初次承重引发骨水泥柄界面脱粘损伤的分析(4)

图4 骨水泥损伤断口裂纹示意图Figure 4 Schematic map of bone cement damage fracture crack图注：图中Ⅰ为聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中断裂裂纹；Ⅱ为聚甲基丙烯酸甲酯颗粒间断裂裂纹。

图5 骨水泥试样剪切实验X射线图Figure 5 X-ray images of shear experiments of bone cement specimens图注：图中A为骨水泥试样界面近端裂纹角度；B为骨水泥试样界面远端裂纹角度。

图6 脱粘实验后骨水泥断面扫描图(超声显微镜)Figure 6 Cross-sectional CT scanning images of bone cement after debonding experiments (acoustic microscope)图注：图中a为缺陷，b为灰洞，c为裂纹，d为孔隙。

2.3.2 界面裂纹尖端力学分析 脱粘早期，骨水泥内部裂纹受柄径向压应力作用，形成张开型裂纹，而后界面错动，裂纹受力机制发生变化，裂纹由张开型转为滑开型[28，31，35]。由于早期张开型裂纹尺寸和形状极不规则，文章主要针对影响损伤的滑开型裂纹进行研究。基于弹性断裂力学理论及试验数据，以滑开型(Ⅱ型)裂纹方法研究裂纹尖端附近的应力场和位移场，根据统计测量得裂纹的角度范围(63±12)°≤θ≤(99±11)°。

图5测量裂纹长度85.87 μm和62.5°≤θ≤98.8°进行计算。

裂纹尖端应力场：

裂纹尖端位移场：

骨水泥断裂应力强度因子KII为：

骨水泥裂纹应力场的断裂韧性指数的应变能量释放率(G)为：

其中Pc是断裂载荷，r是界面半径，AL是载荷面积，E是骨水泥试样的弹性模量。

2.3.3 骨水泥材料缺陷对裂纹萌生的影响 图6表明骨水泥固化过程中，部分空气和化合过程中产生的气体会滞留在骨水泥椁中，形成气泡空穴、缺陷，密度不均匀而形成灰洞现象，尺寸及密度见表1。骨水泥-柄界面脱粘后，骨水泥椁中的微小裂纹生成，劈裂失效过程会促使骨水泥椁中裂纹在不断扩展。该宏观裂纹扩展路径为骨水泥椁内朝椁中扩展，且裂纹长度为(0.) mm。

表1 脱粘实验后骨水泥椁CT值和缺陷、裂纹、灰洞尺寸Table 1 CT values and size of defects, cracks and gray hole of bone cement coffin after debonding experiments项目 CT值(Hu) 长度(mm) 密度(mm2)气泡 -328 0.18缺陷 765 32.3灰洞 962 67.5裂纹 29 13.85实体 1 943 / /

3 讨论 Discussion

很多研究认为，骨水泥型关节置换松动的本质是骨水泥与假体和骨腔结合强度的破坏，而金属柄与骨水泥的黏结强度由骨水泥中的胶体与金属表面的化学胶着力、骨水泥-柄界面的机械咬合力和骨水泥-金属接触面摩擦力3部分组成[2，8，13，16，20，31，35，41]。有研究发现疲劳损伤过程是引发骨水泥裂纹扩展直至柄下沉失效的主要原因，却很少研究术后骨水泥-柄的初次承重会引发骨水泥-柄和骨水泥的初始损伤[2，13，20，23]。实验发现载荷为2 021.42 N时，骨水泥-柄界面出现初始损伤。患者术后2周左右即可下床进行步态康复训练，有研究发现术后患者(体质量60 kg)步速平均为0.84 m/s，股骨关节加速度为5.01 m/s2；而有学者发现步态运动过程中，股骨所承担载荷脚跟着地相为2 728.32 N，单肢中立相为2 063.88 N，脚趾离地相为2 546.04 N，因此，患者在步态过程中极易引发骨水泥-柄界面的初始损伤。另一方面，有研究统计得出72%髋关节患者体质量指数≥25 kg/m2，属严重肥胖，因此肥胖体质也会加速术后骨水泥体损伤。由此骨水泥-柄界面初始损伤萌生于康复阶段，而非疲劳损伤阶段。实验也发现钛合金棒在纵向变形时，骨水泥对钛合金棒的约束力增大，钛合金-骨水泥之间的摩擦也因钛合金表面变得凹凸不平而略有增大，因而钛合金与骨水泥间的黏结性能反而增强。此时声发射信号已明显增加，意味靠近加载端附近骨水泥-金属界面的胶接力正在逐步失效。随着载荷增加，钛合金埋置区内的径向弹性形变逐渐增加，导致骨水泥椁内压增大，骨水泥内细观裂纹和损伤带萌生，声发射信号能量增强，使得骨水泥椁体积膨胀，导致骨水泥保护层开裂甚至剥落，降低外围骨水泥对钛合金柄的约束，以致削弱柄对骨水泥的黏结锚固作用，最终降低构件的承载力。柄承受载荷增加，导致不同区域骨水泥-柄界面的机械咬合力失效，该界面完全分离形成摩擦阶段，引发骨水泥内部细观裂纹断裂萌生和扩展，而劈裂过程会因载荷的波动，引发骨水泥裂纹扩展。而骨水泥椁会因界面剪滞效应和压缩导致裂纹损伤带再次压实，恢复骨水泥椁对柄的约束力平衡。

实验后钛合金界面的凹凸不同犁沟形貌损伤程度，其形成原因，一方面，在外腔约束下，灌注骨水泥聚合过程中形成钛合金界面机械锁合固定。在钛合金承载过程中，因载荷不断加大，钛合金柄压缩变形的同时受到外腔(股骨腔)传递给骨水泥的外部约束箍紧，加大了垂直于界面的压力，使得钛合金与骨水泥界面的摩擦力增大；另一方，面由于骨水泥本身聚合过程中，在骨水泥内及与柄界面存留大量微小孔穴，也造成金属从基体剥落，形成金属基体峰谷差异。该结果得到临床印证[4，20]。

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