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钛合金骨小梁力学性能及骨整合研究

钛合金骨小梁；界面应力，整合

关节置换术是通过手术的方式用人工假体替代病变恶化的关节，进而恢复人体关节的正常运动功能，是目前临床药物治疗失效后解决人体关节坏死的唯一方法。关节置换后各种并发症时有发生，导致手术失败并需要进行手术翻修。翻修手术的主要原因是假体与骨界面松动，包括损伤与断裂，从而失去界面的机械连接，使界面整合失效。目前关节置换后翻修的比率仍然居高不下，就全膝关节术后假体而言，5年生存率仅为90%，10年生存率约为80%。

近年来，骨小梁生物型假体陆续出现，特别是随着3D金属打印技术的普及，由于其能够根据患者需求个性化地定制植入物形状，并且精确控制植入物的复杂微观结构，从而实现植入物外形和力学性能与人体自身骨的双重适配。骨小梁假体已初步在临床应用，但尚需要深入的临床基础研究。这些假体置换研究包括骨小梁结构的设计及制造，骨小梁结构与骨整合及患者康复活动要求的研究。

3D打印钛合金骨小梁拉伸试件，通过实验和仿真研究了其拉伸性能。数值模拟结果表明，相同丝径骨小梁承载能力随单元边长的增大而降低，丝径加粗一倍可使骨小梁承载能力提高约十倍。实验结果表明，钛合金骨小梁的丝径较理论值变大而孔径和孔隙率较理论值变小，但其内部通孔率检测结果良好；骨小梁压缩试件的压缩特性曲线具有明显的四阶段特征，压缩性能参数随单元尺寸不同有着明显的变化规律；骨小梁拉伸试件的拉伸破坏形式为骨小梁丝径断裂。由于3D打印得到的骨小梁结构表面具有较小的几何不规则性和不均匀的表面光滑度，导致了丝径、孔径与孔隙率的实测值与理论值存在差异，进而导致了压缩与拉伸实验获得的力学特性参数高于理论值。

骨小梁结构与骨整合有较好的效果。选择新西兰大白兔在右侧股骨髁外侧过盈的方式植入3D打印钛合金多孔种植体。界面充分愈合，根据愈后micro-CT影像进行有限元计算分析整合后骨组织的强度，结果表明种植体-骨界面之间的预紧力会促进骨重建进程，但是由于预紧力分布不均以及种植体的应力遮挡作用，导致界面骨量分布不均匀，在种植体上部出现应力遮挡区域，发生了骨吸收现象。

为更好植入假体与骨整合需要考虑假体的二个稳定阶段：初期稳定和长期稳定，而初期稳定需要考虑假体与骨的即可稳定和愈合稳定阶段。