非骨水泥人工髋关节股骨假体柄力学相容性相关研究

摘要

[目的]
　　 1.非骨水泥人工髋关节股骨假体柄的外形设计多种多样。目前尚没有证明一种外形是最优化的设计。本研究从假体的初始稳定性、界面应力分布以及假体周围骨组织内应力分布等方面综合评价不同非骨水泥人工髋关节股骨假体柄的外形设计的应力分布特点,为临床治疗选择假体提供依据。
　　 2.目前假体的力学相容性研究多集中于应力遮挡效应,而假体的压配植入方式以及术后活动等产生的压应力对于假体周围骨代谢的影响目前缺乏深入研究。本研究模拟探讨假体周围成骨细胞对于压应力的反应及其机理,分析假体周围骨代谢的机理,探讨假体周围压应力与骨量丢失的相关性及其机理。
　　 [方法]
　　 1.取虚拟人数据建立股骨模型；取四种不同外形的非骨水泥固定型假体柄,分别为方形截面SL-PLUS假体柄(PLUS,Switzerland)、解剖型Ribbed假体柄(LINK,Germany)、锥形Versys假体柄(Zimmer,USA)和Secur-fit假体柄(Stryker,USA),三维扫描后建立数字模型,与股骨模型结合,模拟人工髋关节股骨假体柄置换术。加载平地行走以及上楼梯负荷,计算结束后,在数据包中提取数据。取假体-骨界面的近端三个平面,分别为截骨平面(近),距截骨平面40mm(中)、80mm(远),每个平面取四个关键点(内、前、外、后)作为代表。分别计算每个关键点在X-,Y-,Z-轴上的微动。计算假体-骨界面应力分布以应力分布云图表示。将假体周围骨组织分区,计算不同分区假体周围骨组织应力分布。
　　 2.采用上海交通大学机械与动力工程学院王成焘教授研发的细胞压应力加载系统,培养成骨细胞株,模拟加载不同压应力,观察压应力对成骨细胞增殖、分化、矿化等功能影响,采用Real-time PCR方法检测成骨细胞的相关功能基因表达变化。
　　 [结果]
　　 1.四种不同外形的非骨水泥固定型假体柄,在模拟上楼梯运动时,股骨柄假体-骨界面关键点的微动均<100μm,144个关键点中有34个关键点微动>40μm。
　　 2.在模拟上楼梯运动时,假体-骨界面的接触应力和von Mises应力以应力云图显示假体-骨界面应力分布不均匀,边缘成角处应力显著升高。边角越锐利,这种应力集中效应越显Alloclassic,Ribbed Anatomic由于边角更加锐利,假体-骨界面应力集中更加明显。
　　 3.与术前相比较,假体周围骨组织内Von Mises应力在第2、3节段显著升高,第一节段也有所上升,第4节段无显著上升。平地行走运动时,假体周围骨组织应力小于上楼梯运动,两种加载条件的计算结果显示应力分布趋势相似。
　　 4.低压应力促进细胞增殖(20Kpa,*p<0.05),中等压应力(50KPa、100KPa)对增殖影响较小(p>0.05),高压应力(250KPa、500KPa)显著抑制成骨细胞增殖(**p<0.01,***p<0.001)。
　　 5.高压应力(250 KPa、500 KPa)显著抑制碱性磷酸酶的活性(p<0.05),而低压应力对于碱性磷酸酶活性的影响差异无显著性(p>0.05)。
　　 6.持续静态压力作用下,成骨细胞caspase3活性的增强,其中50和500KPa压力下caspase3活性的增强具有显著性差异*p<0.05,***p<0.001。
　　 7.20和50Kpa静态压短时间作用坏死细胞发生率与对照组无明显差异,100Kpa时坏死细胞增加(p<0.05),250和500Kpa压力下坏死发生率显著增加,单视野下坏死细胞由对照组的2只分别增加为23(p<0.01)和18只(p<0.01)。
　　 8.高压应力(250 KPa、500KPa)作用下,成骨细胞不能形成矿化结节,茜草素红染色没有着色。在中等压应力(100KPa)作用下,矿化结节显著减少(p<0.05)。低压应力对于矿化结节形成的影响差异无显著性(p>0.05)。
　　 9.高压应力作用24h后,成骨细胞sv40-hFOB与成骨功能相关基因RUNX2、COL-1和BGP表达显著下调。sv40-hFOB细胞在100KPa及以下压力组SOX9表达有上调趋势,100KPa SOX9较对照增加68％(p<0.05),而250和500KPa作用下明显下调,sv40-hFOB细胞COL2/1比值变化显示100KPa压应力作用下,细胞功能以成软骨为主。高压应力作用下,OPG表达水平显著下调。RANKL/OPG有随压应力升高而升高的趋势,在100KPa、500KPa下有统计学差异(*p<0.05)。
　　 [结论]
　　 1.临床常用的这四种股骨假体柄,即Alloclassic假体柄(PLUS,Switzerland)、Ribbed解剖型假体柄(LINK,Germany)、Versys假体柄(Zimmer,USA)、和Seeur-fit假体柄(Stryker,USA),虽然外形显著不同,设计理念各异,假体的初始稳定性都能够满足临床要求,假体周围骨组织内应力分布也类似,由于压应力作用,假体骨组织周围之内应力显著升高。不同点主要表现在带有边角的假体会在边角处形成显著的应力集中,角度越锐利,应力集中越明显。
　　 2.成骨细胞的生物活性对静态压应力敏感。低压应力可促进成骨功能,而高压应显著抑制成骨细胞功能,并通过成骨细胞激活破骨细胞。这种骨代谢紊乱可能是股骨假体柄周围骨丢失的重要机制。

目录

文摘

英文文摘

缩略词表

第一章 绪论

1.1 人工髋关节发展简史

1.2 当前人工髋关节领域的重点研究内容

1.3 相关研究进展

1.4 我们的研究

1.5 本课题研究的目的、内容和意义

参考文献

第二章 不同外形非骨水泥人工髋关节假体柄周围的应力分布有限元模拟分析

2.1 研究背景

2.2 材料和方法

2.3 结果

2.4 讨论

2.5 结论

参考文献

第三章 股骨假体周围压应力对成骨细胞功能影响的体外实验模拟分析

3.1 研究背景

3.2 研究设计与主要设备

3.3 研究分组、材料与方法以及结果

3.4 讨论

3.5 结论

参考文献

总结与展望

综述一

参考文献

综述二

参考文献

附:本研究组原始数据

致谢

博士在读期间发表论文