供稿人：康建峰，王玲 發(fā)布日期：2017-05-19
實(shí)心金屬假體植入體內(nèi)后，由于假體模量與周圍宿主骨模量的較大差異容易造成應(yīng)力屏蔽，長(zhǎng)期可能引發(fā)假體松動(dòng)或骨折。為此，許多學(xué)者關(guān)注并開展了功能化梯度多孔假體設(shè)計(jì)與增材制造方面的研究，通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低實(shí)心假體的等效模量以接近骨模量，同時(shí)借助骨內(nèi)生長(zhǎng)以提高骨假體界面的結(jié)合強(qiáng)度，以滿足假體中遠(yuǎn)期的穩(wěn)定性要求。其中，關(guān)于假體內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化成為解決所有功能需求的關(guān)鍵問(wèn)題。
Saravana等[1]針對(duì)非骨水泥型髖關(guān)節(jié)股骨柄假體，采用有限元?jiǎng)偠葍?yōu)化方法調(diào)整不同區(qū)域的模量以實(shí)現(xiàn)降低應(yīng)力屏蔽效應(yīng)的目的，具體優(yōu)化思路如圖1所示。結(jié)果表明：對(duì)于不同類型的股骨柄假體，通過(guò)模量?jī)?yōu)化能降低7%-11%的應(yīng)力遮擋，而且在徑向上由假體外表面向內(nèi)模量變化梯度大，柄芯呈現(xiàn)中空形態(tài)。該研究為功能化梯度多孔假體的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了良好思路，但文中并未考慮骨假體界面骨生長(zhǎng)的誘導(dǎo)因素及穩(wěn)定性的影響，以及如何將最終優(yōu)化結(jié)果向可用于增材制造的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化還需要深入研究。
圖1 (a)個(gè)性化股骨柄剛度優(yōu)化流程圖；(b) 股骨柄假體剛度優(yōu)化時(shí)模量分布的截面圖
加拿大McGill大學(xué)Arabnejad等[2]設(shè)計(jì)并3D打印了一種具有可調(diào)力學(xué)屬性的高強(qiáng)度全多孔股骨柄，并建立了3D打印全多孔假體的系統(tǒng)化方法，如圖2所示，從最初的概念提出、多孔材料多尺度力學(xué)、材料微結(jié)構(gòu)修整、到最終增材制造和體外性能評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：相比實(shí)心假體，優(yōu)化后的全多孔植入物能降低75%的應(yīng)力屏蔽，為降低骨吸收和應(yīng)力屏蔽起到了至關(guān)重要的作用，后續(xù)將開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)全多孔假體的骨生長(zhǎng)情況。
隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展和創(chuàng)新，通過(guò)多尺度多目標(biāo)優(yōu)化算法的不斷開發(fā)以完成假體各方面功能設(shè)計(jì)需求，兩者的完美結(jié)合將為生物醫(yī)療假體植入物煥發(fā)新活力，為飽受相關(guān)疾病困苦的患者帶來(lái)福音。
圖2 (A) 植入物與股骨組配后的有限元模型；(B) 骨吸收最小化的多尺度力學(xué)與材料屬性優(yōu)化流程；(C) 整體多孔股骨柄最優(yōu)的相對(duì)密度分布；(D) 根據(jù)最優(yōu)密度分布采用高強(qiáng)度的四面體結(jié)構(gòu)構(gòu)建多孔微結(jié)構(gòu)；(E) SLM加工制造