改良的小牛冻干骨松质支架的数控圆雕加工技术及生物力学有限元分析

摘要

目的 通过改良小牛骨松质加工技术解决小尺度小牛冻干骨松质数控圆雕碎裂不成形问题,并在仿体水平结合生物力学有限元分析探讨其作为股骨头替代支架的可能性.方法 基于Micro CT数据,比较小牛冻干骨松质和天然SD大鼠股骨头的骨密度(bone mineral density,BMD)、骨小梁厚度(trabecular thickness,TTH)、骨小梁分离度(trabecular separation,TrSt)、骨体积比(bone surface/bone volume,BS/BV)及骨体积分数(bone volume fraction,BV/TV).通过单轴压缩实验测试新鲜小牛骨松质与小牛冻干骨松质试样屈服应力(yield stress,YS)和弹性模量(Young's module,YD).分割重建大鼠股骨头Micro CT并设计股骨头支架模型及雕刻刀路.数控机床对小牛骨松质进行圆雕加工后去细胞和冻干.仿体手术植入后使用有限元分析评价股骨头骨支架匹配程度及股骨头骨支架与SD大鼠股骨头负重区的最大应力与位移.结果 小牛冻干骨松质股骨头骨支架BMD、TTH、TrSt、BS/BV及BV/TV均高于SD大鼠股骨头(P＜0.05);小牛冻干骨松质屈服应力及其弹性模量均低于小牛骨松质(P=0.046,P=0.043);股骨头骨支架加工误差精度小于100μm(P=0.000);SD大鼠股骨头与股骨头骨支架的Von mises最大应力无统计学差异(P=0.120);股骨头骨支架的最大应变大于SD大鼠股骨头(P=0.000).结论 改良小牛冻干骨松质的加工技术使得小尺度股骨头骨支架加工成为可能,且股骨头骨支架在原位植入SD大鼠后可能需要限制负重.