Finite Element Analysis for the Contact Stress of Ultra-high Molecular Weight Polyethylene in Total Knee Arthroplasty

전 슬관절 치환 성형술에 사용되는 초고분자량 폴리에틸렌 삽입물의 접촉응력에 관한 유한요소해석

Because of bone resorption, wear of ultra-high molecular weight polyethylene(UHMWPE) in total knee arthroplasty has been recognized as a major factor in long-term failure of knee implant. The surface damage and the following harmful wear debris of UHMWPE is largely related to contact stress. Most of the previous studies focused on the contact condition only at the articulating surface of UHMWPE. Recently, contact stress at the metal-backing interface has been implicated as one of major factors in UHMWPE wear. Therefore, the purpose of the is study is to investigate the effect of the contact stress for different thickness, conformity friction coefficient, and flexion degree of the UHMWPE component in total knee system, considering the contact conditions at both interfaces. In this study, a two-dimensional non-linear plane strain finite element model was developed. The results showed that the maximum value of von-Mises stress occurred below the articulating surface and the contact stress was lower for the more conforming models. All-polyethylene component showed lower stress distribution than the metal-backed component. With increased friction coefficient on the tibiofemoral contact surface, the maximum shear stress increased about twofold.

인공 슬관절에 사용되는 초고분자량 폴리에틸렌(Ultra-high molecular weight polyethylene : UHMWPE)의 마모는 삽입물의 수명을 결정하는 주요 요인으로 작용한다. UHMWPE의 마모로 입자가 발생하여 조직반응을 일으키고 이에 따른 일련의 반응으로 골용해가 일어나 인공관절의 실패의 원인으로 작용한다. 여러 보고들에 의하면 관절 운동시 발생하는 접촉응력은 UHMWPE의 마모에 영향을 미치는 주요한 인자 중 하나로 알려져 있다. 그러나 이러한 보고들은 관절 접촉면에서의 접촉 조건만을 고려했고 UHMWPE 삽입물을 지지하고 있는 금속 지지판과의 접촉면에서의 접촉 조건은 고려하지 않았다. 본 연구에서는 이러한 접촉 조건들을 고려하여 UHMWPE의 모양, 두께, 마찰, 굴곡 정도 그리고 구성 요소들에 대한 UHMWPE 표면과 내부에서의 응력해석을 통해 이들 변수가 UHMWPE의 마모현상에 미치는 영향을 알아보았다. UHMWPE의 모양에 따른 관절의 일치정도(conformity)에 대한 영향의 경우, 일치정도가 높은 모델이 응력을 줄여줄 수 있는 유형으로 나타났으며, 금속 지지판과의 접촉면에서 접촉조건을 준 경우가 완전히 결합된 것으로 가정한 경우보다 UHMWPE 내부에서의 최대 응력이 1-2mm 더 아래에서 나타났다. 또한 UHMWPE로만 된 유형이 금속 지지판이 있는 유형보다 낮은 응력분포를 보여줌으로써 높은 응력으로 인한 UHMWPE의 마모와 균열을 줄이기 위해서는 UHMWPE로만 된 유형의 삽입물의 사용이 좋을 것으로 사료되었다.