天津工業(yè)大學(xué)：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(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fù)關(guān)節(jié)正常的功能。但是許多大公司對(duì)金屬骨小梁細(xì)胞結(jié)構(gòu)的研究在技術(shù)上是機(jī)密的，許多醫(yī)院對(duì)于購(gòu)買的3D打印機(jī)的二次開發(fā)工作不足，國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究缺乏對(duì)金屬骨小梁細(xì)胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的研究。

為此，天津工業(yè)大學(xué)的張春秋教授等研究了金屬骨小梁的細(xì)胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從骨小梁的孔隙率和強(qiáng)度方面研究了骨小梁的結(jié)構(gòu)和功能的規(guī)律性，通過(guò)進(jìn)行一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，所制備的骨小梁細(xì)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(xì)胞的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件對(duì)其形態(tài)特征和力學(xué)性能進(jìn)行分析。并根據(jù)分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)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(xì)胞的橫截面積。根據(jù)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果從骨小梁細(xì)胞結(jié)構(gòu)的孔隙率和承載能力兩個(gè)方面篩選出三種符合實(shí)驗(yàn)要求的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

圖1 8種骨小梁細(xì)胞的三維模型圖

在八種不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的骨小梁細(xì)胞的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件對(duì)其形態(tài)特征和力學(xué)性能進(jìn)行分析。并根據(jù)分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)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(xì)胞的橫截面積。根據(jù)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果從骨小梁細(xì)胞結(jié)構(gòu)的孔隙率和承載能力兩個(gè)方面篩選出三種符合實(shí)驗(yàn)要求的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

基于篩選出的骨小梁細(xì)胞，選用不同橫截面形狀建立骨小梁模型，對(duì)制備的試樣進(jìn)行有限元分析，以研究不同骨小梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，分析截面形狀對(duì)骨小梁力學(xué)性能的影響。同時(shí)采用鈦合金制備同樣尺寸的骨小梁試樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明骨小梁式樣的承載能力比理論值高，這是因?yàn)榕c骨小梁試樣的模型相比，通過(guò)3D打印技術(shù)制作的骨小梁標(biāo)本的支柱尺寸更大，孔徑更小。

研究表明，細(xì)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(duì)試樣承載能力的影響是顯而易見的，適當(dāng)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(xiàn)：
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