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国内动态 | 3D打印优化结构髋关节植入体
发布时间:2021.09.08    新闻来源:南极熊   浏览次数:

 

 

全髋关节置换术(total hip arthroplasty, THA)作为一种有效的治疗骨关节炎的方法,每年成功实施超过100万例,对髋关节植入体的研究一直是热门的研究方向。3D打印作为一种先进的制造技术,凭借其可以成形任意形状的特点,能够应用于制造复杂的几何结构。因此通过3D打印工艺将髋关节结构的拓扑优化设计和制造相结合,实现植入体的性能改善,对THA技术的提升具有重大科学研究意义。

华南理工大学王英俊教授团队采用比例拓扑优化(proportional topology optimization, PTO)方法对髋关节植入体进行了结构设计计算,如图1所示。研究中,对PTO方法进行了扩展,将孔隙大小、孔隙度等约束条件转化为单元密度的上下限,并构造了两种密度更新策略来处理界面失效和疲劳约束。其中,引入界面失效约束以防止骨植入体的微运动,将疲劳约束应用于微点阵结构以保证维持生理机械载荷所需的强度。

图1 髋关节植入体优化设计流程图
基于以上设计方法,通过3D打印技术实现了髋关节植入体优化结构的制造,如图2所示。该植入体已经应用于在临床手术,其性能已经通过骨吸收进行了数值评估,骨吸收是一种描述应力屏蔽导致骨丢失的优点数字。术后条件的结果表明,优化后的晶格种植体的骨丢失仅为完全固体钛种植体的41.9%,证明了该植入体结构的性能得到了明显的提升。同时,这一进展也印证了结构拓扑优化和3D打印的结合具有很大的应用前景。

图2 髋关节优化结构实物图
参考文献:
[1] Yingjun Wang, Sajad Arabnejad, Michael Tanzer et al. Hip Implant Design With ThreeDimensional Porous Architecture of Optimized Graded Density Journal of Mechanical Design 2018 Vol.140 NOVEMBER Downloaded From: https://mechanicaldesign.asmedigitalcollection.asme.org/ on 09/11/2018 Terms of Use: http://www.asme.org/about-asme/terms-of-use

 

 
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