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人工髋关节置换的远期磨损预测

人工关节置换是治疗骨性关节炎等人体动关节疾病的有效手段，以高交联超高分子量聚乙烯为界面材料的人工髋和膝关节能够基本满足患者要求（~20年），但对于年轻或大运动量人群，聚乙烯（PE）磨损仍是影响置换关节远期寿命（20~50年）的主要因素。对人工关节直接进行远期磨损实验评估尚无先例，本研究建立计算机仿真建模方法和技术，实现对关节假体远期磨损的有效预测，为关节假体的优化设计提供理论依据。模型耦合了影响PE磨损的主要因素，接触面积、交叉剪切效应和接触应力。将90°交叉剪切磨损作为计算任意角度交叉剪切磨损的度量，由90°交叉剪切运动的销盘摩擦磨损试验结果拟合得到PE磨损与滑动摩擦功的函数，建立了新的磨损公式，\(V=K_M·f(CS)·f(F_w)·A·N\) ，其中\(K_M\)是磨损常数，\(f(CS)\)是交叉剪切函数，\(f(F_w)\)是摩擦功函数，\(A\)是名义接触面积，\(N\)是运动周期数。通过髋关节模拟机试验结果对磨损模型进行了验证，利用仿真模型对髋关节的远期磨损进行了模拟。仿真计算可以在140小时内实现与50年相当的实验模拟。模拟显示，远期磨损对聚乙烯髋关节几何结构设计有明显影响，是关节假体设计必需考虑的因素。