半月板损伤研究新突破：南方医科大学利用虚拟仿真技术探索ACF材料鞋垫的优势

研究背景 

半月板作为维持下肢运动稳定和缓解地面冲击的重要结构，时刻承受着巨 大的压力，也十分容易损伤。反复的急慢性损伤最终都可导致半月板撕裂，不 仅如此，当半月板撕裂发生后，不论是手术治疗还是保守治疗都很难阻止膝关 节骨性关节炎（Knee Osteoarthritis，KOA）的发生。具有缓冲性能的鞋垫可通过 减缓和吸收足与地面撞击产生的冲击，从而缓解膝关节所受到的压力，延缓半 月板损伤。而传统的 EVA 材料鞋垫的减震效果较差，对于损伤的膝关节并不能 够起到良好的保护作用。

现有三种新型材料（ACF、U35 和 UF）已被证实具有 较好的减震效果，但其是否可以缓解半月板撕裂膝关节的压力，延缓 KOA 的发生有待进一步的研究。

研究目的 

本课题旨在评价不同材料的压缩力学特性，探究其对健康男性大学生步态 的影响及其在体缓冲性能，并利用有限元方法分析其对内侧半月板撕裂膝关节 的保护作用。

1. 对 EVA 、ACF、U35 和 UF四种材料，进行 5、10 和 20mm/min 的压缩力学性能实验， 对比其应力-应变曲线及能量吸收性能。

2. 筛选 12 名男性健康大学生受试者，采集受试者穿 4 种鞋垫进行行走和慢摘 要 II 跑时的运动学数据，观察膝关节角度的变化。

3. 采集受试者穿 4 种材料鞋垫进行 5、10 和 15cm 高度的高台单腿垂直下落 足底压力数据，并进行统计学分析。

4. 采集一名受试者右侧膝关节的影像学数据构建健康及损伤膝关节有限元 模型，并加载 10cm 高台垂直下落足跟压力数据进行有限元分析。

   

   研究结果

   1. 获得了 4 种材料的应力应变曲线，HFU 材料在压缩速率为 5 和 10 mm/min 时单位体积能量吸收最大，ACF 材料在压缩速率为 20 mm/min 时最大。

   2.受试者穿着 ACF、 HFU 和 U35 鞋垫慢跑时的膝关节屈曲角度分别为 （55.03±3.69）°、（55.08±2.88）°和（54.88±2.28）°，与穿着 EVA 鞋垫时 （54.42±2.95）°无统计学差异。

   3. 在 10cm 高度垂直下落足底峰值压力结果中，ACF 和 HFU 鞋垫与 EVA 鞋垫有统计学差异，其中 ACF 鞋垫在 10cm 高度结果最小（2174.16±270.63）N。 三种新型材料鞋垫的 10cm 高度垂直下落足底峰值压力体重比结果与 EVA 鞋垫 均有统计学差异。

   4.使用 3 种新型材料鞋垫的膝关节应力均小于 EVA 鞋垫，撕裂的内侧半月 板应力峰值（MPa）：12.32（EVA），10.19（HFU），9.33（U35），9.02（ACF）。

   研究结论

   1. ACF 材料与 EVA 材料具有相似的应力-应变曲线形式，且具有应变率效 应，HFU 材料和 ACF 材料的能量吸收性能优于 EVA 材料。 2.ACF、HFU 和 U35 鞋垫均可有效降低足底应力，其中 ACF 鞋垫效果最好。（通 过对于损伤膝关节应力分布比较推断，10cm高度垂直下落时，各个材料的减震 性能：ACF材料＞U35材料＞HFU材料＞EVA材料。）

   3.内侧半月板后角发生放射状撕裂后，三种新型材料均可通过有效降低关节 间应力的方式保护损伤的膝关节，其中ACF材料制成的ACF人工软骨鞋垫效果最佳。

资源来源：《南方医科大学——不同材料缓冲鞋垫对半月板撕裂保护作用的虚拟仿真研究》