矫形植入物的力学测试

由劳埃德仪器有限公司2009年9月28日

关节炎是一种慢性退行性疾病，大多数人都会在一生中的某个时刻受到影响。它是由关节发炎引起的，有100多种不同的形式。骨关节炎是英国最常见的关节炎，估计有850万人患有这种疾病¹．它可以影响身体的所有关节;通常会影响手指、脚趾、膝盖、臀部和肩膀。关节置换手术是一种成熟的技术，用于帮助缓解这种情况。第一例全髋关节置换手术是在40多年前进行的，现在每年都使数百万人受益。材料、设计和技术的进步使它成为最可预测和最可靠的医疗程序之一亚博网站下载。不足为奇的是，骨科植入物的领先制造商拥有装备精良的研发实验室，以确保这些设备的安全性和功能。本文将介绍如何使用材料测试机进行一些关键的测量。亚博网站下载

案例研究- Biomet Inc.

Biomet公司是全球骨科市场的领导者，专注于植入物的设计和制造，主要替代;臀部，膝盖，肩膀和肘部，以及制造生物材料，骨水泥和配件和矫形外科器械。亚博网站下载凭借卓越的工程和开发技能的传统，Biomet与医学专业人士合作开发开创性的设计。公司拥有先进的技术和一流的产品和服务的历史，与教育和培训计划相结合，以支持卓越的临床，改善医疗结果，提高患者满意度和降低成本。由于骨科植入物需要在其长寿命中能够承受高循环应力，严格的力学性能评估不仅是研发过程中的重要组成部分，也是制造过程中的质量保证过程中的重要组成部分。Biomet在英国Swindon的欧洲研究实验室配备了由Lloyd Instruments制造的EZ50 50kN材料测试仪器。亚博网站下载

亚博网站下载材料测试

亚博网站下载材料测试是一种成熟的技术，用于确定从人的头发到钢铁、复合材料和塑料等原材料和部件的物理和机械性能。表1显示了使用该技术可以测量的典型参数。

表1。能用万能试验机测量的物理和机械性能。

抗拉强度	键的强度	弹性极限
压缩	粘附强度	伸长
弯曲/弯曲强度	断裂载荷	断裂强度
摩擦系数	蠕变和应力松弛	杨氏模量
击穿强度	抗压	韧性
分层的力量	变形强度	剥离强度
撕裂强度	延性	撕裂强度

的EZ50万能试验机(图1)Biomet采用微处理器控制，结合经过验证的32位技术，用于高精度负载测量和快速数据采集。它设计用于测试应用高达50kn (11241 lbf)，可用于常规质量控制测试或执行复杂的多级测试;Biomet使用他们的测试机来实现这两种功能。该机采用高精度可互换的XLC系列测压元件进行张力、压缩和循环通过零力测量。它的高刚度框架包含一个十字头导向系统，以防止测试样品的侧向加载。选择的样品夹具和夹具，使它可以用于广泛的不同的测试应用。仪器在PC控制下运行，使用Lloyd Instruments的NEXYGEN MT材料测试和数据分析软件包。亚博网站下载该软件提供了一个符合国际测试标准的通用预配置测试设置库，并允许用户配置测试。NEXYGEN MT软件提供先进的安全和审计跟踪功能，视频捕捉和回放，以及与常用Microsoft®Office产品的无缝集成等。该软件还可以与批处理测试仪一起创建半自动或全自动测试系统，这对Biomet的QA应用特别有用。

劳埃德仪器公司的EZ50万能试验机。

图1所示。劳埃德仪器公司的EZ50万能试验机。

髋关节植入物测试

全髋关节置换术是一种用于替换因关节炎而受损的髋关节的手术。天然髋关节为球窝关节。球是由股骨(大腿骨)的头部形成的，并紧贴在髋臼(髋臼)内。在全髋关节置换手术中，外科医生将磨损的大腿骨头部用金属或陶瓷球固定在髋柄上，同时重新铺设髋臼表面。用于插座表面的材料可以是聚乙烯(塑料)、陶瓷、金属;各种不同的杯子设计存在。假体可以用填充物或称为骨水泥的浆液固定到位，也可以不使用骨水泥安全地压入到位。

一种杯子设计包括一个聚乙烯衬垫夹进一个金属杯子;该装置的关键参数之一是衬管夹入杯内的强度。Biomet使用EZ50测试机仔细测量了这一点，以确保衬垫不会松动。在测试过程中，将髋臼杯壳放置在一个环上，以支撑壳的周长。该环被放置在轴承床上，安装在仪器的底板上，以允许壳体的横向运动。将一个直径为10mm的圆盘放置在壳体的顶端孔内，以便对衬管施加压力(图2)。安装了该仪器，以5.0 mm min的速度测量将衬管推出壳体所需的压力^－1；这样就可以对各种不同的设计和尺寸进行比较和优化。

建立评估髋臼杯/髋关节植入物的模型。

图2。建立评估髋臼杯/髋关节植入物的模型。

膝盖植入测试

膝关节置换比髋关节置换少，2007年在英格兰和威尔士约有7万例²．膝关节是人体最大、最复杂的关节之一。膝盖由大腿骨(股骨)的下端在胫骨(胫骨)的上端旋转和膝盖骨(髌骨)组成，膝盖骨(髌骨)在股骨末端的沟槽中滑动。附着在股骨和胫骨上的大韧带提供稳定性。长腿肌肉给膝盖力量。

膝关节置换手术有两种类型;全膝关节和部分膝关节置换术。全膝关节置换术是对膝关节有严重损伤的病人进行的手术，包括用人工部分替换大部分膝关节。该植入物包括大腿骨端部的金属组件，胫骨上端的金属和塑料垫片，如果需要的话，还包括膝盖骨上的塑料纽扣。如果损伤仅限于膝关节的一部分(通常是内侧)，则可以进行部分膝关节置换术，即只在膝关节的一半使用假体。通过在牛津进行的广泛研究，外科医生和工程师已经能够设计出牛津®部分膝关节，它在两块骨头上使用金属表面，中间有一个塑料垫圈，可以在金属表面之间自由滑动。由于所有未受损的部分都被保留了下来，特别是十字韧带，关节有了更自然的运动。

Biomet在Oxford®部分膝关节上进行了许多测试;包括评估种植体对周围骨强度的影响，并与其他部分膝关节设计的膝关节强度进行比较。用于测试植入过程对骨强度的影响;使用了锯骨人造骨。用和外科医生一样的方法将这些部分插入人造骨中，然后用劳埃德EZ50试验机．载荷由股骨假体通过聚乙烯轴承施加(图3)。由此得出的结果使手术过程得以优化，并将对植入物周围骨的任何应力降至最低。

用于评估膝关节植入物中聚乙烯承载表面的设置。

图3。用于评估膝关节植入物中聚乙烯承载表面的设置。

为了比较Oxford®部分膝关节与其他设计的强度，将该部件置于轨道上的两辆小车之间(图4)。使用聚乙烯垫片将载荷施加到该部件上，然后由Lloyd EZ50测试机施加载荷。测试速度为0.5 mm分^－1，当kN达到5kn或部件断裂或变形时，试验终止。

测试牛津部分膝关节植入物。

图4。测试牛津部分膝关节植入物。

总结

这篇文章强调了材料测试可以用来评估骨科植入物的几种方法。亚博网站下载Biomet不仅自己设计和生产植入物，而且还生产手术器械;最终目的是减少病人的创伤、疼痛和恢复时间。骨关节炎可以使日常活动，如走路，开车，甚至站立极其痛苦。最新的技术正在被用于缓解这种不舒服的状况。

Oxford®是Biomet UK Ltd的注册商标

参考文献

这些信息来源于劳埃德仪器有限公司提供的资料。亚博网站下载

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引用

请在你的文章、论文或报告中使用下列格式之一来引用这篇文章:

美国心理学协会
劳埃德仪器有限公司. .(2020年2月24日)。矫形植入物的力学测试。AZoM。于2021年7月02日从//www.washintong.com/article.aspx?ArticleID=4926检索。
MLA
劳埃德仪器有限公司. .《骨科植入物的力学测试》。AZoM．2021年7月02。< //www.washintong.com/article.aspx?ArticleID=4926 >。
芝加哥
劳埃德仪器有限公司. .《骨科植入物的力学测试》。AZoM。//www.washintong.com/article.aspx?ArticleID=4926。(2021年7月2日生效)。
哈佛大学
劳埃德仪器有限公司. .2020.矫形植入物的力学测试．AZoM, viewed July 2021, //www.washintong.com/article.aspx?ArticleID=4926。