セメント骨界面のマイクロインターロック領域における流体構造相互作用

実験的テストと計算モデリングを使用して、膝総置換の脛骨成分に見られる骨幹セメントインターロック領域での流体のダイナミクスを探索しました。近位脛骨のセメント骨構造物が作成され、術後の即時状態をシミュレートしました。9つの骨幹セメント領域に沿ったギャップ分布は、0〜50.4μm（平均=12μm）の範囲でした。マイクロモーションは0.56〜4.7μmの範囲で、セメントに1 MPa圧縮荷重がかかりました。トラベキューとセメントの間の流体構造解析では、荷重方向、ギャップ閉じる画分（GCF）、ギャップの厚さ、負荷周波数、流体粘度のパラメトリック評価を伴う理想化されたモデルを使用しました。小柱表面に沿った最高の流体せん断応力（926 PA）は、報告された生​​理学的レベル（〜1-5 PA）よりもはるかに大きい非常に薄くて大きなGCFを持つ条件で見つかりました。2番目の流体構造モデルは、流体せん断速度に比例した吸収速度を備えた構成モデルを使用して、骨吸収の規定を備えて作成されました。より低いカットオフが使用されましたが、それ以下では骨の吸収が発生しません（50秒（-1））。結果は、最初の骨柱吸収後に減少した最初のハイチャー速度（> 1000秒（-1））があったことを示しました。吸収は高せん断速度領域で継続され、セメント層の奥深くに骨が残っている最終的な形状になり、死後の回復に見られる形態と一致しています。術後の状態の即時状態の小柱表面とセメントの間の小さな隙間は、超生理学的であると思われる流体の流れ条件を生成します。これらは、マイクロインテルロック領域での骨梁の液体誘発性溶解を引き起こす可能性があります。

Experimental tests and computational modelling were used to explore the fluid dynamics at the trabeculae-cement interlock regions found in the tibial component of total knee replacements. A cement-bone construct of the proximal tibia was created to simulate the immediate post-operative condition. Gap distributions along nine trabeculae-cement regions ranged from 0 to 50.4 μm (mean = 12 μm). Micro-motions ranged from 0.56 to 4.7 μm with a 1 MPa compressive load to the cement. Fluid-structure analysis between the trabeculae and the cement used idealised models with parametric evaluation of loading direction, gap closing fraction (GCF), gap thickness, loading frequency and fluid viscosity. The highest fluid shear stresses (926 Pa) along the trabecular surface were found for conditions with very thin and large GCFs, much larger than reported physiological levels (~1-5 Pa). A second fluid-structure model was created with a provision for bone resorption using a constitutive model with resorption velocity proportional to fluid shear rate. A lower cut-off was used, below which bone resorption would not occur (50 s(-1)). Results showed that there was initially high shear rates (>1000 s(-1)) that diminished after initial trabecular resorption. Resorption continued in high shear rate regions, resulting in a final shape with bone left deep in the cement layer, and is consistent with morphology found in post-mortem retrievals. Small gaps between the trabecular surface and the cement in the immediate post-operative state produce fluid flow conditions that appear to be supra-physiologic; these may cause fluid-induced lysis of trabeculae in the micro-interlock regions.