3D打印優(yōu)化結構髖關節(jié)植入體

供稿人：黃一鳴 、田小永
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

全髖關節(jié)置換術(total hip arthroplasty, THA)作為一種有效的治療骨關節(jié)炎的方法，每年成功實施超過100萬例，對髖關節(jié)植入體的研究一直是熱門的研究方向。3D打印作為一種先進的制造技術，憑借其可以成形任意形狀的特點，能夠應用于制造復雜的幾何結構。因此通過3D打印工藝將髖關節(jié)結構的拓撲優(yōu)化設計和制造相結合，實現(xiàn)植入體的性能改善，對THA技術的提升具有重大科學研究意義。

華南理工大學王英俊教授團隊采用比例拓撲優(yōu)化(proportional topology optimization, PTO)方法對髖關節(jié)植入體進行了結構設計計算，如圖1所示。研究中，對PTO方法進行了擴展，將孔隙大小、孔隙度等約束條件轉化為單元密度的上下限，并構造了兩種密度更新策略來處理界面失效和疲勞約束。其中，引入界面失效約束以防止骨植入體的微運動，將疲勞約束應用于微點陣結構以保證維持生理機械載荷所需的強度。

圖1 髖關節(jié)植入體優(yōu)化設計流程圖

基于以上設計方法，通過3D打印技術實現(xiàn)了髖關節(jié)植入體優(yōu)化結構的制造，如圖2所示。該植入體已經(jīng)應用于在臨床手術，其性能已經(jīng)通過骨吸收進行了數(shù)值評估，骨吸收是一種描述應力屏蔽導致骨丟失的優(yōu)點數(shù)字。術后條件的結果表明，優(yōu)化后的晶格種植體的骨丟失僅為完全固體鈦種植體的41.9%，證明了該植入體結構的性能得到了明顯的提升。同時，這一進展也印證了結構拓撲優(yōu)化和3D打印的結合具有很大的應用前景。

圖2 髖關節(jié)優(yōu)化結構實物圖

參考文獻：
[1] Yingjun Wang, Sajad Arabnejad, Michael Tanzer et al. Hip Implant Design With ThreeDimensional Porous Architecture of Optimized Graded Density Journal of Mechanical Design 2018 Vol.140 NOVEMBER Downloaded From: https://mechanicaldesign.asmedigitalcollection.asme.org/ on 09/11/2018 Terms of Use: http://www.asme.org/about-asme/terms-of-use