天津工業(yè)大學：3D打印骨小梁的形態(tài)特征和應力分析

供稿人:秦曉、高琳
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

3D打印技術已作為一種新型的增材制造技術被成功的應用于骨科手術中。在全髖關節(jié)置換手術和全膝關節(jié)置換手術中，使用多孔金屬假體代替受損的關節(jié)或骨骼，以恢復關節(jié)正常的功能。但是許多大公司對金屬骨小梁細胞結構的研究在技術上是機密的，許多醫(yī)院對于購買的3D打印機的二次開發(fā)工作不足，國內該領域的研究缺乏對金屬骨小梁細胞結構設計和制造的研究。

為此，天津工業(yè)大學的張春秋教授等研究了金屬骨小梁的細胞結構設計，從骨小梁的孔隙率和強度方面研究了骨小梁的結構和功能的規(guī)律性，通過進行一系列對比實驗分析，所制備的骨小梁細胞可用于制備假體從而提高假體置換的效果。

在八種不同結構形態(tài)的骨小梁細胞的基礎上，利用有限元分析軟件對其形態(tài)特征和力學性能進行分析。并根據分析結果和實驗數(shù)據對細胞結構進行進一步的優(yōu)化，其目的是在盡可能不降低孔隙率的基礎上提高骨小梁細胞的橫截面積。根據力學性能實驗分析結果從骨小梁細胞結構的孔隙率和承載能力兩個方面篩選出三種符合實驗要求的細胞結構。

圖1 8種骨小梁細胞的三維模型圖

在八種不同結構形態(tài)的骨小梁細胞的基礎上，利用有限元分析軟件對其形態(tài)特征和力學性能進行分析。并根據分析結果和實驗數(shù)據對細胞結構進行進一步的優(yōu)化，其目的是在盡可能不降低孔隙率的基礎上提高骨小梁細胞的橫截面積。根據力學性能實驗分析結果從骨小梁細胞結構的孔隙率和承載能力兩個方面篩選出三種符合實驗要求的細胞結構。

基于篩選出的骨小梁細胞，選用不同橫截面形狀建立骨小梁模型，對制備的試樣進行有限元分析，以研究不同骨小梁結構的力學性能，分析截面形狀對骨小梁力學性能的影響。同時采用鈦合金制備同樣尺寸的骨小梁試樣，實驗結果表明骨小梁式樣的承載能力比理論值高，這是因為與骨小梁試樣的模型相比，通過3D打印技術制作的骨小梁標本的支柱尺寸更大，孔徑更小。

研究表明，細胞結構的孔隙率與承載能力成反比，孔隙率越大，承載力越低。支柱形狀對試樣承載能力的影響是顯而易見的，適當增大支柱形狀能有效地提高骨小梁結構的承載能力。

參考文獻：
C. Zhang et al., "Morphological Characteristics and Stress Analysis of 3D Printed Trabeculae," 2019 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA), Tianjin,China,2019,pp.1367-1371.http://ieeexplore.ieee.org/stamp ... 65&isnumber=8815965