一助:Insall二助:Joseph Hoffman在场:WalkerDuocondylar膝关节z模拟解剖,对称型,骨水泥固定z ACL/PCL/保留z无髌骨滑槽z股骨内外髁平行,相连z胫骨平台假体是分离的两块Duocondylar膝关节从Duocondylar获得的结论z需考虑髌股关节z植入单一形号的假体要符合不同的个体解剖是困难的,特别是在有明确畸形时z保留胫骨髁间嵴和ACL/PCL干扰了对膝关节畸形的矫正z两块分离的胫骨平台骨水泥固定起来不如整体性的假体容易Duocondylar膝的发展Duocondylar膝关节解剖重建膝功能重建膝Duopatella膝Total Condylar膝Duopatellar膝Total Condylar膝研发者:Insall,Walker,Ranawat影响者:FreemanTotal Condylar膝胫股假体更加形合对称性股骨髁设计额状面曲率更加符合正常解剖 股骨滑车槽ACL/PCL切除髌骨假体单块聚乙烯胫骨带短柱Total Condylar膝1973年9月,TC膝已设计定型无任何专利保护Cintor Division of CodmanHowmedica两家同时推出1974年2月,HSS第一例植入,InsallTotal Condylar膝Insall：¾研发手术器械¾采用Freeman的概念和技术：直角截骨，伸屈间术：直角截骨，伸、屈间隙平行和一致¾强调软组织松解和矫正力线的重要性；提出了内侧松解和外侧松解技术¾常规置换髌骨Total Condylar膝Total Condylar被认为是第一个获得长期优良临床效果的人工膝关节系统Insall和Burstein Burstein的加入1975年，Walker离开HSS，加入Cintor Divisionof Codman，1976年成为Howmedica的研发主管月Case Western Reserve University1976年5月，来自Case Western Reserve University的Albert Burstein加入HSS，成为生物力学部主任Burstein带来了一个工程师团队，并很快与Insall建立了良好的合作关系。
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1973年，Insall等人设
计了全髁型膝关节假体，通
过临床应用，效果十分明显 10年以上优良率在90%以 上。他的原型设计至今仍在 应用，并成为衡量其他类型 膝关节假体临床效果的金标 准（Golden Standard）。
其设计特点：
1、股骨髁部采用钴基合金，且两髁之 间留有滑槽，供髌骨滑动并防止其脱位。
人工膝关节发展简史
一、早期探索阶段
（1860年-195成功的研制 了多中心膝假体,首次将膝关节功能解 剖和生物力学原理应用于假体设计,也 是第一个采用金属--高分子聚乙烯材 料组合的人工膝关节,用骨水泥固定具 有 划 时 代 的 意 义 , 所 以 Gunston 被 公 认为现代人工膝关节假体的创始人 。
2、胫骨平台为超高分子聚乙烯与股骨 髁部部件匹配良好，灵活而稳定。
3、不保留交叉韧带。即所谓表面置换 假体中的后稳定型。此类型假体目前成 为临床人工膝关节表面置换的最为广泛 者 。 如 美 国 的 Zeimer 公 司 出 品 的 Nexgen高屈曲度人工表面膝关节假体 最具代表性，它可以屈曲155º。
4、减少髓内长柄和骨水泥的应 用,避免死腔,严防和降低感染。
5、标准的假体置入技术。 6、假体设计要求有5º超伸和 90º的活动范围。 7、提供一定范围的旋转。 8、限制膝关节各个方向的过度 活动，应依靠周围的软组织，特别 是内外侧副韧带。
以上这8个观 点，成为现代 膝关节假体设
计的理论基础。
此后出现了许多类型的非限制膝关节假体 ，如几何型假体、解剖型假体、单髁型假 体、全髁型假体、旋转滑动型假体、低接 触应力膝关节假体、组合式假体等等。在 临床上广泛应用，都取得了很好效果，但 它要求关节周围软组织条件要好，特别是 内外侧副韧带、交叉韧带这些膝关节的稳 定装置要好，但事实是临床很多病人，畸 形、屈曲畸形严重，后关节囊挛缩更为明 显，如果交叉韧带、特别是后交叉韧带， 如果不彻底切除，松解、手术肯定失败。
1973 英 国 Freeman 在 总 结 前人工作基础上，提出了人工膝 关节假体的几个设计原则。
1、便于翻修。 2、为减少松动，假体应设计 成非限制型或半限制型，以减少 扭转，侧方应力集中，传递到假 体和骨组织接触的交接面。最大 限度的增加承力部分的假体与骨 组织接触面积。 3、采用金属-聚乙烯低摩擦界 面，降低假体磨损，增加接触面 积，减少单位面积上的负荷。
在国际上为了纪念Insall的功劳，
成立了Insall Club，在中国也成立
了中国Insall Club，定期召开学术会 议，专门研讨。人工膝关节表面置换 术的发展、提高。在美国目前每年有 20--30万人进行膝关节表面置换，大 有超过髋关节置换的趋势。
在我们中国13亿人口中，每年进行髋 关节置换者大约仅4万名，膝关节置换 仅4000名，说明中国在人工关节置换 术这一专业方面存在巨大的商机，我们 骨科医生大有用武之地。而必须提到的 一点是，近年来人工膝关节置换术获得 的成功还有一个很重要的因素，那就是 根据生物力学的原理设计的先进安装工 具，每个类型都有自己的专用工具，保 证假体术后能获得最佳的效果（解剖、 功能、纠正畸形、消除疼痛）。