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人工膝关节仿生结构设计和生物力学关键技术及应用摘要：人工膝关节置换手术是治疗严重膝关节疾病的有效方法，随着科技的发展和医疗技术的进步，人工膝关节仿生结构设计和生物力学关键技术也在不断改进和完善。
本文将从仿生结构设计和生物力学两个方面，探讨相关的关键技术和应用。
一、人工膝关节仿生结构设计1. 人工膝关节仿生结构设计原理人工膝关节仿生结构设计的核心原理是模仿人体自然膝关节的结构和功能，使得人工膝关节能够实现与自然膝关节相似的运动和负荷承受能力。
其设计包括关节表面形状、材料选择、螺纹连接等方面。
2. 关节表面形状设计人工膝关节的关节表面形状设计是仿生结构设计的重要组成部分。
通常采用球面和杯形的组合结构，以使得关节在屈伸运动中能够保持相对稳定的接触，并减少摩擦和磨损。
3. 材料选择人工膝关节的材料选择对其仿生结构设计至关重要。
常见的材料包括金属、塑料和陶瓷，不同材料具有不同的机械性能和生物相容性，需要根据患者的具体情况进行选择。
4. 螺纹连接设计人工膝关节的螺纹连接设计是为了使关节能够牢固地植入到骨骼中，以确保其稳定性和持久性。
通过合理的螺纹设计，可以实现关节与骨骼的紧密结合，减少松动和脱位的风险。
二、人工膝关节生物力学关键技术及应用1. 人工膝关节荷载分析人工膝关节的设计需要考虑到生物力学的要求，即在不同活动状态下对人工膝关节施加的力和压力。
采用有限元分析等技术，可以对人工膝关节在站立、行走、跑步等状态下的荷载进行模拟和分析，从而指导其设计和优化。
2. 人工膝关节运动学分析人工膝关节的运动学分析是指对其活动范围、角度和速度等参数进行测量和分析。
通过运动学分析，可以评估人工膝关节的功能和稳定性，并为其仿生结构设计提供参考依据。
3. 人工膝关节磨损和疲劳分析人工膝关节在长期使用过程中容易出现磨损和疲劳现象，因此需要进行磨损和疲劳分析以评估其使用寿命和安全性。
通过仿生学试验和模拟，可以对人工膝关节的磨损和疲劳进行定量分析，为其优化和改进提供数据支持。
膝关节及全人工膝关节之生物力学探讨膝关节为人体重要关节之一，具有将上半身重量传到足部的功能，并随时调整人体重心(center of gravit)，以达到最省力之步态。
除此之外，膝关节(knee joint)在人体静态及动态活动时可用来之撑身体，致使其稳定性就相当重要。
世界卫生组织在一九九八年公布数据显示全世界约有十三亿五千五百万人患有膝关节炎。
国内每年约有一万个病例会进行置换全人工膝关节手术(total knee arthroplasty, TKA)。
图一为一个全人工膝关节构造与装置示意图。
当患者之关节炎严重时，关节面软骨(subchondral bone)会严重磨损破坏，甚至出现变形，往往会导致疼痛、功能受限及行走不便，以致无法正常活动，此时保守治疗成效不彰，可经由骨科专科医师评估进行人工膝关节置换手术；全人工膝关节置换手术之目的，乃是为长久取代并替换原有关节的功能，但在临床上膝关节置换后所产生之过大的接触应力(contact stress)[3-7]会导致超高分子量聚乙烯层的磨耗(UHMWPE wear)(图二)，进而造成全人工膝关节之置换后失败。
造成过大界面接触应力的因素极多，除了全人工膝关节本身的设计外，手术时的定位不当亦是其中之一[8,9]。
定位不当会造成膝关节承受过高的负载或是关节面间接触面积太小，会导致过高的接触应力产生，伴随着病人日常生活中的周期反复运动，将导致超高分子量聚乙烯层之1磨耗破坏，进而造成置换后失败[4]。
图一、全人工膝关节置换构造图二、全人工膝关节UHMWPE 磨耗2膝关节(knee joint)主要是由股骨髁(femoral condyle)、胫骨平台(tibia)、髌骨(patella)及周围滑膜囊、关节囊、韧带(ligaments)、半月板(meniscus)和肌肉等组织所共同构成(如下图三,四)[2][10]。
膝关节主要包括两个关节面所组成，一为胫股骨关节(tibiofemoral joint)，另一为髌股骨关节(patellofemoral joint)。
