人工髋关节假体的设计及界面应力分析
人工全髋关节置换的假体固定方式及摩擦界面的选择
人工全髋关节置换的假体固定方式及摩擦界面的选择闫新峰;张明【摘要】@@ 人工全髋关节置换术(THA)是治疗晚期股骨头坏死、晚期髋关节骨关节炎、髋臼发育不良并骨关节炎等引起的髋关节疼痛和功能障碍,以及强直性脊柱炎引起的髋关节强直等髋关节疾病的最有效的手术治疗方法.随着材料科学的发展、人工假体设计的变化和外科技术的提高,人工髋关节的耐磨性能、假体固定的牢固程度及术后的恢复速度有了极大提高.人工髋关节假体的多样化为手术的个体化创造了条件,同时也带来了如何更好地选择假体的间题.【期刊名称】《山东医药》【年(卷),期】2011(051)019【总页数】2页(P107-108)【作者】闫新峰;张明【作者单位】山东省千佛山医院,济南,250014;山东省千佛山医院,济南,250014【正文语种】中文人工全髋关节置换术(THA)是治疗晚期股骨头坏死、晚期髋关节骨关节炎、髋臼发育不良并骨关节炎等引起的髋关节疼痛和功能障碍，以及强直性脊柱炎引起的髋关节强直等髋关节疾病的最有效的手术治疗方法。
随着材料科学的发展、人工假体设计的变化和外科技术的提高，人工髋关节的耐磨性能、假体固定的牢固程度及术后的恢复速度有了极大提高。
人工髋关节假体的多样化为手术的个体化创造了条件，同时也带来了如何更好地选择假体的问题。
人工全髋关节一般由四个部件组成:髋臼杯、内衬、股骨头、股骨柄。
假体固定方式的选择是对髋臼杯和股骨柄如何与骨牢固固定而言的;摩擦界面(轴承面)的选择是对内衬和股骨头而言的。
1 假体固定方式的选择1.1 骨水泥固定和生物固定骨水泥固定是在安装时假体与骨床之间充填骨水泥，使骨水泥与骨面结合并形成骨水泥壳，将假体固定在水泥壳中。
非骨水泥生物学固定是假体与骨床直接接触，通过不同方式的结合达到固定目的。
两者的争论贯穿于人工关节的发展全过程，但是不可否认，骨水泥的应用和金属对聚乙烯界面的应用是 Charnley对人工髋关节置换划时代的两大贡献。
髋关节假体材料及界面选择
髋关节假体材料及界面选择河北医科大学第三医院作者：陈百成髋关节假体材料及界面选择经过近百年的发展，人工髋关节置换术已经成为治疗非感染性髋关节疾病终末期的最佳方法之一，具有能够缓解疼痛、改善关节功能、恢复关节的稳定和功能等优点，已经得到广大患者的认同，并迅速推广。
但随着初次置换数量的不断增加，每年因各种原因导致手术失败需要翻修的数量也在不断增加。
人工假体的磨损及松动问题促使关节外科医生对髋关节假体材料及界面的选择进行深入的研究。
一、髋关节假体材料的应用分析人工髋关节是受力复杂的负重关节，同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及反复疲劳、磨损的综合作用，每年要承受100 万~300 万次循环的体质量负荷并且由于其长期植入体内，要经受体液的腐蚀作用。
鉴于特殊的使用环境，假体材料要满足以下基本要求：1、生物相容性好。
即生物材料能被人体组织所接受、且对人体无毒、无排异反应等。
2、生物力学相容性好。
人工关节材料与骨骼的弹性模量、热膨胀性能及其强度应尽量一致，才能将应力通过人工关节材料-组织界面进行有效传递。
3、生物结合性能好、固定好：即要求人工关节与周围的骨组织结合良好、不发生相对移动和下沉等。
4、寿命长。
人工关节一般设计寿命为20~50 年。
超高分子量聚乙烯由于良好的生物相容性、低摩擦系数、费用低廉以及较好的抗磨损性能而成为制造人工关节假体的常用材料。
但聚乙烯假体的最大问题是材料磨损以及产生的磨损颗粒。
在关节活动过程中假体表面发生形变是聚乙烯假体磨损产生微米和亚微米颗粒的核心特征之一。
目前国内外学者就聚乙烯使用中的磨损问题进行大量的实验研究，对聚乙烯进行表面改性，主要利用辐射交联和离子注入等表面处理技术，改变聚乙烯的表面分子结构、物理和化学特性，达到提高抗磨损性能和生物力学相容性的目的。
Martell 等研究发现，体内常规聚乙烯线型磨损0.21mm/年，而高交联聚乙烯则仅为0.14 mm/年。
金属材料是制造人工关节假体的重要材料，主要有不锈钢、钴钼合金、钴铬钼合金、钛合金等。
人工髋关节摩擦界面的选择
人工髋关节摩擦界面的选择钱文伟【期刊名称】《中国组织工程研究》【年(卷),期】2015(000)048【总页数】1页(P7832-7832)【作者】钱文伟【作者单位】中国医学科学院北京协和医院骨科【正文语种】中文1891年，Gluck第一个将象牙制作的髋关节植入人体；1923年，Smith-Petersen引入“铸模关节置换术”概念；1937年，Venable和Stuck研制出钴-铬-钼合金；20世纪50年代，John Charnely提出“低摩擦人工关节理论；1958年，John Charnely将骨水泥首次用于股骨柄假体的固定；1962年，John Charnely将高分子聚乙烯首次植入人体；1970年，Boutin引入陶瓷髋关节。
摩擦学基本原则？为什么要选择和如何选择？2.1 摩擦学的基本原则所有的表面均有粗糙度，只是程度不同；关节中有滑液和假性滑液；人工关节的功能为负重和运动(图1)。
界面的摩损包括黏附磨损、腐蚀磨损和颗粒磨损。
界面润滑包括边界润滑、混合润滑和液膜润滑。
与人体髋关节接近的是液膜润滑，摩擦系数＜ 0.01。
陶瓷对陶瓷界面(0.04)和陶瓷对金属界面(0.05)理论上是可以实现液膜润滑的，金属对聚乙烯界面、陶瓷对聚乙烯界面和金属对金属界面是等多种润滑方式混合。
磨损碎屑：聚乙烯磨屑直径0.1-0.5 μm，可诱发巨噬细胞吞噬反应，导致无菌性松动。
金属磨屑直径6-744 nm，可诱发无菌性淋巴细胞性血管炎、炎性假瘤，是否增高肿瘤风险尚不明确？陶瓷碎屑直径5-90 nm不等，几乎不诱导产生肿瘤坏死因子，生物惰性最佳。
2.2 摩擦界面材料的体内特性①聚乙烯在体内退变：氧化、腐蚀、相变均会导致退变。
在惰性气体中使用γ射线或电子束照射消毒、增加聚乙烯的交联度、添加维生素E等抗氧化剂可增加聚乙烯的耐磨性。
②陶瓷的断裂风险：1990年前陶瓷头断裂率13.4%，第三代氧化铝断裂率0.004%，第四代陶瓷断裂率0.002%。
人工关节的设计与性能评估
人工关节的设计与性能评估近年来，随着人口老龄化的加剧和运动损伤率的增加，人工关节的需求越来越大。
人工关节作为一种替代性治疗手段，通过模拟天然关节的运动方式和功能，可以帮助患者减轻疼痛，恢复活动能力，提高生活质量。
本文将探讨人工关节的设计原理、材料选择以及性能评估等方面的内容。
一、人工关节的设计原理人工关节的设计是通过理解天然关节的结构和运动方式，将相对应的原理应用到人工关节的设计中。
关节由骨头、软骨、韧带等组织构成，因此人工关节在设计上要充分考虑这些因素。
首先，骨头的形状需要与人体解剖结构相匹配，以确保人工关节植入后的稳固性和适配性。
关节表面涂覆有生物活性物质，以促进骨头与人工关节的结合，提高植入效果。
其次，软骨的特性决定了人工关节在运动时的摩擦和耐磨性。
为了模拟天然关节，人工关节材料的选择至关重要。
目前常用的材料包括金属合金、陶瓷和聚乙烯等。
金属合金具有强度高、耐磨性好等优点，但摩擦系数较大；陶瓷具有良好的生物相容性和摩擦性能，但较脆弱；聚乙烯具有良好的减震效果，但耐磨性较差。
因此，设计人工关节时需要综合考虑不同材料的特点，权衡其利弊。
最后，韧带的作用在人工关节中同样需要考虑。
韧带的主要功能是保持关节的稳定性和运动的平衡性。
为了实现这一点，人工关节的设计要有合理的关节几何形状，使之能够模拟韧带的作用。
二、人工关节材料的选择人工关节的材料选择是关系到人工关节性能的重要因素。
不同材料具有不同的特点，因此需要根据患者的病情和需求来选择适合的材料。
金属合金是目前最常用的人工关节材料之一。
其具有强度高、稳定性好和寿命长的优点，但与骨头的匹配性较差，可能引起骨质疏松。
陶瓷材料具有良好的生物相容性和耐磨性，但较脆弱，容易发生断裂。
聚乙烯具有较好的减震效果，但耐磨性较差。
为了解决以上问题，研究人员不断探索新的材料。
目前，一种新型的复合材料——碳纳米管增强聚乙烯已经应用于人工关节的设计中。
该材料具有优异的机械性能和生物相容性，同时兼顾了减震和耐磨性能，可望在人工关节领域发挥重要作用。
人工髋关节股骨柄假体设计的若干基础
代表性的假体
Exeter (Stryker)
CPT
CPCS(Smit
(Zimmer) h&Nephew)
Logica (Lima)
C-Stem (Depuy)
Nelissen用立体X线（RSA）测得1年内的假体平均下沉为 0.9-1.4mm, 回位0.4-0.5mm，同期骨水泥无下沉，或仅轻 微下沉，此后假体趋于稳定而不再下沉。
或称 锥形载荷 (loaded tapers design )
形态匹配型 （shape-closed design， SCD）
或称组合梁 （composite beam design）
力学匹配型假体
假体近端无颈领设计 ,
表面光滑,远端采用
设
充气型中置装置
计
特
点
假体冠状面，矢状面
和横断面均呈锥形
可获得假体的再稳定,有效 避免股骨近段的应力遮挡
同上
同上
<1% 同上
100% 100%
人工髋关节股骨柄假体设计 的若干基础
孙俊英 苏州大学附属第一医院骨科
引言
全髋置换术(THA)能有效恢复终极病变髋关节的功 能
选择不同设计的股骨柄假体对THA术后的疗效常产 生重要影响
各类股骨柄
假体的几何 形态设计
重
点
阐
各类股骨柄
述
假体的表面
设计
股骨柄假体 置入的髓腔
处理
第一部分
骨水泥型股骨柄（cemented femoral stem, CFS）假体的设计
Zweymuller( Plus)
C2Stem (Lima)
BetaCon (LINK)
Profemur-Z (Wright)
髋关节假体材料与界面选择
髋关节假体资料及界面选择河北医科大学第三医院作者：陈百成髋关节假体资料及界面选择经过近百年的发展，人工髋关节置换术已经成为治疗非感染性髋关节疾病终末期的最正确方法之一，拥有能够缓解痛苦、改良关节功能、恢复关节的稳固和功能等长处，已经获得广大患者的认可，并快速推行。
但跟着首次置换数目的不停增添，每年因各样原由致使手术失败需要翻修的数目也在不停增添。
人工假体的磨损及松动问题促进关节外科医生对髋关节假体资料及界面的选择进行深入的研究。
一、髋关节假体资料的应用剖析人工髋关节是受力复杂的负重关节，同时蒙受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及频频疲惫、磨损的综合作用，每年要蒙受100万~300 万次循环的体质量负荷并且因为其长久植入体内，要经受体液的腐化作用。
基于特别的使用环境，假体资料要知足以下基本要求：1、生物相容性好。
即生物资料能被人体组织所接受、且对人体无毒、无排异反响等。
2、生物力学相容性好。
人工关节资料与骨骼的弹性模量、热膨胀性能及其强度应尽量一致，才能将应力经过人工关节材料- 组织界面进行有效传达。
3、生物联合性能好、固定好：即要求人工关节与四周的骨组织联合优秀、不发生相对挪动和下沉等。
4、寿命长。
人工关节一般设计寿命为 20~50 年。
超高分子量聚乙烯因为优秀的生物相容性、低摩擦系数、花费便宜以及较好的抗磨损性能而成为制造人工关节假体的常用资料。
但聚乙烯假体的最大问题是资料磨损以及产生的磨损颗粒。
在关节活动过程中假体表面发生形变是聚乙烯假体磨损产生微米和亚微米颗粒的核心特色之一。
当前国内外学者就聚乙烯使用中的磨损问题进行大批的实验研究，对聚乙烯进行表面改性，主要利用辐射交联和离子注入等表面办理技术，改变聚乙烯的表面分子构造、物理和化学特征，达到提升抗磨损性能和生物力学相容性的目的。
Martell 等研究发现，体内惯例聚乙烯线型磨损年，而高交联聚乙烯则仅为 0. 14mm/年。
金属资料是制造人工关节假体的重要资料，主要有不锈钢、钴钼合金、钴铬钼合金、钛合金等。
人工髋关节不同材料假体对骨界面的应力分布研究
人工髋关节不同材料假体对骨界面的应力分布研究（作者： _________ 单位：___________ 邮编：__________ ）【摘要】通过计算机三维有限元方法，了解在应力状态下不同材料的人工髋关节假体组合对骨界面的应力分布规律，从生物力学角度为人工髋关节的临床应用和设计制造提供有益的参考。
［方法］采用三维有限元法对全髋置换前后进行单髋站立生物力学测试，分析假体植入前后股骨和髋臼总体的应力模式和植入后各种组合的假体对骨界面的应力分布规律。
［结果］1、各种假体置换后等效应力（von Mises ）峰值均位于假体远端相应股骨区域，但应力峰值有所下降，以股骨距区下降最为明显，遮挡率最大，而以弹性模量较钛合金低的CFR/PSF 作为柄的股骨的相应区域的遮挡率较低。
2、各种组合的假体对股骨界面的应力从近端至远端均呈逐渐增高趋势，而对于相同的柄比较而言，不管是金属-金属、陶瓷-陶瓷、陶瓷-聚乙烯还是金属-聚乙烯组合，其相应界面应力值无明显差别（P0O5），但以CFR/PSF作为柄对股骨相应界面存在较高的应力。
3、置换前在髋臼顶穹部存在较高应力，并逐渐向周围递减；置换后应力主要集中在髋臼的周边区域，但从髋臼顶部-后下-前下呈逐渐递减趋势；而在相同区域的不同组合其界面应力值无明显差别(P0]05)。
[结论]1、各种假体植入后均在股骨距处形成较高的应力遮挡，而用弹性模量较低的CFR/PSF 作为柄，其股骨相应区域的应力遮挡率较低，但股骨相应界面应力较大，而界面应力过大是产生假体微动主要因素。
2、股骨界面从近端至远端呈逐渐增高趋势的应力规律符合该假体的设计原理；相同假体柄的不同组合其股骨和髋臼相应界面应力值无明显差别，实验表明力学因素并不是选择假体组合的主要标准。
【关键词】髋假体应力物理生物力学有限元Abstract [ Objective ] To study the stress distributen rule of artificial hip prothesis combined with different materials under the stress condition, with the help of three-dimesional (3D) finite element analysis (FEA) ] [ Methods ] 1_Three-dimesional (3D) finite element analysis was used to test biomechanics of total hip replaceme nt by sin gle pelvic sta nding [ Global stress mode of femur and acetabular of prosthesis impla ntatio n and stress dispositi on of prosthesis exerti on on the bone in terface were also measured _ [Results ] Equivale nt stress peak value all located at the distal end of corresponding femoral bone area after various kinds of prosthetic replacement, but decreased to some extent, most obviously inthe calear femorale, with the maximum dodge rate_ The dodge rate of femur was lower in corresp onding area that used CFR/PSF as handle which elastic modulus was lower than that ofTi alloy 2 Stress of differe nt kinds of prosthesis in creased gradually on femoral bone in terface from proximal to remote end, but the stress value of corresp onding in terface had no differe nee in the same area with the same material prosthesis(P0 ]05)] The corresp onding in terface showed higher stress whe n use CFR/PSF as han die] 3[ Before the replaceme nt, higher stress force was found in the fornix of acetabular top, and decreased gradually toward around After the replaceme nt, the stress force concentrated in the perimeter area of acetabular, and decreased from top area to poster oin ferior to anteroin ferior [ The stress valueof corresp onding in terface in differe nt comb in ati on in the same area had no differenee (P0[05)] [Conclusion ] 1 It showes a higher stress dodge in the calcar femorale after using various kinds of prosthesis implantation || After using CFR/PSF of lower elastic modulus as han dle, the stress dodge rate is lower in femur, but the in terface stress is higher, and this is the mai n factor and reas on for the prosthesis loosening [ 2] The stress force rule meets the design principle that the stress force decreases gradually in the bone in terface from proximal to distal [ The stress value in differe nt comb in ati on of sameprosthesis han dle has no sig ni fica nt differe nee, that showes mecha ni cal factor is n ot the main sta ndardfor select ing prosthesis comb in atio n ||Key words : hip prosthesis;stress force/physics;biomechanics用nite element全髋关节置换术（total hip replacement，简称THR）是公认的治疗髋关节疾病的安全有效的方法。
髋关节置换技术——髋臼假体界面的选择
36
36
36
36
32
X3
28
28
28
Polyethylene
XL Polyethylene 22
28
28
Modified MoM
Alumina on alumina ceramic
高磨损
假体生存率
低磨损
不同界面体内的线性磨损率
方向1: 陶瓷对陶瓷
陶瓷对陶瓷
平均线性磨损0.016mm/y (Jazrawi LM, J Athroplasty,1999) Delta 新型陶瓷，可以容纳36mm、32mm股骨头
高交联聚乙烯 Martell研究发现
体内常规聚乙烯线型磨损0.21mm/y 高交联聚乙烯0.14/y
建议策略
大头陶瓷对高交联聚乙烯 降低磨损，避免陶瓷碎裂、
异响及Chipping
有待临床检验
17
方向3：金属
材料和工艺得到很大改进 合适的clearance
合适的接触摩擦 良好的润滑性能
陶瓷关节的优缺点
Pros 优点
Cons 缺点
超低磨损(超硬度,抗划伤, 脆性材料,碎裂几率
表面品质,材料的浸润性) 设计局限
最佳的生物相容性(无腐 (标准衬,氧化铝无XL径长)
蚀,无金属离子,低生物反应) 关节异响?
低骨溶解发生率 假
(报道多见于美国/澳洲)
体存留率
手术技术
良好的机械强度
➢ 第二层羟基磷灰石涂层：厚约 60µm，可以更好地诱导骨长入
提供最坚实的础骨长入基础
➢ HA初期诱导骨长入，使骨组织 快速长入到微孔结构的间隙中
➢ HA分解后，骨骼以三维的方式 长入微孔中，接触面积更多， 固定强度更大
不同材料人工髋关节假体对骨界面应力分布及生物力学的影响
不同材料人工髋关节假体对骨界面应力分布及生物力学的影响李宁远;龚亚莉;刘煊文;周强【期刊名称】《中国组织工程研究》【年(卷),期】2016(020)009【摘要】背景：髋关节置换过程中可以使用不同材料的假体,不同的假体组合会产生不同的生物力学效果和骨界面应力分布。
目的：探讨不同材料人工髋关节假体对骨界面的应力分布及生物力学的影响。
方法：对志愿者进行髋部CT扫描,所得图像资料以DICOM格式进行保存,并利用MIMICS软件进行处理,导入ANSYS获得股骨三维有限元模型。
对股骨材料属性进行赋材质,获得股骨赋材质三维有限元模型。
选择3种不同的置换假体材料（钴铬钼合金、钛合金以及复合材料）,结合实际关节置换的具体要求,在CAE软件中对不同类型假体予以设计,得出相应的假体模型。
按照STL格式将构建的假体模型导入MIMICS中,对股骨与假体进行装配。
对不同假体关节置换后的应力情况进行分析,分别对3种假体在置换后对应完整股骨中下部应力集中区内外侧、小转子右下方30 mm、股骨近端小转子右侧的应力遮挡率进行计算。
结果与结论：通过三维有限元分析,建立了直观、精确的股骨模型以及假体三维模型。
按照实际情况对股骨三维有限元模型进行赋材质,获得相应的模型,从而更加直观的展现出股骨内部不同材质的属性,并对钴铬钼合金、钛合金、复合材料3种假体置换后的股骨应力进行了模拟。
结果发现,应力遮挡率在股骨中下端股骨会出现下降的情况,置换后股骨远端部位应力高于完整股骨应力水平。
提示使用钴铬钼合金、钛合金、复合材料3种置换假体进行髋关节置换后均会出现一定的应力遮挡情况。
其中复合材料假体与人体的实际生理环境更为接近,可以有效减少应力遮挡作用,有利于应力从假体传导至股骨上。
【总页数】7页(P1268-1274)【作者】李宁远;龚亚莉;刘煊文;周强【作者单位】成都三六三医院骨科,四川省成郜市610041【正文语种】中文【中图分类】R318【相关文献】1.不同材料人工关节磨损颗粒对假体--骨界面骨形成影响的比较研究 [J], 蔡谞;王继芳;卢世璧;赵斌;张笑明;侯宁2.人工种植牙直径对骨界面应力分布的影响 [J], 邹敬才;刘宝林;唐文杰3.不同材料人工髋关节假体对骨界面应力分布及生物力学的影响 [J], 李宁远;龚亚莉;刘煊文;周强4.影响人工种植牙-骨界面应力分布规律因素的多元逐步回归分析 [J], 邹敬才;刘宝林;唐文杰;肖光裕5.人工髋关节不同材料假体对骨界面的应力分布研究 [J], 林凤飞;郑明;林朝晖;宋卫;林清坚;谢建荣;陈日齐因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
人工髋关节置换假体知识
Biomet Hip Products
Poly Liner （聚乙烯内 衬 ） 聚乙烯内 衬 材料特性带来的临床问题： 1、磨损率：硬度 2、氧化度：自由基引起 磨损---内衬变薄---内衬损坏---手术失败 磨损---磨屑产生---骨溶解---手术失败 氧化---内衬脆性增大，分层、碎裂等---手术失败
Primary 初次手术股骨柄: Cemented （骨水泥柄）Bi-Metric （UK）I 型（3°） Cementless （生物柄） Bi-Metric X（US） Echo Bi-Metric （US） I 型
Revision 翻修手术股骨柄: Cemented （骨水泥柄）Bi-Metric HD/NK Cementless （生物柄） Mallory-Head 系列股骨矩替代型 Arcos Module 系列
Ringloc Arcom ： 10°防脱位，高边 Arcom XL: 第二代超高交联聚乙烯（标准，高边） Exceed ABT ：第四代DELTA陶瓷衬
Arcom： 22,28 头 Arcom XL: 22,28,32,36 头 ABT 陶瓷衬：28,32,36 陶瓷头
Biomet Hip Products
1962年，Charnley爵士将聚乙烯用于人工髋关节手术，但是 聚乙烯磨损引发的骨溶解，最终造成假体松动是主要的问题。 如何解决这个问题也成为各制造商努力地方向。 在聚乙烯的磨损中，髋关节的磨损机制主要是颗粒磨损，而膝 关节的磨损机制主要是撞击、挤压和疲劳分层磨损 基于此，首先对树脂材料进行选择：目前多使用 GUR 1020和 1050 ， 它们的区别在于分子量的大小，1020的分子量更小。 使得分子链结构较紧密，更易抵抗冲击和抗疲劳，所以GUR 1020只用于膝关节，而髋关节采用GUR 1050为原料。