TU Delft優(yōu)化3D打印微架構植入物，骨重塑性能提高64%

南極熊導讀，3D打印技術每隔一段時間都會產生產生創(chuàng)新，因為通過優(yōu)秀的設計，才能釋放這項技術全部潛力。

△代爾夫特理工大學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(TU Delft)的研究人員，他們最近發(fā)表了關于3D微架構植入物優(yōu)化設計的最新研究。在這項研究中，他們宣稱，突破了骨科植入物優(yōu)化設計的界限。與傳統(tǒng)的實體植入物相比，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可打印微結構材料的最新進展，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，這種結構改變了周圍骨組織的載荷傳遞，可能導致界面不穩(wěn)定和骨吸收。

△a)固體b)均勻晶格c)在局部骨重塑和Hoffman界面應力優(yōu)化，異質晶格鈦植入物的設計和性能

同時，為生產具有前所未有的幾何復雜性的機械部件提供了機會。反過來，這種設計自由度使工程師能夠設計出，性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)工程設計的組件。

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

△泊松比的三種類型。a)正b)零和c)負

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

這種新的算法，適用于傳統(tǒng)幾何形狀的3D鈦髖關節(jié)植入物的設計。通過將計算機模擬出來的結果與傳統(tǒng)的實體植入物對比。經過優(yōu)化的3D微架構種植體，在骨重塑方面的性能提高了64.0%，界面骨折風險為13.2%。

△該研究的更多細節(jié)可以在題為“3D微架構植入物的多目標設計優(yōu)化”的論文中找到（點我傳送門）

目前該研究還沒有進行相關臨床測試，僅限于在計算機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險以及骨重塑（和再吸收）。同時，所提出的方法結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算成本準確捕獲界面力學。

此外，還提出了一種廣義立方反手性參數微架構，非常適合功能梯度結構設計，并能夠實現廣泛的機械性能。