旋转铰链型膝关节假体股胫关节面的磨损研究

目的 研究旋转铰链型膝关节假体在水平行走步态下的磨损状况，为该类假体的磨损评测和临床应用提供技术参考。方法 基于ISO 14243标准建立假体的磨损模型，计算旋转铰链型膝关节假体股胫关节面衬垫的磨损分布及质量磨损率，并与同一假体的体外磨损实验结果对比。结果 有限元分析和体外实验所得聚乙烯衬垫磨损率分别为26.01 mg/MC与（30.06±1.21） mg/MC（million cycle, MC,百万次循环）。有限元分析所得衬垫上表面的质量磨损率约为下表面的3.3倍，磨损区域与体外磨损测试所得的磨损区域基本一致，主要磨损区域大致对称分布在衬垫的上表面后侧偏中部区域。结论 旋转铰链型膝关节假体作为一种半限制性假体，其磨损量高于初次置换全膝关节假体，在该类产品的性能检测和评估中应该给予适当的重视。 

材料和方法

1.有限元模型

采用爱康宜诚医疗器材公司设计的一款新型旋转铰链型膝关节假体［见图 1(a)］作为研究对象进行建模。使用 UG 10. 0(Siemens PLM Software 公司，美国)对股骨髁、胫骨平台、聚乙烯衬垫和铰链结构进行几何三维模型的建立。导入 ABAQUS /Standard 6. 14(SIMULIA 公司，美国)中进行装配，建立假体几何模型［见图 1(b)］。股骨髁、胫骨平台和销轴使用钴铬钼合金的属性进行赋值，弹性模量为 193 GPa，泊松比为 0. 45，密度为 9 000 kg /m3;衬垫和芯轴使用超高分子量聚乙烯材料模拟，弹性模量为 1 016 MPa，泊松比为0. 46，密度为 940 kg /m。

所有材料性能都假定为线性弹性。为了保持网格的稳定，采用六面体网格对衬垫进行划分，单元类型为 C3D8Ｒ。股骨髁和胫骨平台简化为刚体，采用四面体网格进行划分，单元类型为 C3D10M。设置所有的接触面均为罚函数接触，法向接触为硬接触，切向接触的库仑摩擦系数为 0. 04。根据 ISO 14243-3 对模型进行加载与边界约束。考虑到该标准针对全膝置换关节假体，有 4 个自由度，而本文采用的旋转铰链型膝关节假体只有3 个自由度，故只保留标准中的轴向力、屈曲伸展和内外旋转。胫骨平台远端固定，但允许在水平面上的内外旋运动。股骨髁释放轴向力和屈曲伸展这两个自由度。

2.磨损模型

采用经典的 Archard 磨损理论对旋转铰链型膝关节假体胫股关节面进行磨损的有限元模拟，其线性磨损可表示为:H = kpS其中，H 为 线 性 磨 损 深 度 ( mm); k 为 磨 损 因 子(mm/N2);p 为接触应力( N/mm2);S 为滑移距离(mm)。接触应力和滑移距离均是从力学模型结果中直接提取得到的参数。磨损子程序以衬垫上下表面的单元节点、单个增量步为单位，提取单元节点在增量步内的平均接触应力和相对滑移距离，使用 Archard 公式计算每个增量步内的线性磨损深度，循环累计求和得到1 个分析步的线性磨损深度，进而获得 5 MC 累积磨损量。参考 Wang 等［24］研究，取 1. 065 6×10－9mm2 /N作为磨损系数进行计算，该数值也是人工关节聚乙烯磨损有限元分析中经常采用的系数［25］。

3.体外实验

借鉴采用 ISO 14243-3 的磨损测试方法和模拟试验设备，选取 4 组测试样件进行 5 MC 周期的磨损测试，其中 3 组为实验组，1 组为对照组。实验组通过 ADL 膝关节模拟试验机(AMTI 公司，美国)对测试样件进行轴向加载，并模拟正常人体运动模式，包括屈曲运动、内外旋转、股骨髁前后移动等;对照组只施加轴向载荷，股骨部件与衬垫不发生相对运动，作为磨损质量变化的参照。分别在 0. 5、1、2、3、4、5 MC 时暂停磨损加载，取出聚乙烯测试样件进行称重测量，记录磨损量。待 5 MC 磨损试验结束后，总结分析各组磨损数据。

参考文献：张霁,刘昆玺,周星辰,唐佳伟,朱晓雨,赵峰,樊瑜波.旋转铰链型膝关节假体股胫关节面的磨损研究[J].医用生物力学,2022,37(04):591-596.DOI:10.16156/j.1004-7220.2022.04.003.

免责说明：文章仅供交流学习，版权归原作者所有。如有涉及版权，请联系删除！