摘要
关节局灶性软骨缺损是常见的软组织损伤，常见于膝关节内侧髁软骨，随着运动损伤、年龄增长可能发展为骨关节炎（OA）。目前全膝关节置换术20年后翻修率较高，对于生物治疗效果不佳且进行全膝关节置换尚早的40~60岁中年患者，局灶性软骨表面置换术是一个合理的选择。其中，合适的植入物的材料以及安装位置是保持软骨正常生物力学的关键。目前的研究有两个难点，一方面软骨复杂的固液双相结构以及胶原纤维分布不均匀导致其力学行为难以预测；另一方面，目前的植入物均会导致对侧软骨退化。而聚碳酸酯聚氨酯（PCU）作为一种优秀关节衬垫材料，有望降低上述问题的风险，但是其在软骨置换领域的相关研究与应用较少。本文以膝关节软骨为研究对象，研究聚氨酯材料在软骨置换中的接触力学。首先，本文建立了软骨双相纤维增强有限元模型，通过实验对比验证其预测软骨力学行为的准确性。其次，对不同软骨置换材料PCU、聚醚醚酮（PEEK）以及钴铬钼合金（CoCrMo）分别进行体外和体内评估。在体外评估中，研究了不同配副材料对软骨接触力学的影响，基于销盘试验仿真，分别计算1~3MPa载荷下静态加载2小时以及往复直线运动中软骨与不同材料配副时的接触压力、压缩应变、剪切应变，分析了软骨对不同材料的力学响应。在体内评估中，建立人体膝关节有限元模型，计算了在站立状态下植入不同材料前后软骨的应力应变分布，分析了植入物的表面形状以及材料的弹性模量、摩擦系数对软骨接触力学的影响，并预测植入物对膝关节活动的影响。此外，评估了手术过程中植入物安装位置以及尺寸（小尺寸0.5cm2；平均尺寸2cm2）对缺损侧以及对侧软骨的应力应变影响。本研究可为临床手术提供理论基础和指导，为植入物材料选择和安装位置提供了技术支撑和依据。论文的研究结论如下： （1）针对软骨固液双相性以及纤维拉伸模量、分布方式的深度依赖特性，建立有限元模型模拟真实软骨的深度方向不均匀性。再通过压痕实验校准有限元模型参数，验证其有效性。软骨的力学行为主要受基质、胶原纤维影响。软骨固相主要为软骨基质，其力学响应由平衡弹性模量决定；软骨胶原纤维只承受张力，可以对快速载荷做出响应。并在FEBio有限元软件中进行耦合，达到预测真实软骨力学行为的目的。 （2）在体外评估的静态加载过程中，载荷与配副材料均会影响关节软骨流体负载率的变化，相同载荷下配副材料弹性模量越大关节软骨流体负载率下降越快，相应的流体流失导致软骨的接触压力随时间增大。PCU作为配副时，软骨厚度和软骨表面的下沉量均为最大，PEEK和CoCrMo作为配副时差异不大。在往复直线运动中，软骨的接触压力主要分布在接触区域的边缘，接触压力和剪应力与配副材料弹性模量呈正相关，与摩擦系数相关性较小。 （3）在膝关节有限元模型中，将置换后软骨应力应变分布与健康模型进行对比研究，结果显示采用生理曲面的植入物能更好还原健康软骨的应力状态，并且具有更小的接触压力和压缩应变。三种配副材料中，小尺寸植入物的对侧软骨接触压力峰值比平均尺寸植入物高13%到28%，内侧半月板横向位移与接触面积均有减小趋势。使用弹性模量较大的植入物增加了膝关节内翻的风险，并进一步导致外侧软骨接触压力、压缩应变增大，以及外侧半月板横向位移增大。三种配副材料中，PCU配副中的对侧软骨的最大接触压力为4.52MPa，为PEEK和CoCrMo配副的52.0%，但仍为健康软骨的1.5倍，依旧存在磨损风险。降低植入物弹性模量能有效减小对侧软骨接触压力，增大膝关节接触面积，减小膝外翻情况发生。 （4）在植入物安装位置方面，植入物高于软骨表面安装会显著增加对侧软骨接触压力，CoCrMo配副时相比健康模型增幅高达280.0%，相比齐平安装增幅为48.0%。植入物低于软骨表面安装会降低对侧软骨的接触压力，PCU配副中对侧软骨最大接触压力为3.6MPa，相比健康模型增幅为56.5%，比齐平安装降低了20.4%，在三组配副材料中表现最优，因此PCU在局灶性软骨缺损置换治疗中具有广阔的潜在应用价值。 本文基于有限元方法，建立了软骨双相纤维增强的膝关节有限元模型，对比研究了配副材料PCU与PEEK、CoCrMo在膝关节局灶性软骨置换中对关节软骨接触力学的影响。结果表明，PCU因其具有与软骨相近的弹性模量，即使摩擦系数较大但接触区域软骨的接触压力、压缩应变以及剪切应力在三种材料中仍是最小的。植入物应低于软骨表面安装，可以更好的保护对侧软骨，有效延缓软骨退行性病变的发生。本文预测了PCU材料以及植入物安装位置、尺寸、表面形状对膝关节局灶性软骨置换的接触力学影响，为材料选择和临床手术提供了理论基础和技术支撑。
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