人工关节组合界面的多模式微动损伤机理研究

The number of joint replacements in China is estimated well over 200 million annually, with an increasing rate of 30% every year and the market value exceeding approximately 100 billion RMB. The life expectancy of current joint replacements is generally from 10 to 15 years, far from 30 years requirements, and one of the main reasons for the clinical failure is the fretting damage at the interfaces of the modular taper connections. Current computational modelling research often simplifies the biomechanical conditions, while the experimental investigation mainly focuses on single mode fretting. Therefore, the fretting damage mechanism at the modular interfaces of artificial joints remains unclear. The purpose of this proposal is to establish a multi-scale computational framework of the fretting motion at the modular femoral taper interfaces of the hip joint implant under physiological conditions to determine the fretting mode, as well as the experimental fretting corrosion testing under both single fretting modes and in combinations of different fretting modes. Such a combination of the computational simulation and the experimental testing will enable the consideration of the complex joint system and realistic physiological conditions and the identification of important implant, patient and surgeon related parameters, and ultimately the understanding of the fretting-corrosion mechanism at the modular interface of artificial hip joints. This will be important for design and optimisation for artificial joints, as well as other medical devices such as dental implants and cardiovascular devices.

我国人工关节置换术年需求量约为 200万以上，并以每年 30%的速度增加，市场价值可达为1000亿元以上。目前人工关节的寿命只有10-15年，远达不到30年的使用需求，其主要原因之一是关节锥体组合部件结合面之间的微动损伤导致关节失效。目前针对关节组合部件结合面之间的仿真研究通常模拟简化服役环境，而微动腐蚀实验研究主要局限于单一模式，其微动损伤机制尚不清楚。因此，本项目拟建立人工髋关节股骨锥体组合界面的多尺度微动模型，解析在复杂服役环境下的微动运动模式；并通过单一模式和多模式耦合下的微动腐蚀实验，探讨复合微动的耦合效应。通过理论计算和实验分析相结合的方法，探索人工髋关节在复杂服役环境下的微动损伤机理，阐明影响结合面微动损伤的关键因素，并从摩擦学设计角度提出改善界面损伤的方法，为新型人工关节的设计提供理论依据和技术支持，同时也对其它医疗器械如牙齿、心血管支架等的研究具有重要的指导意义。

生命在于运动，良好的人体关节是运动的基本保障。目前，人工关节的预期寿命为30~50年，但现有关节产品的寿命仅有10-15年，且10年内的翻修比例超过10%。人工关节组合部件结合界面极易发生微动腐蚀而导致骨溶解、不良组织反应等问题是人工关节失效的重要原因。因此，本项目研究以髋关节为研究对象， 充分考虑关节在复杂服役环境下组合界面间的复合微动模式，通过体内仿真和体外试验研究的手段，开展了组合界面间的微动腐蚀损伤机制研究。建立了人工髋关节的骨肌多体动力学模型，从关节力和运动、几何结构和手术安装等方面研究了人工髋关节的在体生物力学环境。提出了一种将复合微动分解为多种基本微动模式的方法，组合界面的复合微动主要由三种基本模式的微动主导，包括沿锥面的周向、纵向微动以及绕纵向的滚动微动，它们在正常行走步态中的最大幅值分别为9.6μm、5.5μm以及0.29°。研究了敲击载荷对组合界面稳定性的影响规律。敲击载荷对锥连接体稳定性的影响存在一个阈值。当敲击力低于阈值时，锥连接体会在步态活动中产生二次安装，实现相同的锥连接稳定性；当敲击力高于阈值时，锥连接稳定性由敲击力幅值决定。搭建了人工关节组合面微动腐蚀试验平台，开展了单一模式以及多模式复合微动下不同配副材料的微动腐蚀实验，研究了不同头颈材料配副耦合下的电偶腐蚀效应；探索了典型头颈配副材料的微动腐蚀行为；通过在髋关节模拟机上搭建电化学工作站，系统揭示了全髋关节系统锥颈连接面处的多模式微动腐蚀机理。研究结果为高功能、长寿命人工关节的设计与制造提供理论依据与实验指导，为研究生物型膝关节提供前期支持，也对其他医疗器械如牙齿等的研究具有重要指导价值。