CN107563056A

CN107563056A - 基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法

Info

Publication number: CN107563056A
Application number: CN201710772612.6A
Authority: CN
Inventors: 王英俊; 李巍华
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2018-01-09

Abstract

本发明公开了一种基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，包括步骤：CT扫描建立骨骼几何模型并选择微结构，将孔隙率、微结构孔径大小、微结构壁厚条件作为拓扑优化的约束条件；以均匀化方法计算等效实体单元属性，并采用有限元以等效实体单元计算植入物力学性能；以密度法拓扑优化技术获得植入物区域内的密度分布，将孔隙率、微结构孔径大小、微结构壁厚条件作为拓扑优化的约束条件；以有限元节点单元位置信息为基础，构建变密度梯度多空骨科植入物的几何模型；通过3D打印加工制造所述变密度多孔金属骨科植入物。本发明骨吸收低、力学性能好、使用寿命长，可降低植入物植入一段时间后进行矫正手术的概率。

Description

基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法

技术领域

本发明涉及一种高性能低模量的金属骨科植入物，具体涉及一种基于多尺度多约束拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法。

背景技术

人工骨科植入物是骨肌系统治疗的主要方式之一，每年用于上百万骨科疾病患者的治疗，全球市场规模高达数百亿美金。然而，传统金属(如钛合金、钴合金等)骨科植入物因弹性模量过大，在植入后将承担大部分载荷，出现应力屏蔽效应，导致术后骨骼得不到锻炼产生骨吸收，将导致骨质疏松从而引起植入物松动，需进行矫正手术。因此，需要开发性能更为优越人工骨科植入物。

将植入物制造成多孔结构，可降低植入物的弹性模量，减小应力屏蔽效应，而且多孔结构有利于细胞植入、组织生长、营养输入、代谢物排除等，可提高植入物生物相容性。但是，现今多空骨科植入物通常采用周期重复的单一微结构，其模量降低的同时往往导致强度下降，力学性能下降。此外，固定大小的孔径和单一的微结构与骨组织结构不相符，不利于骨组织长入植入物中。可见，目前多孔骨科植入物的结构设计缺乏一套科学系统的理论指导，仍有待改进。

在设计骨科植入物时，有限元仿真分析技术通常会用来对设计模型进行性能分析以评估模型设计的优劣，从而减少实物实验，缩短产品开发周期。然而，多孔骨科植入物几何形状非常复杂，划分有限元模型时需要大量有限单元，造成计算量巨大，计算时间长，甚至超过计算机的计算能力而无法计算。如何高效实现多孔骨科植入物的性能仿真分析，是高性能骨科植入物设计中的一个重要环节，急需解决。

多孔骨科植入物设计既需要考虑生物医学要求,如骨吸收、骨生长等，又需要考虑植入物的力学性能，如强度、刚度等，还需要考虑加工工艺，如最小微结构壁厚尺寸等。如何在多个约束下设计出性能优越的骨科植入物，是相关设计人员面临的一大挑战。

采用不同密度的多孔微结构构建骨科植入物可改变植入物性能，有望设计出性能更优的植入物。然而，变密度多孔骨科植入物几何形状极其复杂，如何连接不同密度的微结构、如何分布不同密度的微结构、如何根据密度分布构建变密度多孔几何模型等都是有待解决的难题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于多尺度多约束拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物。通过拓扑优化技术获取多孔植入物的密度分布，实现了满足生物医学、力学要求的条件下的最优化设计，并建立了一套变密度几何模型的构建方法，自动生成可供3D打印加工制造的几何模型，最终利用3D打印制造出骨吸收少、强度高、使用寿命长的变密度多孔金属骨科植入物。

本发明所采用的技术方案是：

基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，其特征在于，包括步骤：

CT扫描建立骨骼几何模型并选择微结构，将孔隙率、微结构孔径大小、微结构壁厚条件作为拓扑优化的约束条件；

以均匀化方法计算等效实体单元属性，并采用有限元以等效实体单元计算植入物力学性能；

以密度法拓扑优化技术获得植入物区域内的密度分布，将孔隙率、微结构孔径大小、微结构壁厚条件作为拓扑优化的约束条件；

以有限元节点单元位置信息为基础，构建变密度梯度多空骨科植入物的几何模型；

通过3D打印加工制造所述变密度多孔金属骨科植入物。

进一步地，CT扫描建立骨骼几何模型的步骤是根据病人骨骼CT扫描数据，通过医学影像处理软件Mimics对CT扫描数据进行处理，重建骨骼几何模型。

进一步地，所述孔隙率要求大于50％，所述微结构孔径尺寸为50～800μm，微结构壁厚大于100μm。

进一步地，以均匀化方法计算等效实体单元属性的步骤具体包括：

利用均匀化方法获取周期点阵微结构实体在不同相对密度下的等效材料属性，并将等效材料属性拟合为相对密度的函数，所述的相对密度为微结构实体部分与整个微结构的体积比。

进一步地，所述均匀化方法每隔0.1计算微结构实体部分相对密度0.1～1的等效实体属性，然后采用多项式插值(2次或3次多项式)将不同相对密度下的等效实体属性拟合为材料属性与相对密度的函数。

进一步地，采用有限元以等效实体单元计算植入物力学性能的步骤具体包括：有限元计算时，直接通过材料属性-相对密度函数获取不同相对密度下的材料属性，并以等效实体单元计算植入件的力学性能。

进一步地，以密度法拓扑优化技术获得植入物区域内的密度分布的步骤具体包括：采用基于单元密度的拓扑优化技术，将微结构胞体的相对密度与等效实体单元的单元密度一一对应进行计算，从而获取植入件区域的最优密度分布。

进一步地，构建变密度梯度多空骨科植入物的几何模型时，基于植入物的有限元单元离散模型建立所述变密度多孔骨科植入物的几何模型，以单元节点为单位，平均所有共享该节点的单元密度作为该节点密度，并基于节点密度构建变密度梯度多孔植入物STL格式几何模型。

进一步地，3D打印时，采用3D打印软件直接对STL模型进行切片处理，实现本发明的3D打印加工制造。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明为全域多孔骨科植入物，孔径大小控制在适宜骨组织生长的范围内，为骨组织再生以及骨组织进入植入物进行加固提供了合适的环境。

本发明的微结构孔不再是单一或者随机分布，植入物内的微结构密度分布由拓扑优化设计得到，从理论上保证了本发明的设计为最优设计。

本发明骨科植入物在满足多种约束条件下实现了最小骨吸收，同时满足了强度与疲劳要求。既有效减少应力屏蔽，又延长了植入物的使用寿命。

本发明的变密度多孔几何模型通过密度分布映射及有限元单元位置关系自动构建，所建立模型可直接采用3D打印进行加工制造。

本发明基于病人骨骼CT扫描模型进行设计，可根据不同病人的实际情况进行个性化定制，设计出最适合病人个体的植入物，并通过3D打印进行个性化加工，从而达到精准医疗。

附图说明

图1为髋关节植入物实例示意图。

图2为本发明髋关节植入物的设计流程示意图。

图3为不同类型髋关节植入物引起的骨吸收比较电镜示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

下面以髋关节植入物(见图1)为例进行阐述，但本发明不局限于髋关节植入物，同样适用于其他骨科植入物。

如图2所示，基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，包括步骤：

CT扫描建立髋关节的骨骼几何模型并选择微结构，将孔隙率、微结构孔径大小、微结构壁厚条件作为拓扑优化的约束条件；

通过3D打印加工制造所述变密度多孔金属骨科植入物。

具体而言，CT扫描建立骨骼几何模型的步骤是根据病人骨骼CT扫描数据，通过医学影像处理软件Mimics对CT扫描数据进行处理，重建骨骼几何模型。

具体而言，所述孔隙率要求大于50％，所述微结构孔径尺寸为50～800μm，微结构壁厚大于100μm。

具体而言，以均匀化方法计算等效实体单元属性的步骤具体包括：

具体而言，所述均匀化方法每隔0.1计算微结构实体部分相对密度0.1～1的等效实体属性，然后采用多项式插值(2次或3次多项式)将不同相对密度下的等效实体属性拟合为材料属性与相对密度的函数。

具体而言，采用有限元以等效实体单元计算植入物力学性能的步骤具体包括：有限元计算时，直接通过材料属性-相对密度函数获取不同相对密度下的材料属性，并以等效实体单元计算植入件的力学性能。

从生物医学与生物力学的角度分析植入物与相关骨骼的工作条件，获取外部载荷大小、方向、位置、植入物与骨骼的接触情况，以及骨吸收的评价标准等。

将植入物与被植入的骨骼看成一组整体，通过有限元软件ANSYS对其进行有限元离散。对于植入物，保证单元尺寸略大于适用于骨组织生长的孔径上限，以保证单元相对密度在0～1之间变化满足骨组织生长的孔径要求。然后施加相应的外部载荷及约束，建立有限元分析所需要的计算模型。

具体而言，以密度法拓扑优化技术获得植入物区域内的密度分布的步骤具体包括：采用基于单元密度的拓扑优化技术，将微结构胞体的相对密度与等效实体单元的单元密度一一对应进行计算，从而获取植入件区域的最优密度分布。

进行拓扑优化设计时，设计变量为有限单元的密度，对应于微结构的相对密度。孔隙率、孔径大小、微结构壁厚约束需根据单元大小转换为有限单元密度的范围，即设计变量的变化范围。其中孔隙率应大于50％，孔径大小范围为50～800μm，微结构壁厚大于100μm。此外，还需保证植入物疲劳系数大于2，以及骨骼-植入物接触面表面失效系数小于1。

本发明设计的目标函数为植入物植入后的骨吸收最小。骨吸收计算公式为其中M、ρ和V分别表示骨质量、密度和体积；SE_ref(b)和SE(b)分别表示植入物植入前后b点的应变能；系数s表示骨吸收的死区系数，通常取0.5；函数f(x)为骨吸收函数，仅当x大于0为1，表示发生骨吸收，其他情况为0，表示无骨吸收。

本发明骨科植入物的拓扑优化涉及胞体微观属性及植入物宏观属性两个尺度，以及孔隙率、孔径大小和胞体壁厚等多个约束条件，是一个多尺度多约束拓扑优化问题。优化时可直接采用遗传算法进行求解，也可将各种约束条件进行整理，转换为单元的密度约束，再采用常规优化算法进行求解。

具体而言，构建变密度梯度多空骨科植入物的几何模型时，基于植入物的有限元单元离散模型建立所述变密度多孔骨科植入物的几何模型，以单元节点为单位，平均所有共享该节点的单元密度作为该节点密度，并基于节点密度构建变密度梯度多孔植入物STL格式几何模型。

基于有限元法的拓扑优化设计结束后，可得到植入物的有限单元密度分布图。根据各单元的位置关系，可将单元密度加权平均至单元节点，得到接到密度值，再根据节点坐标及密度值，通过采用Python语言二次开发Rhino软件自动构建与优化结果一致的变密度多孔植入物的STL模型。

根据骨吸收计算公式计算了植入物植入后的骨吸收情况，并与实体植入物和单一孔植入物进行比较。结果如图3所示(高亮区域为骨吸收发生区域)，结果显示本发明变密度多孔植入物的骨吸收(见图3c)较实体植入物的骨吸收(见图3a)和单一孔植入物的骨吸收(见图3b)分别减小59.3％，和23.8％，而且本发明满足疲劳失效等力学要求。

具体而言，3D打印时，根据有限元网格节点位置关系生成的STL几何模型，采用3D打印软件直接对STL模型进行切片处理，实现本发明的3D打印加工制造。

本发明涉及设计-分析-优化-制造整个完整的产品设计流程，所设计的骨科植入物具有生物相容性好、低模型、高强度、高抗疲劳性能、可个性化定制等优越性能，在医疗领域具有广阔应用前景。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，其特征在于，包括步骤：

通过3D打印加工制造所述变密度多孔金属骨科植入物。

2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，其特征在于：CT扫描建立骨骼几何模型的步骤是根据病人骨骼CT扫描数据，通过医学影像处理软件Mimics对CT扫描数据进行处理，重建骨骼几何模型。

3.根据权利要求1所述的基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，其特征在于：所述孔隙率要求大于50%，所述微结构孔径尺寸为50~800μm，微结构壁厚大于100μm。

4.根据权利要求1所述的基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，其特征在于，以均匀化方法计算等效实体单元属性的步骤具体包括：

5.根据权利要求4所述的基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，其特征在于，所述均匀化方法每隔0.1计算微结构实体部分相对密度0.1~1的等效实体属性，然后采用多项式插值将不同相对密度下的等效实体属性拟合为材料属性与相对密度的函数。

6.根据权利要求3所述的基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，其特征在于，采用有限元以等效实体单元计算植入物力学性能的步骤具体包括：有限元计算时，直接通过材料属性-相对密度函数获取不同相对密度下的材料属性，并以等效实体单元计算植入件的力学性能。

7.根据权利要求3所述的基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，其特征在于，以密度法拓扑优化技术获得植入物区域内的密度分布的步骤具体包括：采用基于单元密度的拓扑优化技术，将微结构胞体的相对密度与等效实体单元的单元密度一一对应进行计算，从而获取植入件区域的最优密度分布。

8.根据权利要求1所述的基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，其特征在于：构建变密度梯度多空骨科植入物的几何模型时，基于植入物的有限元单元离散模型建立所述变密度多孔骨科植入物的几何模型，以单元节点为单位，平均所有共享该节点的单元密度作为该节点密度，并基于节点密度构建变密度梯度多孔植入物STL格式几何模型。

9.根据权利要求8所述的基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，其特征在于，3D打印时，采用3D打印软件直接对STL模型进行切片处理，实现本发明的3D打印加工制造。