不同厚度和材料的顱骨植入物力學(xué)性能

供稿人：惠億軍 王玲
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展及其整體性能已經(jīng)徹底改變了許多領(lǐng)域，如制造業(yè)、教育、醫(yī)療保健等。受益于該技術(shù)，為植骨醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（顱骨成形術(shù)）提供了更多的治療選擇和提高質(zhì)量。到目前為止，只有少數(shù)研究模擬和評(píng)估了對(duì)較大顱骨缺損的患者尤其重要的因素：植入物形狀、位置、機(jī)械載荷特性和植入物-骨界面幾何形狀的作用。根據(jù)臨床和工程經(jīng)驗(yàn)，與此類缺陷相關(guān)的顱骨植入物的生物力學(xué)性能主要受以下兩個(gè)因素影響:植入物材料和植入物厚度。

捷克布爾諾理工大學(xué)通過有限元的計(jì)算建模方法和統(tǒng)計(jì)評(píng)估來研究作為不同厚度和材料的顱植入體的力學(xué)行為，模型包括固定微型鋼板和微型螺釘?shù)脑敿?xì)幾何形狀。

如圖1所示，構(gòu)建了一個(gè)由顱骨、顱骨植入物、微型鋼板和微型螺釘組成的解剖模型，包括PMMA、PEEK和Ti6Al4V三種不同的顱骨植入材料。

圖1 模型幾何:a)較小缺陷的粗模型(圓形，2412mm2)， b)較大缺陷的粗模型(橢圓形，8030mm2)， c)子模型

如圖2所示，通過三個(gè)力作用：顱內(nèi)壓15mmHg +垂直作用在植入物上的外力5kg(標(biāo)記為ICP + force)；顱內(nèi)壓15mmHg +外力5kg，通過植入物中心以+45角作用(標(biāo)記為ICP + force(+45))；顱內(nèi)壓15mmHg +通過植入物中心45度角的外力5kg(標(biāo)記為ICP +力(-45))。來計(jì)算模型的應(yīng)變和機(jī)械應(yīng)力。

圖2 加載場景

結(jié)果如圖3所示，PMMA和PEEK植入物的變形幅度始終大于相同厚度的Ti6Al4V植入物，在所有的配置中，最薄的PMMA植入配置導(dǎo)致兩種微型板的應(yīng)力最高而最厚的鈦合金植入體使微板的應(yīng)力最小。因此，可以得出結(jié)論：植入物材料的楊氏模量和結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)植入物的撓度有顯著影響，且楊氏模量的影響比厚度的影響更為顯著。顱骨缺損的大小顯著影響植入物的撓度;但其顯著性遠(yuǎn)低于楊氏模量或厚度的顯著性。

圖3 比較PMMA、PEEK和鈦合金植入物在50倍放大的粗模型中，在外力載荷下的位移[mm]。上排:小缺陷(3412mm2);下排:缺陷較大(8030mm2)

參考文獻(xiàn)：
Marcián P, Narra N, Borák Let al. Biomechanical performance of cranial implants with different thicknesses and material properties: A finite element study[J]. Computers in Biology and Medicine, 2019,109:43-52.