研究：低剛性の多孔質股関節茎の設計と分析

2つの主要な問題は、総股関節置換術に関連しています。1）ストレスシールドと2）インプラント材料の特定の元素に対する有害組織反応。この点で、多孔質インプラントは、骨の内部の剛性と空孔が低く、固体茎と比較してヒトの骨により適しています。さらに、TNZT（TI35NB7ZR5TA）やTMZF（TI12MO6ZR2FE）などの第2世代のチタン生物医学合金は、一般的なTI6AL4V合金のアルミニウムおよびバナジウム要素に関連する有害な組織反応を防ぐために導入されています。現在の作業では、異なる潜在性の立方TI6AL4V構造の一軸圧縮試験に基づいて分析が実行され、ギブソンアシュビーモデルに従って構造の相対密度を構造の機械的特性に関連付ける支配方程式を予測しました。多孔質股関節ステムインプラントに新しいチタン合金を組み込むことにより得られたストレス分布の変化を評価するために、数値研究が実施されました。TNZTおよびTMZFの機械的特性でモデル化されたインプラントは、降伏強度に関して、それぞれ最小安全係数1.69および3.02を示しました。結果は、多孔質Ti6Al4Vインプラントと比較して、それぞれ最大7％および15％までの等価Von Misesストレスの増加と、それぞれ最大7％および15％の最大弾性株の増加を示しました。

Two major problems are associated with total hip replacement: 1) stress shielding and 2) the adverse tissue reaction to certain elements of the implant material. In this regard, a porous implant provides lower stiffness and vacancies for bone ingrowth, making it more suitable for the human bone compared with a solid stem. Moreover, second-generation titanium biomedical alloys, such as TNZT (Ti35Nb7Zr5Ta) and TMZF (Ti12Mo6Zr2Fe), have been introduced to prevent the adverse tissue reactions related to aluminum and vanadium elements of the popular Ti6Al4V alloy. In the current work, an analysis was performed based on uniaxial compression testing of cubic Ti6Al4V structures of different porosities to predict the governing equations that relate the relative density of the structure to the mechanical properties of the structure according to the Gibson-Ashby model. A numerical study was conducted to evaluate the change in stress distribution obtained by incorporating the new titanium alloys in porous hip stem implants. Implants modeled with the mechanical properties of TNZT and TMZF showed a minimum safety factor of 1.69 and 3.02, respectively, with respect to the yield strength. The results demonstrated an increase in the equivalent von Mises stresses and maximum principal elastic strain up to 7% and 15%, respectively, compared with the porous Ti6Al4V implant and up to 108% and 156%, respectively, compared with the solid Ti6Al4V implant.