独特的研究纳入流体动力学和更多的评估，增强未来植入物
莱斯大学的工程师们希望通过模拟人造髋关节如何可能以错误的方式摩擦它们来改善那些有置换关节的人的生活。
布朗的计算研究工程学院实验室的机械工程师弗雷德希格斯粒子模拟和跟踪臀部如何演变,独特的结合流体动力学和联合表面粗糙度以及临床医生通常使用预测因素植入物会站起来在他们预期15年寿命。
该团队的近期目标是推进更坚固的假体的设计。最终，他们说这个模型可以帮助临床医生根据患者的性别、体重、年龄和步态变化来个性化髋关节。
莱斯大学的工程师们设计了一个计算模型，该模型最终将作为引擎，预测髋关节植入物对特定患者的持续时间。它结合了流体动力学和植入物磨损的物理原理，旨在简化未来植入物设计中的试错过程。资料来源:维基百科
希格斯和共同第一作者Nia Christian(莱斯大学的研究生)，以及Gagan Srivastava(莱斯大学的机械工程讲师，现在是陶氏化学的一名研究科学家)在《生物摩擦学》上报告了他们的研究结果。
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，即使用简单的步行作为基线来评估人工髋关节，而不合并高影响的活动。
“当我们与外科医生交谈时，他们告诉我们，他们的很多决定都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植入物的寿命。
她说:“15年听起来很长，但如果你需要给年轻和活跃的人植入人工髋关节，你希望它能持续更久，这样他们就不会多次手术。”
希格斯的颗粒流和摩擦学实验室受莱斯机械工程师和生物工程师B.J.弗雷格的邀请，合作他的工作，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，我们能否预测他们的最佳候选髋关节能维持多久，”希格斯说。他是赖斯大学机械工程约翰和安·杜尔(John and Ann Doerr)教授，也是生物工程的联合教授，他父亲的膝关节置换手术在一定程度上启发了这项研究。“所以我们的模型使用的是真实患者的行走动作。”
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。希格斯的模型试图通过分析真实的动作捕捉数据来加速和简化这一过程，就像弗雷格实验室所产生的数据，以及柏林自由大学(Free University of Berlin)的格奥尔格·伯格曼(Georg Bergmann)所研究的“仪器化”髋关节植入物的数据。
这项新研究融合了四种不同的物理模式
2接触力学、流体动力学、磨损和粒子动力学
2在髋关节运动中发挥作用。研究人员表示，此前没有研究同时考虑这四种因素。
其他人没有考虑到的一个问题是骨骼间润滑剂的组成变化。天然关节含有滑膜液，一种粘稠度类似蛋清的细胞外液体，由滑膜分泌，滑膜是排列关节的结缔组织。当髋关节被替换时，膜被保留并继续表达液体。
弗雷德希格斯
Nia基督教
选手Gagan斯利瓦斯塔瓦
希格斯说:“在健康的天然关节中，液体会产生足够的压力，这样你就不会与关节接触，所以我们走路都不会感到疼痛。”“但是人工髋关节通常会发生部分接触，随着时间的推移，植入的关节会越来越磨损和恶化。”我们称之为摩擦混合润滑。”
这种摩擦会导致磨损碎片的增加，尤其是来自塑料材料
2的磨损碎片。
2是一种超高分子量聚乙烯，通常用于人工关节的臼杯(髋臼杯)。据估计，这些颗粒的大小可达5微米，与滑膜液混合后，有时会逃离关节。
“最终，它们会使植入物松动或导致周围组织破坏，”克里斯蒂安说。它们经常被带到身体的其他部位，导致骨溶解。关于它们最终会在哪里结束有很多争论，但你想避免它们刺激你身体的其他部位。”
她指出，使用金属插座而不是塑料插座是一个有趣的话题。克里斯蒂安说:“由于金属耐用，金属对金属髋关节受到了强烈的推动。”“但其中一些会导致金属屑脱落。随着时间的推移，它们的危害似乎比聚乙烯颗粒更大。”
这项新研究的进一步灵感来自于希格斯及其同事之前的两项与生物工程无关的研究。第一次研究的是用于集成电路制造的半导体晶片的化学机械抛光。第二种将他们的预测模型从微观尺度推向了全晶圆尺度的界面。
研究人员指出，该模型的未来迭代将纳入更多用于关节置换的新型材料。
菲利普·多德和玛莎·多德以及德州癌症预防和研究所(CPRIT)支持了这项研究。希格斯还是莱斯大学负责学术事务的副教务长和莱斯工程领导中心的教员主任。
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