天津工業(yè)大學：3D打印骨小梁的形態(tài)特征和應(yīng)力分析

供稿人:秦曉、高琳
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

3D打印技術(shù)已作為一種新型的增材制造技術(shù)被成功的應(yīng)用于骨科手術(shù)中。在全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)和全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，使用多孔金屬假體代替受損的關(guān)節(jié)或骨骼，以恢復關(guān)節(jié)正常的功能。但是許多大公司對金屬骨小梁細胞結(jié)構(gòu)的研究在技術(shù)上是機密的，許多醫(yī)院對于購買的3D打印機的二次開發(fā)工作不足，國內(nèi)該領(lǐng)域的研究缺乏對金屬骨小梁細胞結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的研究。

為此，天津工業(yè)大學的張春秋教授等研究了金屬骨小梁的細胞結(jié)構(gòu)設(shè)計，從骨小梁的孔隙率和強度方面研究了骨小梁的結(jié)構(gòu)和功能的規(guī)律性，通過進行一系列對比實驗分析，所制備的骨小梁細胞可用于制備假體從而提高假體置換的效果。

在八種不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的骨小梁細胞的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件對其形態(tài)特征和力學性能進行分析。并根據(jù)分析結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)對細胞結(jié)構(gòu)進行進一步的優(yōu)化，其目的是在盡可能不降低孔隙率的基礎(chǔ)上提高骨小梁細胞的橫截面積。根據(jù)力學性能實驗分析結(jié)果從骨小梁細胞結(jié)構(gòu)的孔隙率和承載能力兩個方面篩選出三種符合實驗要求的細胞結(jié)構(gòu)。

圖1 8種骨小梁細胞的三維模型圖

在八種不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的骨小梁細胞的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件對其形態(tài)特征和力學性能進行分析。并根據(jù)分析結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)對細胞結(jié)構(gòu)進行進一步的優(yōu)化，其目的是在盡可能不降低孔隙率的基礎(chǔ)上提高骨小梁細胞的橫截面積。根據(jù)力學性能實驗分析結(jié)果從骨小梁細胞結(jié)構(gòu)的孔隙率和承載能力兩個方面篩選出三種符合實驗要求的細胞結(jié)構(gòu)。

基于篩選出的骨小梁細胞，選用不同橫截面形狀建立骨小梁模型，對制備的試樣進行有限元分析，以研究不同骨小梁結(jié)構(gòu)的力學性能，分析截面形狀對骨小梁力學性能的影響。同時采用鈦合金制備同樣尺寸的骨小梁試樣，實驗結(jié)果表明骨小梁式樣的承載能力比理論值高，這是因為與骨小梁試樣的模型相比，通過3D打印技術(shù)制作的骨小梁標本的支柱尺寸更大，孔徑更小。

研究表明，細胞結(jié)構(gòu)的孔隙率與承載能力成反比，孔隙率越大，承載力越低。支柱形狀對試樣承載能力的影響是顯而易見的，適當增大支柱形狀能有效地提高骨小梁結(jié)構(gòu)的承載能力。

參考文獻：
C. Zhang et al., "Morphological Characteristics and Stress Analysis of 3D Printed Trabeculae," 2019 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA), Tianjin,China,2019,pp.1367-1371.http://ieeexplore.ieee.org/stamp ... 65&isnumber=8815965