基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的3D打印脛骨重建假體治療脛骨近端嚴(yán)重骨缺損

來源： 生物設(shè)計與制造BDM

本研究論文聚焦于脛骨近端嚴(yán)重骨缺損患者的關(guān)節(jié)重建假體的設(shè)計與驗(yàn)證。目前對于此類患者，臨床上通常選擇鉸鏈膝關(guān)節(jié)假體進(jìn)行重建，但術(shù)后假體生存率并不理想。本研究提出利用拓?fù)鋬?yōu)化和網(wǎng)格化技術(shù)設(shè)計一種新型的個體化定制脛骨重建假體，從而提高假體的生物力學(xué)性能，為臨床假體設(shè)計提供新的思路。本研究通過三維重建技術(shù)完成脛骨非均質(zhì)仿真建模；通過步態(tài)分析獲取完整步態(tài)周期內(nèi)脛骨平臺受力依據(jù)；通過拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)及梯度化網(wǎng)格設(shè)計完成定制化假體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；通過有限元分析技術(shù)完成假體與骨系統(tǒng)的生物力學(xué)分析；通過3D金屬打印完成假體的制造，并利用生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)完成生物力學(xué)的驗(yàn)證。

根據(jù)研究結(jié)果顯示，優(yōu)化后假體減重77%，假體柄遠(yuǎn)端應(yīng)力峰值下降39.1%，柄遠(yuǎn)端微動降低49.7%，脛骨應(yīng)力及應(yīng)變能峰值分別增大39.6%和61.5%，說明優(yōu)化后假體與骨之間的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)顯著降低，遠(yuǎn)期發(fā)生假體松動、假體周圍骨折及假體柄遠(yuǎn)端疼痛的風(fēng)險被有效避免，假體的生物力學(xué)性能得到優(yōu)化。

圖1 脛骨非均質(zhì)建模（A），步態(tài)分析獲取關(guān)節(jié)力（B），假體及脛骨有限元模型（C）

圖2 假體的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計和網(wǎng)格化設(shè)計（A，B）以及假體柄和脛骨有限元分析（C，D）

圖3 假體柄應(yīng)力分布（A，C）以及脛骨應(yīng)力分布（B，D）

圖4 生物力學(xué)試驗(yàn)用裝置設(shè)計和平臺搭建（A，B）及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（C）

參考文獻(xiàn)：略