莱斯大学的迈克·威廉姆斯 莱斯大学的工程师们设计了一个计算模型，最终将作为一个引擎来预测一个特定病人的髋关节植入手术可以持续多长时间
它结合了流体动力学和植入物磨损的物理学，旨在简化未来植入物设计中的试错法
信用:维基百科 莱斯大学的工程师们希望通过模拟人工髋关节可能会以错误的方式摩擦关节来改善关节置换患者的生活
布朗工程学院机械工程师弗雷德·希格斯实验室的计算研究模拟并跟踪了髋关节的进化过程，独特地结合了流体动力学和关节表面的粗糙度，以及临床医生通常用来预测植入物在预期的15年寿命中表现如何的因素
该团队的近期目标是推进更坚固假体的设计
他们说，最终，该模型可以帮助临床医生根据性别、体重、年龄和步态变化来个性化患者的髋关节
希格斯和合著者之一、莱斯大学研究生妮娅·克里斯蒂安以及莱斯大学机械工程讲师、现为陶氏化学公司研究科学家的加根·斯里瓦斯塔瓦在《生物核糖》杂志上报道了他们的研究结果
研究人员认为，有必要超越早期机械研究和标准临床实践的局限性，这些研究和实践使用简单的步行作为基础来评估人工髋关节，而没有纳入更高影响的活动
“当我们与外科医生交谈时，他们告诉我们，他们的许多决定是基于他们丰富的经验，”克里斯蒂安说
“但有些人表示希望有更好的诊断工具来预测一个植入物能持续多长时间
“15年听起来很长，但是如果你需要给一个年轻活跃的人植入人工髋关节，你希望它能持续更长时间，这样他们就不用做多次手术，”她说
希格斯粒子流和摩擦学实验室是应莱斯机械和生物工程专家邀请成立的
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最近，他与他人合作，模拟人体运动，以改善神经和骨科损伤患者的生活
“他想知道我们是否能预测他们最好的候选髋关节会持续多久，”希格斯说，他是赖斯的约翰和安·多尔机械工程教授，也是生物工程的联合教授，他父亲的膝盖置换部分启发了这项研究
“所以我们的模型使用真实病人的行走动作
" 物理模拟器需要运行数百万个周期来预测磨损和故障点，可能需要几个月才能得到结果
希格斯模型试图通过分析真实的运动捕捉数据来加速和简化这一过程，这些真实的运动捕捉数据是由弗雷里实验室产生的，同时还有柏林自由大学的乔治·博格曼研究的“仪器化”髋关节植入物的数据
这项新的研究结合了四种不同的物理模式——接触力学、流体动力学、磨损和粒子动力学——在臀部运动中发挥作用
据研究人员称，之前没有研究同时考虑这四个因素
其他人没有考虑到的一个问题是骨头之间润滑剂组成的变化
天然关节含有滑液，一种类似蛋清的细胞外液体，由滑膜分泌，滑膜是连接关节的结缔组织
当髋关节被替换时，膜被保留并继续分泌液体
“在健康的自然关节中，液体产生足够的压力，这样你就不会有接触，所以我们走路都没有疼痛，”希格斯说
“但人工髋关节通常会发生局部接触，随着时间的推移，这种接触会越来越多地磨损和恶化植入的关节
我们称这种摩擦为混合润滑
" 这种摩擦会导致磨损碎片的产生增加，尤其是塑料材料——一种超高分子量聚乙烯——通常用作人工关节的承窝(髋臼杯)
这些颗粒的大小估计高达5微米，与滑液混合后有时会脱离关节
“最终，他们可以松开植入物或导致周围组织分解，”克里斯蒂安说
“它们经常被带到身体的其他部位，在那里它们会引起骨质溶解
关于它们最终会在哪里有很多争论，但是你要避免让它们刺激你身体的其他部分
" 她指出，使用金属插座而不是塑料插座是一个有趣的话题
“金属对金属的臀部受到了强烈的推动，因为金属是耐用的，”克里斯蒂安说
“但其中一些会导致金属屑脱落
随着时间的推移，它们越来越多，似乎比聚乙烯颗粒更具破坏性
" 这项新研究的进一步灵感来自希格斯和他的同事们之前的两篇与生物工程无关的作品
第一个是集成电路制造中使用的半导体晶片的化学机械抛光
第二个将他们的预测模型从微尺度推进到全晶片尺度的界面
研究人员指出，该模型的未来迭代将包含更多用于关节置换的新材料
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