供稿人：黃一鳴 、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-09-05
全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(total hip arthroplasty, THA)作為一種有效的治療骨關(guān)節(jié)炎的方法，每年成功實(shí)施超過(guò)100萬(wàn)例，對(duì)髖關(guān)節(jié)植入體的研究一直是熱門的研究方向。3D打印作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，憑借其可以成形任意形狀的特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于制造復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。因此通過(guò)3D打印工藝將髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和制造相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)植入體的性能改善，對(duì)THA技術(shù)的提升具有重大科學(xué)研究意義。
華南理工大學(xué)王英俊教授團(tuán)隊(duì)采用比例拓?fù)鋬?yōu)化(proportional topology optimization, PTO)方法對(duì)髖關(guān)節(jié)植入體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，如圖1所示。研究中，對(duì)PTO方法進(jìn)行了擴(kuò)展，將孔隙大小、孔隙度等約束條件轉(zhuǎn)化為單元密度的上下限，并構(gòu)造了兩種密度更新策略來(lái)處理界面失效和疲勞約束。其中，引入界面失效約束以防止骨植入體的微運(yùn)動(dòng)，將疲勞約束應(yīng)用于微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以保證維持生理機(jī)械載荷所需的強(qiáng)度。
圖1 髖關(guān)節(jié)植入體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖
基于以上設(shè)計(jì)方法，通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了髖關(guān)節(jié)植入體優(yōu)化結(jié)構(gòu)的制造，如圖2所示。該植入體已經(jīng)應(yīng)用于在臨床手術(shù)，其性能已經(jīng)通過(guò)骨吸收進(jìn)行了數(shù)值評(píng)估，骨吸收是一種描述應(yīng)力屏蔽導(dǎo)致骨丟失的優(yōu)點(diǎn)數(shù)字。術(shù)后條件的結(jié)果表明，優(yōu)化后的晶格種植體的骨丟失僅為完全固體鈦種植體的41.9%，證明了該植入體結(jié)構(gòu)的性能得到了明顯的提升。同時(shí)，這一進(jìn)展也印證了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和3D打印的結(jié)合具有很大的應(yīng)用前景。
圖2 髖關(guān)節(jié)優(yōu)化結(jié)構(gòu)實(shí)物圖