TU Delft優(yōu)化3D打印微架構(gòu)植入物，骨重塑性能提高64%

南極熊導(dǎo)讀，3D打印技術(shù)每隔一段時間都會產(chǎn)生產(chǎn)生創(chuàng)新，因?yàn)橥ㄟ^優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，才能釋放這項(xiàng)技術(shù)全部潛力。

△代爾夫特理工大學(xué)的工程師提出了一種新的算法，可以優(yōu)化3D打印骨科植入物

2022年5月31日，代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)的研究人員，他們最近發(fā)表了關(guān)于3D微架構(gòu)植入物優(yōu)化設(shè)計(jì)的最新研究。在這項(xiàng)研究中，他們宣稱，突破了骨科植入物優(yōu)化設(shè)計(jì)的界限。與傳統(tǒng)的實(shí)體植入物相比，優(yōu)化后的3D打印植入物，在骨重塑方面的性能可提高64.0%。

3D可打印微結(jié)構(gòu)材料的最新進(jìn)展，為開發(fā)高度定制的骨科植入物提供了新的可能性。植入物通常由全固體材料制成，但是，這種結(jié)構(gòu)改變了周圍骨組織的載荷傳遞，可能導(dǎo)致界面不穩(wěn)定和骨吸收。

△a)固體b)均勻晶格c)在局部骨重塑和Hoffman界面應(yīng)力優(yōu)化，異質(zhì)晶格鈦植入物的設(shè)計(jì)和性能

同時，為生產(chǎn)具有前所未有的幾何復(fù)雜性的機(jī)械部件提供了機(jī)會。反過來，這種設(shè)計(jì)自由度使工程師能夠設(shè)計(jì)出，性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的組件。

在這項(xiàng)工作中，研究人員提出了基于新的計(jì)算方法，來合成具有異質(zhì)微架構(gòu)的三維(3D)、患者特異性植入物。該方法可同時將負(fù)載引起的界面斷裂，和假體周圍骨重塑的風(fēng)險降至最低，同時將功能和突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)限制放在首要位置。

△泊松比的三種類型。a)正b)零和c)負(fù)

首先，研究人員開發(fā)了一種新穎的參數(shù)化微架構(gòu)，具有理想的功能屬性和廣泛的有效機(jī)械性能，包括正負(fù)泊松比。然后，他們提出了優(yōu)化微架構(gòu)參數(shù)空間配置的配方，以同時最大限度地降低負(fù)載引起的界面骨折和術(shù)后骨重塑的風(fēng)險。

這種新的算法，適用于傳統(tǒng)幾何形狀的3D鈦髖關(guān)節(jié)植入物的設(shè)計(jì)。通過將計(jì)算機(jī)模擬出來的結(jié)果與傳統(tǒng)的實(shí)體植入物對比。經(jīng)過優(yōu)化的3D微架構(gòu)種植體，在骨重塑方面的性能提高了64.0%，界面骨折風(fēng)險為13.2%。

△該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為“3D微架構(gòu)植入物的多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化”的論文中找到（點(diǎn)我傳送門）

目前該研究還沒有進(jìn)行相關(guān)臨床測試，僅限于在計(jì)算機(jī)模擬中取得了研究成果。該研究的意義在于，提出的優(yōu)化策略，能夠同時降低界面骨折的風(fēng)險以及骨重塑（和再吸收）。同時，所提出的方法結(jié)合了通用的骨重塑功能和高效的解耦多尺度策略，能夠以相對較低的計(jì)算成本準(zhǔn)確捕獲界面力學(xué)。

此外，還提出了一種廣義立方反手性參數(shù)微架構(gòu)，非常適合功能梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的機(jī)械性能。