《Foot and Ankle Surgery》：Biomechanics of porous lattice-structured tibial implant design for TAR: Role of pore morphology, porosity and implant design
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胫骨多孔 lattice 植入物孔隙结构、孔隙率及设计对踝关节置换术长期疗效的影响研究。通过构建59个三维有限元模型，对比不同孔隙结构（立方体、体心立方等）和孔隙率（50%-80%）对胫骨应力分布及骨微动的影响，发现Diamond lattice结构在70%孔隙率时能有效缓解应力屏蔽效应，促进骨长入。
作者：Minku、Govind Upadhyay、Tanushi Jain、Rajesh Ghosh
印度理工学院Mandi分校机械与材料工程学院生物力学研究实验室，Kamand，Mandi，175075，喜马偕尔邦，印度
摘要
背景
植入物与骨骼之间的微动以及应力屏蔽对于全踝关节置换（TAR）中胫骨植入物的长期存活至关重要。这两个生物力学因素主要取决于植入物的设计和固定特性。不同多孔结构特征及其孔隙率对胫骨植入物生物力学性能的影响尚未得到充分研究。本研究的目的是探讨孔隙形态、孔隙率以及胫骨设计对TAR用多孔晶格结构胫骨植入物生物力学性能的影响。
方法
通过使用三维有限元（FE）模型对完整胫骨和植入胫骨的生物力学性能进行模拟来实现这一目标。共开发了59个真实的FE模型：1个完整胫骨模型、2个植入实心植入物的胫骨模型以及56个植入晶格结构胫骨植入物的模型。
结果
研究结果表明，在BOX型胫骨植入物的近端表面加入70%孔隙率的钻石晶格结构后，可以通过适当的初始固定来缓解应力屏蔽效应，从而促进骨生长。结果表明，随着孔隙率从50%增加到80%，胫骨应力及平均微动幅度均有所增加。BOX型设计导致的应力屏蔽效应较弱，表现为胫骨应力分布更为均匀，优于Infinity型设计。
结论
研究结果强调了在设计TAR用晶格结构胫骨植入物时需要仔细选择多孔特性。
引言
TAR是一种用于替代关节融合术的外科手术方法，旨在缓解由晚期踝关节炎引起的疼痛并改善踝关节功能。该手术适用于因严重类风湿性关节炎、创伤后关节炎或退行性骨关节炎导致踝关节损伤的患者。TAR术后可能出现多种并发症，包括术后疼痛、神经损伤或破坏、感染、无菌性松动、骨溶解、植入物移位、下沉、囊肿形成、错位、伤口愈合问题、半月板插入部骨折和肿胀[1]、[2]、[3]。其中，无菌性松动是最常见的植入物功能障碍原因[4]、[5]。骨-植入物界面处发生无菌性松动是由于植入物与周围骨骼的刚度不匹配导致的过度微动及应力屏蔽现象，从而导致骨载荷传递不足[6]、[7]。这种载荷变化会增强破骨细胞活性，使植入物周围区域的骨密度逐渐降低。长期下来，应力屏蔽效应可能导致骨吸收，最终引发植入物松动或骨折。
在临床应用承重骨植入物之前，应进行广泛的临床前研究以评估其生物力学性能。目前最常用的计算方法是有限元分析（FEA），因为它能够处理骨骼、软骨和韧带的不规则几何形状、复杂的材料属性以及复杂的载荷条件[2]。许多研究利用FEA模型评估了TAR假体的性能，包括踝关节运动学[8]、动态步态模拟[9]、骨应力/应变[10]、[11]、接触应力[12]以及植入物与骨骼之间的微动[13]、[14]。以往的FEA研究分析了植入物设计[15]、[16]、植入物错位[13]和胫骨材料特性[17]对TAR生物力学性能的影响。然而，目前尚无研究专门评估用于TAR的多孔胫骨植入物的孔隙结构及孔隙率选择。
近年来，增材制造技术使得在实心钛合金上制造晶格结构成为可能。这类多孔晶格结构植入物可能有助于预防患者出现无菌性松动[18]、[19]。设计合适的生物医学植入物需要考虑多种因素，如孔隙几何形状、孔隙率和孔径[20]、[21]、[22]。目前尚未探索适用于TAR的多孔晶格结构胫骨植入物的具体类型、孔隙率以及最佳植入物设计，以实现更好的生物力学性能。
本研究旨在探讨孔隙形态、孔隙率以及胫骨设计对TAR用多孔晶格结构胫骨植入物生物力学性能的影响，旨在提出改进的孔隙结构特征和固定设计，以提高植入物的生物力学性能。
部分内容摘录
多孔结构的设计与有效性能计算
图1展示了用于设计晶格结构胫骨植入物的七种不同基于杆状单元的结构，它们分别对应四种孔隙率水平：简单立方（SC）、体心立方（BCC）、面心立方（FCC）、八面体、钻石结构和十二面体（RD）。这些多孔结构的3D CAD模型使用Solidworks（美国马萨诸塞州康科德市DS Solidworks公司）在50%、60%、70%和80%的孔隙率下进行设计。
这些多孔结构的有效机械性能...
晶格结构的有效机械性能
表1列出了各结构的有效弹性模量值，其范围为32.15至0.98 GPa。随着孔隙率从50%增加到80%，所有设计单元的弹性模量均有所下降。
不同孔隙几何形状的多孔晶格植入物比较
为了理解应力屏蔽现象，研究人员评估了每个FE模型中胫骨内的冯·米塞斯应力分布[6]、[11]、[23]。图4(a-c)展示了完整胫骨和植入模型中冠状截面的冯·米塞斯应力分布情况。
讨论
本研究旨在提出一种具有更好生物力学性能的多孔晶格结构胫骨植入物，以替代实心植入物。完整胫骨模型中的应力范围为5-10 MPa，而植入实心植入物的模型中骨应力范围为0.5-1 MPa。实心植入物导致的骨载荷传递不足可能引发应力屏蔽效应，从而导致植入物松动。
结论
研究表明，孔隙形态、孔隙率和植入物设计是影响应力分布和植入物与骨骼微动的关键因素。研究结果表明，70%孔隙率的钻石晶格结构BOX型植入物适用于TAR，因为它能够改善胫骨应力分布并促进骨生长。因此，本研究的结果为TAR用多孔晶格结构胫骨植入物的设计提供了重要参考。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢印度理工学院Mandi分校提供所需的计算基础设施以支持模拟工作。
