基于3D打印的骨小梁結(jié)構(gòu)股骨柄生物力學(xué)仿真分析

葛志強(qiáng)，葛志霞，陳佳，楊潔，夏志勇，楊振環(huán)，崔書(shū)偉，王暉

(1.冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司總醫(yī)院，河北 邯鄲 056200；2.河北省人民醫(yī)院骨科，河北 石家莊 050051)

全髖置換手術(shù)是現(xiàn)在治療髖關(guān)節(jié)疾病最廣泛的一種骨外科手術(shù)。在全髖置換手術(shù)中，髖關(guān)節(jié)假體起到了非常重要的作用。雖然全髖置換手術(shù)可以恢復(fù)關(guān)節(jié)功能、提高患者生活質(zhì)量，但是隨之而來(lái)的一些并發(fā)癥，如無(wú)菌性松動(dòng)、應(yīng)力遮擋和假體周?chē)钦鄣葐?wèn)題仍然需要更好的解決方案[1]。其中應(yīng)力遮擋問(wèn)題主要存在于股骨柄與股骨之間。應(yīng)力遮擋問(wèn)題是由于股骨柄和股骨之間的彈性模量相差太大引起的。當(dāng)髖關(guān)節(jié)假體的股骨柄植入股骨后，上肢載荷主要由股骨頭、股骨頸傳遞到股骨干的過(guò)程變?yōu)橛扇斯す晒穷^傳遞到股骨柄，再經(jīng)過(guò)股骨柄和股骨的接觸界面?zhèn)鬟f給股骨。由于股骨柄的彈性模量要高于股骨的彈性模量，所以當(dāng)它們一起載荷時(shí)，股骨柄承擔(dān)的載荷更多，股骨承載更少甚至不承載載荷，股骨應(yīng)變也相應(yīng)減少，因此就出現(xiàn)了應(yīng)力遮擋現(xiàn)象。Halley等[2]通過(guò)放射學(xué)隨訪發(fā)現(xiàn)在低摩擦股骨柄植入體內(nèi)22年后，85%的患者股骨區(qū)域的骨質(zhì)是流失的，從而引起假體松動(dòng)。何榮新等[3-4]發(fā)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)假體植入股骨后，股骨近端的應(yīng)力發(fā)生了顯著改變。時(shí)亮等[5]利用三維有限元法分析髖關(guān)節(jié)表面置換后髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中在股骨頸，而且在股骨頭和股骨頸交界處出現(xiàn)應(yīng)力遮擋現(xiàn)象。應(yīng)力遮擋現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致股骨區(qū)域的骨量流失，骨量的減少會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥，包括假體周?chē)钦郏矔?huì)使患者出現(xiàn)大腿疼痛的狀況。隨著年輕患者的增多，人們對(duì)全髖關(guān)節(jié)假體的使用壽命提出了更高要求。許多研究者通過(guò)優(yōu)化股骨柄的幾何外形以及改變股骨柄的材料特性來(lái)改善應(yīng)力遮擋帶來(lái)的不良問(wèn)題。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)及成熟，使得具有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄用于臨床治療成為可能[6-8]。帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄可以減少由于股骨柄和股骨之間的彈性模量不匹配導(dǎo)致的應(yīng)力屏蔽，雖不可以改變材料本身的彈性模量，但可以通過(guò)結(jié)構(gòu)鏤空設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)彈性模量的改變，彈性模量可以是材料本身屬性，又可以是結(jié)構(gòu)下應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，彈性模量在不同力學(xué)環(huán)境、不同狀態(tài)下是不一致的，而且通過(guò)控制股骨柄3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的孔隙率可以調(diào)節(jié)股骨柄的彈性模量用來(lái)匹配骨的彈性模量。因此，可以減少因?yàn)楣橇魇?dǎo)致的無(wú)菌性松動(dòng)或骨折的風(fēng)險(xiǎn)[9]。雖然帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄已經(jīng)出現(xiàn)，但是相關(guān)研究更多是從材料以及制造角度出發(fā)，股骨柄作為全髖置換術(shù)中的關(guān)鍵部件，對(duì)其進(jìn)行生物力學(xué)分析可以更好地了解它在臨床治療中發(fā)揮的作用。

本文通過(guò)建立帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄的三維模型，模擬它在植入患者體內(nèi)后站立時(shí)的情形，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，探究帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄在人體內(nèi)的應(yīng)力分布情況。

1 建 模

1.1 髖關(guān)節(jié)假體三維模型建立 首先在3-matic軟件中分別建立兩個(gè)幾何參數(shù)和尺寸相同的帶有股骨頭的股骨柄三維模型，然后選擇一個(gè)股骨柄三維模型，在其上端部位設(shè)置六面體小網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)網(wǎng)格單元尺寸，設(shè)置其孔隙率為72%，并做鏤空處理，最終建立一個(gè)帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄三維模型(見(jiàn)圖1)。

圖1 多孔全髖假體股骨柄三維模型 圖2 多孔全髖假體股骨柄有限元模型

1.2 股骨柄有限元模型的建立 股骨柄的材料屬性參考Simoneau等[9]的研究成果，其中股骨柄的彈性模量為110 GPa，泊松比為0.3。因?yàn)楸疚慕⒌挠邢拊Ｐ湍M的是股骨柄植入體重約60 kg患者體內(nèi)后站立不動(dòng)時(shí)的情況，髖關(guān)節(jié)假體只受到自身的重力作用。所以給股骨柄底端施加固定約束，限制其六個(gè)方向的自由度。在股骨頭中心設(shè)置參考點(diǎn)，施加豎直向下的載荷(見(jiàn)圖2)。本文模擬兩種不同站立情況，一種是模擬雙足站立時(shí)的情形，對(duì)有限元模型施加大小為300 N的垂直向下的作用力；另一種是模擬單足站立時(shí)的情形，對(duì)有限元模型施加大小為600 N的垂直向下的作用力[10]。

2 結(jié) 果

單足站立時(shí)，股骨柄應(yīng)力分布如圖3所示，其中圖3a是帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄應(yīng)力分布圖，圖3b是不帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄應(yīng)力分布圖。雙足站立時(shí)，股骨柄的應(yīng)力分布如圖4所示，其中圖4a是帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄應(yīng)力分布圖，圖4b是不帶3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄應(yīng)力分布圖。由于本文的研究對(duì)象是股骨柄，在分析過(guò)程中將股骨頭等效為剛體，所以股骨頭并無(wú)應(yīng)力分布。圖3～4顯示無(wú)論是單足站立還是雙足站立，有限元模型中應(yīng)力的峰值都出現(xiàn)在3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)部分，最大應(yīng)力值主要分布于骨小梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)外兩側(cè)。

a 骨小梁結(jié)構(gòu)假體模型 b實(shí)體結(jié)構(gòu)假體模型

a 骨小梁結(jié)構(gòu)假體模型 b 實(shí)體結(jié)構(gòu)假體模型

通過(guò)將股骨柄假體劃分為a區(qū)、b區(qū)和c區(qū)三個(gè)區(qū)域，并分別對(duì)雙足站立和單足站立兩組模型中的骨小梁結(jié)構(gòu)假體與實(shí)體結(jié)構(gòu)假體選取相應(yīng)區(qū)域中對(duì)應(yīng)位置的20個(gè)節(jié)點(diǎn)求應(yīng)力平均值(見(jiàn)表1)，同時(shí)在兩種載荷狀態(tài)下，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)假體的三個(gè)區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力屏蔽效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖5)。兩種狀態(tài)下，骨小梁結(jié)構(gòu)假體的最大Mise應(yīng)力都大于實(shí)體結(jié)構(gòu)假體模型，并且最大應(yīng)力區(qū)域都出現(xiàn)在骨小梁結(jié)構(gòu)區(qū)域，實(shí)體結(jié)構(gòu)假體應(yīng)力遮擋最大達(dá)到了79.05%；另外，骨小梁結(jié)構(gòu)假體在股骨頸與股骨柄末端的應(yīng)力傳遞效果值也優(yōu)于實(shí)體結(jié)構(gòu)假體。

表1 股骨柄不同結(jié)構(gòu)假體各區(qū)域應(yīng)力平均值(MPa)

圖5 不同結(jié)構(gòu)股骨柄假體應(yīng)力遮擋對(duì)比

3 討 論

從結(jié)果圖中的應(yīng)力分布可以看出，帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄的應(yīng)力峰值主要集中在3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外側(cè)邊緣區(qū)域。股骨柄頸部區(qū)域雖然也有應(yīng)力分布，但股骨柄的應(yīng)力峰值已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的區(qū)域。這一點(diǎn)從兩個(gè)股骨柄有限元模型中的應(yīng)力分布圖看得更清楚。從圖3a、3b對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，除去股骨柄的多孔區(qū)域部分，股骨柄模型中的剩余區(qū)域應(yīng)力大小以及分布幾乎相同，只有多孔區(qū)域部分的應(yīng)力大小及分布有顯著不同。3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)可以改變股骨柄整體的應(yīng)力分布，并承擔(dān)了相對(duì)較大的應(yīng)力。

傳統(tǒng)股骨柄的固定主要分為骨水泥型和非骨水泥型兩種方式。骨水泥型主要是利用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥、磷酸鈣骨水泥和硫酸鈣骨水泥等生物材料用來(lái)填充股骨柄和股骨之間的縫隙從而達(dá)到固定的作用[11]。但是骨水泥存在疲勞折斷、聚合熱以及機(jī)械性松動(dòng)引起的術(shù)后高松動(dòng)率等問(wèn)題，使得骨水泥的使用出現(xiàn)了爭(zhēng)議。后來(lái)，研究者開(kāi)始研究假體的生物學(xué)固定，利用骨的生長(zhǎng)達(dá)到固定的目的。研究者們逐漸開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了非骨水泥型髖關(guān)節(jié)假體柄。非骨水泥型股骨柄需要進(jìn)行多孔處理和表面涂層技術(shù)處理以提高股骨柄的固定。非骨水泥型股骨柄的多孔處理包括巨型孔和微型孔兩種不同的類(lèi)型。巨型孔是在股骨柄的表面形成溝槽或者突起，通過(guò)表面形成的凸凹槽來(lái)進(jìn)行交叉鎖定。而微型孔主要利用等離子噴涂技術(shù)等表面處理方法在股骨柄的表面形成微孔，然后依賴(lài)骨長(zhǎng)入微孔間隙達(dá)到生物學(xué)固定的目的。非骨水泥型股骨柄的涂層技術(shù)是指在股骨柄的表面噴涂羥基磷灰石等生物活性材料來(lái)誘導(dǎo)骨的生長(zhǎng)，以鞏固股骨柄的生物學(xué)固定，提升固定的效果[12]。因此帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄可以利用自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，給股骨柄的生物學(xué)固定提供了基礎(chǔ)，并可以減少多孔處理工序，經(jīng)過(guò)處理之后植入患者體內(nèi)，可以減少假體發(fā)生無(wú)菌性松動(dòng)的概率，降低假體翻修的風(fēng)險(xiǎn)，提高假體的使用壽命。

骨在代謝活動(dòng)過(guò)程中的改建是骨吸收與骨形成之間的一種動(dòng)態(tài)平衡[13]。Wolff提出通常存在一種生理平衡狀態(tài)，骨骼的骨量和正常的生理狀態(tài)有賴(lài)于對(duì)骨骼施加的適當(dāng)?shù)膽?yīng)力刺激[14]。在一定范圍內(nèi)骨質(zhì)的增生和吸收是相互平衡的，而且是動(dòng)平衡，它將內(nèi)外組織維持在一個(gè)最佳應(yīng)力水平上。在生理狀況下處于最佳應(yīng)力環(huán)境中，當(dāng)骨所承受的實(shí)際應(yīng)力大于最佳應(yīng)力時(shí)以骨形成為主，當(dāng)實(shí)際應(yīng)力小于最佳應(yīng)力時(shí)，以骨吸收為主。因此，帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄由于應(yīng)力分布集中在3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)區(qū)域，可以給長(zhǎng)入3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)中的骨細(xì)胞以應(yīng)力刺激，削弱應(yīng)力屏蔽的影響，促進(jìn)骨的生長(zhǎng)，有利于骨的長(zhǎng)成。陳宇[15]通過(guò)模擬人天然骨小梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)用增材制造的方法設(shè)計(jì)并制作了三類(lèi)不同孔徑的種植體，通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究其成骨效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，與實(shí)心種植體相比，多孔種植體具有更良好的引導(dǎo)骨長(zhǎng)入性能和骨結(jié)合性能，種植體-骨界面的結(jié)合強(qiáng)度可以增大約3倍；多孔種植體可快速引導(dǎo)骨結(jié)合，并在短期獲得生物學(xué)穩(wěn)定性。曹玄楊[16]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在尺寸一定的情況下，彈性模量與孔隙率成反比，孔隙率越小，彈性模量越大；孔隙率一定的情況下，彈性模量與單元結(jié)構(gòu)的尺寸成反比，尺寸越小，彈性模量越大。因此帶有3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的股骨柄可以根據(jù)3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)孔隙率變化來(lái)調(diào)整自身的彈性模量來(lái)匹配骨的彈性模量，避免應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象的出現(xiàn)。Arabnejad等[17]提出了一種設(shè)計(jì)3D打印多孔全髖關(guān)節(jié)假體的系統(tǒng)方法，研究結(jié)果表明與完全致密的傳統(tǒng)全髖關(guān)節(jié)假體相比，具有微結(jié)構(gòu)的多孔全髖關(guān)節(jié)假體可以將由于應(yīng)力屏蔽的導(dǎo)致骨流失量減少75%。

與非孔隙率股骨柄相比，材料本身彈性模量屬性未發(fā)生改變，但由于結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙率的改變，使股骨柄整體結(jié)構(gòu)內(nèi)的彈性模量降低。通過(guò)前面的研究可以發(fā)現(xiàn)，3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)會(huì)改變股骨柄整體的應(yīng)力分布，多孔區(qū)域的應(yīng)力會(huì)刺激骨的生長(zhǎng)與改建，提高了全髖關(guān)節(jié)假體的穩(wěn)定性，降低了因關(guān)節(jié)固定而出現(xiàn)的無(wú)菌性松動(dòng)問(wèn)題的概率。而且因?yàn)?D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的特殊性，調(diào)節(jié)3D打印骨小梁結(jié)構(gòu)的孔隙率可以調(diào)整股骨柄的彈性模量，從而盡量避免因股骨和股骨柄之間彈性模量不一致而導(dǎo)致的應(yīng)力遮擋問(wèn)題，也避免了因應(yīng)力遮擋問(wèn)題出現(xiàn)的骨流失現(xiàn)象。