仿生表面髋关节假体生物力学性能的有限元分析

目的:比较传统表面髋关节假体和仿生表面髋关节假体的生物力学性能。方法:选用Sawbone数字模型（型号3908，左侧，中号）作为研究对象，通过Mimics 21.0软件重建股骨实体化模型，利用Solidworks 16.0软件建立假体模型，包括传统和仿生（1~4型）表面髋关节股骨侧假体的三维模型并装配，其中仿生1~4型假体螺钉交叉位置距压力螺钉顶部分别为20.22 mm、30.12 mm、32.17 mm和37.76 mm。在Workbench 18.2软件中划分网格并对材料赋值，模拟缓慢行走单足负重下的受力，测量整个模型的力学分布特征并得到应力分布云图。结果:传统和1~4型仿生表面髋关节股骨侧假体的骨-假体柄交界处峰值应力分别为32.18 MPa、13.80 MPa、15.01 MPa、23.46 MPa和34.51 MPa。随着交叉处远离股骨顶部，1~4型仿生表面髋关节股骨侧假体的交叉处峰值应力分别为37.98 MPa、48.60 MPa、54.80 MPa和53.87 MPa。传统假体和1~4型仿生表面髋关节假体股骨颈上方应力峰值分别为8.00 MPa、7.80 MPa、7.04 MPa、7.03 MPa和7.51 MPa，股骨颈下方应力峰值分别为15.38 MPa、14.20 MPa、11.11 MPa、13.10 MPa和12.18 MPa，股骨大转子应力峰值分别为13.08 MPa、11.61 MPa、13.09 MPa、11.02 MPa和39.51 MPa。结论:与传统表面髋关节假体相比，基于杠杆平衡重建理论设计的类型1仿生表面髋关节假体通过仿生重建主张力骨小梁和主压力骨小梁、合理的置钉角度和更接近股骨头中心的支点内移，弥补了传统表面髋关节假体的设计缺陷，优化了股骨近端的应力分布，提高了置换术后假体的稳定性，有助于降低股骨颈骨折和假体松动的风险，延长假体使用寿命。