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3D打印優(yōu)化結(jié)構(gòu)髖關(guān)節(jié)植入體

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全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(total hip arthroplasty, THA)作為一種有效的治療骨關(guān)節(jié)炎的方法，每年成功實施超過100萬例，對髖關(guān)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(shù)，憑借其可以成形任意形狀的特點，能夠應(yīng)用于制造復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。因此通過3D打印工藝將髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計和制造相結(jié)合，實現(xiàn)植入體的性能改善，對THA技術(shù)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(guān)節(jié)植入體進行了結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)化為單元密度的上下限，并構(gòu)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(yīng)用于微點陣結(jié)構(gòu)以保證維持生理機械載荷所需的強度。

圖1 髖關(guān)節(jié)植入體優(yōu)化設(shè)計流程圖

基于以上設(shè)計方法，通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)了髖關(guān)節(jié)植入體優(yōu)化結(jié)構(gòu)的制造，如圖2所示。該植入體已經(jīng)應(yīng)用于在臨床手術(shù)，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(yīng)力屏蔽導致骨丟失的優(yōu)點數(shù)字。術(shù)后條件的結(jié)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(jié)構(gòu)的性能得到了明顯的提升。同時，這一進展也印證了結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化和3D打印的結(jié)合具有很大的應(yīng)用前景。