《Journal of Biomechanics》：Tissue ingrowth in a porous acetabular component: Influence of mechanobioregulatory stimuli
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骨组织内生长时空演化规律及机械生物调节模型研究。基于多尺度有限元分析，构建了功能梯度多孔髋臼杯的机械生物耦合模型，量化了生物刺激（氧张力、血管生成、生长因子）与机械刺激（相对位移、骨材料属性）对骨内生长的协同作用。结果显示骨形成率0.55-86.65%，弹性模量32.52-1977.70 MPa，髋臼顶区域骨内生长达40-87%。验证了机械刺激的主导作用，建立了孔隙结构-生物活性-力学环境的量化关系模型。
Ceby Mullakkara Saviour|Ayushi Prasad|Sanjay Gupta
印度卡拉格普尔印度理工学院机械工程系，卡拉格普尔，印度
摘要
多孔髋臼组件在全髋关节置换术中得到了广泛应用，因为它们能够与宿主骨骼实现生物锚固，从而提高植入物的长期稳定性。然而，关于多孔金属背衬周围组织生长的程度却鲜有研究。本研究采用了一种新颖的多尺度机械生物调控框架，探讨了在经过优化设计的功能梯度多孔髋臼组件中组织生长的时空演变过程。研究人员建立了对应于不同髋臼区域的有限元微观模型，以及植入半骨的宏观模型。从宏观模型到微观模型，映射出了十个界面区域的植入物-骨骼相对位移和宿主骨骼材料属性。微观模型预测骨骼形成量为0.55%至86.65%，平均弹性模量介于32.52 MPa至1977.70 MPa之间。髋臼周围骨骼的整体平均生长率为约27%，其中髋臼穹顶区域的骨骼生长率高达约40%至87%。尽管在骨骼层附近生物刺激较为有利，但与骨骼相邻的组织元素中的机械刺激对骨骼形成的促进作用更为显著。预测的假体周围组织生长量不仅取决于机械环境，还受生物因素的影响。接触性骨形成的发生表明，在功能梯度多孔髋臼组件周围骨骼生长的预测中，机械刺激的作用超过了生物因素。
引言
组织生长遵循与骨折愈合相似的阶段性过程（Kienapfel等人，1999年；Liu和Niebur，2008年），并受到机械因素和生物因素的共同影响（Burke和Kelly，2012年；Claes和Heigele，1999年；Geris等人，2008年）。描述骨折愈合过程的数学模型根据刺激类型被分为机械调控模型、生物调控模型和机械生物调控模型。早期的骨折愈合研究中采用了基于局部机械刺激的机械调控模型（Prendergast等人，1997年；Claes和Heigele，1999年；Lacroix等人，2002年；Andreykiv等人，2008年；Isaksson等人，2008年）。相比之下，生物调控模型考虑了生物或生化因素在骨折愈合中的作用（Bailon-Plaza和van der Meulen，2001年；Carlier等人，2015年；Geris等人，2008年；Peiffer等人，2011年）。Bailon-Plaza和van der Meulen（2001年）将生长因子的作用纳入愈合模型中，通过偏微分方程模拟了骨痂区域的多种细胞活动。此外，Geris等人（2008年）通过引入血管生成进一步改进了该模型。值得注意的是，只有少数机械生物调控骨折愈合模型同时考虑了生物和机械因素的联合效应（Bailon-Plaza和van der Meulen，2003年；Burke和Kelly，2012年；Geris等人，2008年）。
Bailon-Plaza和van der Meulen（2003年）提出的机械生物调控模型将机械刺激（偏应变和膨胀应变）纳入了早期的生物调控模型（Bailon-Plaza和van der Meulen，2001年）。Geris等人（2010年）采取了类似的方法，将机械刺激作为参数值整合到了之前的生物调控模型（Geris等人，2008年）中。然而，这些模型并未考虑氧张力对软骨形成分化的影响。后来，Burke和Kelly（2012年）将氧张力对干细胞分化的影响纳入了机械生物调控算法中，但未考虑各种生长因子的作用。因此，关于生物因素（如氧张力、生长因子、血管生成）与机械刺激共同对假体周围骨骼生长影响的研究仍然较少。
已知氧气和其他营养物质的交换可以促进骨骼生长，这可能得益于植入材料的多孔结构。早期的数值研究仅考虑机械刺激，评估了各种骨科植入物多孔涂层周围的骨骼生长情况（Andreykiv等人，2005年；Checa和Prendergast，2009年；Chou等人，2013年；Mathai和Gupta，2022年；Mukherjee和Gupta，2016年；Puthumanapully和Browne，2011年；Talukdar等人，2024年）。与实心植入物相比，多孔植入物减少了应变屏蔽的程度（Saviour和Gupta，2023年）。功能梯度多孔（FGP）设计在保持机械强度的同时充分利用了多孔性的优势，显示出其优越性（Boccaccio等人，2016年；Koju等人，2022年；Saviour和Gupta，2023年；Talukdar等人，2023年）。然而，关于功能梯度多孔植入物周围骨骼生长的时空分布的研究仍然较少。
本研究将Geris等人（2008年）的生物调控模型扩展为机械生物调控算法，以考虑机械和生物因素，如植入物-骨骼微运动、血管生成、氧张力和生长因子。研究的目的是探讨生物因素对功能梯度多孔髋臼组件中骨骼生长的影响程度。开发了一种基于机械生物调控算法的新数值框架来预测组织生长的演变过程，并通过将其结果与机械调控模型的预测结果进行比较来评估所提出模型的有效性。
材料与方法
开发了一种新颖的机械生物调控框架，用于预测在经过优化设计的功能梯度多孔髋臼组件中的组织分化。为了评估新组织的生长情况，建立了植入半骨和植入物-骨骼界面区域的3D模型。通过映射程序建立了宏观模型与微观模型之间的联系。具体细节如下所述。
结果
根据使用五种不同日常活动条件对宏观模型进行的FE分析，表3显示了各区域的最大特定位移。无论哪个区域，正常行走条件都导致了最大的相对位移。这些植入物-骨骼相对位移（微运动）在髋臼内的不同区域之间存在显著差异。
讨论
本研究旨在探讨在经过优化设计的功能梯度多孔髋臼组件周围组织生长的时空分布。为此开发了一种考虑机械和生物因素的新机械生物调控框架。生物因素包括血管生成、氧张力和生长因子，以及机械因素，如骨骼材料属性和植入物-骨骼微运动。骨骼材料的变化...
结论
本研究使用新颖的多尺度机械生物调控框架，探讨了在经过优化设计的功能梯度多孔髋臼组件中组织生长的时空分布。微观模型预测骨骼形成量为0.55%至86.65%，平均弹性模量介于32.52 MPa至1977.70 MPa之间。髋臼周围骨骼的整体平均生长率为约27%，其中髋臼穹顶区域的骨骼生长率高达约40%至87%
未引用参考文献
Arabnejad等人，2016年；Arabnejad和Pasini，2012年；Bae等人，2018年；Bailón-Plaza和Van der Meulen，2001年；Bailón-Plaza和Van der Meulen，2003年；Barnes等人，1999年；Buckley等人，1988年；Chen等人，2012年；Chou和Müftü，2013年；Dimitriou等人，2005年；Dostal和Andrews，1981年；Gerstenfeld等人，2003年；Haselgrove等人，1993年；Jones等人，1991年；Krinner等人，2009年；Mayer等人，2005年；Moussa等人，2020年；[AuthorError]等人，2016年；Pattappa等人，2011年；Saviour和Gupta，2024年；Taddei
CRediT作者贡献声明
Ceby Mullakkara Saviour：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，研究，正式分析，数据管理，概念化。Ayushi Prasad：可视化，软件，研究，撰写——初稿，正式分析。Sanjay Gupta：撰写——审稿与编辑，可视化，监督，研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢印度理工学院卡拉格普尔分校提供的财务支持，这有助于完成本研究。作者还感谢Joydeep Banerjee Chowdhury博士和Kaushik Mukherjee博士的建议。
声明与声明。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
