CN112966411A - 一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件及其制备方法与应用 - Google Patents

一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN112966411A
CN112966411A CN202110168730.2A CN202110168730A CN112966411A CN 112966411 A CN112966411 A CN 112966411A CN 202110168730 A CN202110168730 A CN 202110168730A CN 112966411 A CN112966411 A CN 112966411A
Authority
CN
China
Prior art keywords
porous
medical
core
unit
model
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110168730.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112966411B (zh
Inventor
杨超
程辉华
蔡潍锶
张卫文
李元元
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN202110168730.2A priority Critical patent/CN112966411B/zh
Publication of CN112966411A publication Critical patent/CN112966411A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112966411B publication Critical patent/CN112966411B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/04—Metals or alloys
    • A61L27/045—Cobalt or cobalt alloys
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/04—Metals or alloys
    • A61L27/047—Other specific metals or alloys not covered by A61L27/042 - A61L27/045 or A61L27/06
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/04—Metals or alloys
    • A61L27/06—Titanium or titanium alloys
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/56—Porous materials, e.g. foams or sponges
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/24—Materials or treatment for tissue regeneration for joint reconstruction
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/38—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of the spine, vertebrae or intervertebral discs
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Abstract

本发明属于生物医用功能材料领域，具体公开了一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件及其制备方法与应用。首先根据CT扫描数据构建人体骨骼关节系统模型，进行生物力学模拟仿真，提取相应部位体代表单元三向应力状态，进行孔隙结构拓扑优化，经模型重构后输出多孔植入件假体模型并利用增材制造方法成形制备。本发明基于人体不同关节部位在使役环境下内部单元应力状态设计的优化多孔结构单元。同时本发明设计的多孔结构孔径可调节，满足生物组织细胞粘附、增殖、分化等不同接触导向对孔径的要求，实现不同多孔参数对组织细胞生物行为的准确控制。本发明设计的多孔结构为高质量多孔零件成形制备提供保障。

Description

一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件及其制备方法 与应用
技术领域
本发明属于生物医用功能材料领域，具体涉及一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件及其制备方法与应用。
背景技术
生物医用金属材料作为人工植入物时，是模拟硬组织以替代其并恢复一定的结构与功能，因此要求植入件在生物学和力学性能上尽量与硬组织一致。然而传统医用钛合金材料(如Ti-6Al-4V，110GPa)弹性模量高于人体骨骼(0.1～30GPa)，植入人体后会承受过大的应力，出现“应力屏蔽”现象，导致植入失败。因此，亟需开发出生物相容性和力学性能更接近人体天然骨的人工植入物。
将植入物设计成多孔结构，能有效降低其弹性模量，减小应力屏蔽效应，同时多孔结构有利于细胞粘附、增值、迁移，纤维长入，血管化和骨再生等生物行为，在生物医学植入物中具有巨大的潜力。然而，现今多孔植入物大多采用基于CAD设计出的立方孔、BCC孔和菱形十二面体孔来构造，在降低其弹性模量的同时往往会造成强度下降，塑性降低、易脆断和能量吸收能力差等问题，生物与力学性能不能完美匹配植入部位需求。因此，需寻找一种孔隙结构优化设计方法，在降低弹性模量的同时提高其强度等力学匹配性，同时满足一定的细胞行为导向要求。
拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的设计区域内对材料分布进行优化的数学方法。基于体代表单元具有“以小代大，以易代难”的物理特性，利用拓扑优化技术计算得到相对应单元应力状态下的孔隙结构。在多孔植入物设计时可以基于人体生物力学行为来设计出不同载荷下最佳匹配的结构，能很好的满足人体植入物所需的性能要求，定制化设计出不同需求的多孔结构植入物。
增材制造技术当今世界的一个主流方向是生物医学应用，特别是在制备医用多孔植入物支架方面，突破传统加工方法局限，能获得内部孔隙可控、外形尺寸仿生、力学性能与人骨匹配、加工成本低的个性化植入物。例如，有研究者采用拓扑优化方法设计了多孔结构，孔隙率70％，并用选区激光熔化工艺打印成型(Ti-24Nb-4Zr-8Sn)，弹性模量低至2.3GPa，抗压强度58Mpa(Mater.Sci.Eng.,A 642(2015)268-278.)。相较于致密钛合金材料其弹性模量明显降低，能很好的匹配人骨，但是其抗压强度较低，会脆断，能量吸收能力差，同时孔径较大，不能很好的符合组织细胞行为要求。因此，多孔植入物设计既需要考虑力学性能要求，还需要考虑生物组织细胞接触导向行为和增材制造工艺限制。如何在多约束条件下设计出性能优越的多孔钛合金材料是如今科研人员面临的一大挑战。
发明内容
本发明的首要目的在于解决现有技术存在的不足并提供一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到基于体代表单元应力的高性能医植入件。
本发明的再一目的在于提供上述基于体代表单元应力的高性能医疗植入件在人体植入物制备中的应用。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件的制备方法，包括如下步骤：
(1)模型构建：对人体骨骼关节进行计算机断层扫描获取其CT数据，利用医学图像处理软件进行图像阀值分割和图像配准，再基于图像三维体数据场构造出的等值面逆向构造三维模型；通过超声显微扫描，获得样品的声阻抗，并通过声阻抗计算弹性模量；
(2)生物力学仿真模拟：建立人体关节假体有限元模型，模仿人体关节在不同使役环境下受力条件，进行网格划分和力学分析，获得人体关节体代表单元的三向应力状态；
(3)孔隙结构拓扑优化：构建体代表单元拓扑优化几何模型，施加步骤(2)中得到的三向应力状态，利用拓扑优化求解器运算得到多孔结构单元，输出到逆向建模软件，光顺化重构多孔单元实体模型；
(4)输出多孔假体模型：将步骤(3)得到的多孔单元绘制孔径杆径孔隙率关系图，以测得弹性模量和制造工艺限制提取多孔结构参数，以均一孔隙率或渐变梯度孔隙率构建多孔医疗植入件模型；
(5)增材制造成形制备：利用Materialise Magics软件对STL格式多孔假体模型进行零件模型修复，切片处理后导入激光选区熔化增材制造设备进行定制化分区打印成形，并经后处理得到医疗植入件实体零件。
通过上述方法可定制化设计出弹性模量与人体相匹配的医疗植入件，同时自适应关节骨骼所需力学性能，兼具高强度高能量吸收等高性能，提高植入长期稳定性和舒适性。同时满足生物组织细胞接触导向要求和增材制造工艺约束，可实现不同多孔参数对组织细胞生物行为的准确控制和为高质量多孔零件制备提供保障。
进一步地，所述体代表单元是基于仿真软件六面体网格划分单元，尺寸要求为平均网格质量0.85以上对应的网格尺寸(具体为0.005～0.05×模型尺寸)，选取部位距长宽方向外轮廓200mm以上，厚度方向外轮廓100mm以上。
进一步地；步骤(1)所述阀值范围设定为150～2500Hu。
进一步地，步骤(2)中所述体代表单元三向应力状态是采用模拟后处理模块应力探针工具得到，应力状态包含XYZ三平面法向应力，XY、XZ、YZ平面剪切应力单向或组合应力。
进一步地，步骤(3)中拓扑优化采用带有惩罚的变密度法拓扑优化数学模型(SIMP)，赋予医用合金材料属性，以刚度最大化为优化目标、结构孔隙率为约束条件，最小尺寸约束为0.2×边长，添加XYZ三平面对称约束，经50～100次光顺滑迭代后输出。
进一步地，步骤(3)中多孔单元实体模型结构几何特征包含多孔单元大小0.5～3mm，孔隙率P为50％～90％；孔径范围为300μm～960μm，杆径范围为200μm～1000μm；基于XYZ三平面对称。
进一步地，步骤(4)中均一孔隙率是指以多孔单元实体模型为母体沿XYZ方向任意堆垛，渐变梯度孔隙率是指线性梯度，轴心梯度，三明治梯度和基于拓扑优化密度云的梯度。
进一步地，步骤(5)中所述打印成形所用的医用合金包括医用纯钛，医用TC4，Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Nb-Hf系、Ti-Nb-Zr系医用β型钛合金，NiTi系形状记忆合金，CoCr系合金或医用不锈钢等。
进一步地，步骤(5)中选用医用钛合金球形粉末，其制备方法为等离子雾化法、电极感应熔炼气体雾化法或等离子旋转电极雾化制粉法，粉末粒径范围15～65μm，粉末氧含量低于300ppm。打印前进行60～80℃烘干，基板预热温度0～200℃。
进一步地，步骤(5)中定制化分区打印成形工艺是指：通过调节工艺参数来实现表面与芯部力学性能和成形质量的定制化控制。依据不同合金成分材料物性选择不同工艺参数，具体为芯部激光功率P芯范围为80～240W，激光扫描速度ν芯范围为800～1800mm/s，激光扫描间距d芯范围为50～80μm，层厚h芯范围为30-45μm；上表面激光功率P上＝0.6～0.9P芯，激光扫描速度ν上＝0.7～0.9ν芯，激光扫描间距d上＝0.9～1.0d芯，层厚h上＝h芯，上表面厚度为8～30h上；下表面激光功率P下＝0.2～0.6P芯，激光扫描速度ν下＝0.7～0.9ν芯，激光扫描间距d下＝0.6～0.8d芯，层厚h下＝h芯，下表面厚度为10～40h下。
进一步地，步骤(5)中后处理工艺包括：用丙酮、2-丙醇、氢氟酸和超纯水(比例1:1:1:7)在超声波清洗机中清洗1小时，在40～60℃的烘箱中干燥10小时后，置于1100～1300℃的惰性气氛炉中加热1小时后随炉冷却，以去除表面未熔粉末和降低结构内应力。
一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件通过上述方法制备得到。所得的多孔零件弹性模量低(0.5～15GPa)，屈服强度高(15～300GPa)，能量吸收效率高(＞70％)。所述植入件包括关节植入件(髋、膝关节植入件)，脊柱植入件(内固定植入件、微创植入件等)，肩部植入件(肩胛骨植入件等)，颅颌面植入件(下颌骨植入件、颅骨植入件等)，足踝植入件(足踝关节植入件、脚趾骨植入件等)，以及其他部位植入件(如胸骨植入件等)。
所述的基于体代表单元应力的高性能医疗植入件在制备人工假体中的应用。
本发明制备方法的原理为：基于体代表单元具有“以小代大，以易代难”的物理特性，运用有限元模拟仿真对人体髋关节进行受力分析，得到其体代表单元的三向应力状态，再利用结构拓扑优化技术计算得到相对应单元应力状态下的孔隙结构，通过单一或渐变孔隙率的方式构建医疗植入件假体模型。依据选用不同的医用合金粉末物性，调节工艺参数进行定制化分区增材制造打印成形，进而实现调控表面与芯部力学性能和成形质量，满足医疗植入件的生物及力学性能要求。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1.与传统多孔结构相比，本发明基于体代表单元受力状态进行拓扑优化的孔隙结构具有自适应人体不同部位所需的力学性能要求，可调节孔隙率匹配人体髋关节弹性模量，兼具高强度高能量吸收能力，提高植入长期稳定性和舒适性。
2.本发明设计的多孔结构孔径可调节，满足生物组织细胞粘附、增殖、分化等不同接触导向对孔径的要求，实现不同多孔参数对组织细胞生物行为的准确控制。
3.本发明设计的多孔结构满足增材制造工艺约束限制，采用定制化分区增材制造打印成形，可调控表面与芯部力学性能和成形质量，为高质量多孔零件制备提供保障。同时本发明采用增材制造工艺制备，相比于传统的铸造成形和塑性成形工艺，可制备各种复杂形状的零件，满足个性化设计要求，材料利用率高，加工成本低的医用合金多孔植入物。
附图说明
图1是本发明实施例1多孔股骨柄假体。其中，图(a)为体代表单元的尺寸与三向应力状态，图(b)为优化后孔隙率50％的多孔单元模型；图(c)为增材制造成形制备的多孔零件扫描电镜图片。
图2是本发明实施例2多孔髋臼杯假体。其中，图(a)为体代表单元的尺寸与三向应力状态，图(b)为优化后孔隙率70％的多孔单元模型；图(c)为增材制造成形制备的多孔零件扫描电镜图片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：(多孔股骨柄假体)
(1)模型构建：对人体股骨头进行计算机断层扫描获取其CT数据，利用医学图像处理软件进行图像阀值分割和图像配准，阀值设定为150Hu，基于图像三维体数据场构造出的等值面逆向构造髋关节三维模型，将骨骼样品进行包埋切片，在超声显微装置下进行超声显微扫描，获得样品的声阻抗，并通过声阻抗计算其芯部弹性模量为8.4GPa。
(2)生物力学仿真模拟：建立髋关节假体系统有限元模型，模仿人体站立状态下受力条件，在股骨头尾部分别施加平行于颈干角两条边100MPa压力，利用六面体面体单元SOLID187进行网格划分，网格尺寸设为4mm，平均网格质量0.85，采用结构静力学分析模块，采用应力探针选取距长宽方向外轮廓200mm，厚度方向外轮廓100mm处网格单元，得到人体股骨头体代表单元的三向应力状态为σX＝55MPa，σY＝42MPa，σZ＝148MPa，τXY＝23MPa，τXZ＝42MPa，τYZ＝21MPa。
(3)孔隙结构拓扑优化：在Optistruct平台构建体代表单元拓扑优化几何模型，施加(2)中得到的三向应力状态，采用带有惩罚的变密度法拓扑优化数学模型(SIMP)，赋予TC4钛合金材料属性(杨氏模量107GPa，泊松比0.323，密度4.4g·cm-3，屈服强度1100MPa)，采用二阶四面体单元进行网格划分。以刚度最大化为优化目标、结构孔隙率50％为约束条件，最小尺寸约束为0.3倍边长，添加XYZ三平面对称约束，经50次光顺滑迭代后输出到CATIA逆向建模软件，光顺化重构多孔单元实体模型。
(4)输出多孔假体模型：将步骤(3)得到的多孔单元绘制孔径-杆径-孔隙率关系图，提取50％孔隙率，大小1.5mm，孔径650μm，杠径750μm的多孔单元，以单一孔隙率沿XYZ方向堆垛后填充假体模型芯部区域构建多孔股骨柄植入件。
(5)增材制造成形制备：将多孔假体模型STL格式导入Materialise Magics进行模型修复和创建标签及支撑后，利用RP-Tools软件切片处理后将STL模型导入激光选区熔化EOS M280设备进行打印成形，所用参数为激光功率120W，激光扫描速度1200mm/s，激光扫描间距为50μm，层厚30μm。上表面激光功率P上＝0.6P芯，激光扫描速度ν上＝0.7ν芯，激光扫描间距d上＝0.9d芯，层厚h上＝h芯，上表面厚度为8h上；下表面激光功率P下＝0.2P芯，激光扫描速度ν下＝0.7ν芯，激光扫描间距d下＝0.6d芯，层厚h下＝h芯，下表面厚度为10h下。所用合金粉末材料为医用TC4钛合金，粉末粒径15～53μm，打印前进行60℃烘干，基板预热温度180℃。打印完成后利用线切割从基板切下，用丙酮、2-丙醇、氢氟酸和超纯水(比例1:1:1:7)在超声波清洗机中清洗1小时，在40℃的烘箱中干燥10小时后，置于1300℃的惰性气氛炉中加热1小时后随炉冷却，得到最终假体。
图1是本发明实施例1多孔股骨柄假体。其中，图(a)为体代表单元的尺寸与三向应力状态，图(b)为优化后孔隙率50％的多孔单元模型；图(c)为增材制造成形制备的多孔零件扫描电镜图片，经测量其屈服强度为241MPa，模量8.3GPa，能量吸收Wε＝0.5为280MJ/m3，能量吸收效率高达80％；图(d)为芯部填充多孔的股骨柄假体模型。
实施例2：(多孔髋臼杯假体)
(1)模型构建：对人体股骨头进行计算机断层扫描获取其CT数据，利用医学图像处理软件进行图像阀值分割和图像配准，阀值设定为2500Hu，基于图像三维体数据场构造出的等值面逆向构造髋关节三维模型，将骨骼样品进行包埋切片，在超声显微装置下进行超声显微扫描，获得样品的声阻抗，并通过声阻抗计算其芯部弹性模量为4GPa。
(2)生物力学仿真模拟：建立髋关节假体系统有限元模型，模仿人体站立状态下受力条件，在股骨头尾部分别施加平行于颈干角两条边80MPa压力，利用六面体面体单元SOLID187进行网格划分，网格尺寸设为1.5mm，平均网格质量0.9，采用结构静力学分析模块，采用应力探针选取距长宽方向外轮廓300mm，厚度方向外轮廓200mm处网格单元，得到人体股骨头体代表单元的三向应力状态为σX＝23MPa，σY＝34MPa，σZ＝95MPa。
(3)孔隙结构拓扑优化：在Optistruct平台构建体代表单元拓扑优化几何模型，施加(2)中得到的三向应力状态，采用带有惩罚的变密度法拓扑优化数学模型(SIMP)，赋予Ti-35Nb-7Zr-5Ta钛合金材料属性(杨氏模量66.5GPa，泊松比0.366，密度5.8g·cm-3，屈服强度816MPa)，采用二阶四面体单元进行网格划分。以刚度最大化为优化目标、结构孔隙率70％为约束条件，最小尺寸约束为0.2倍边长，添加XYZ三平面对称约束，经100次光顺滑迭代后输出到CATIA逆向建模软件，光顺化重构多孔单元实体模型。
(4)输出多孔假体模型：将步骤(3)得到的多孔单元绘制孔径-杆径-孔隙率关系图，提取70％孔隙率，大小1.5mm，孔径960μm，杠径525μm的多孔单元，以轴心共形梯度孔隙率变化方式填充髋臼杯上表面区域，构建多孔髋臼杯植入件。
(5)增材制造成形制备：将多孔假体模型STL格式导入Materialise Magics进行模型修复和创建标签及支撑后，利用RP-Tools软件切片处理后将STL模型导入激光选区熔化EOS M290设备进行打印成形，所用参数为激光功率240W，激光扫描速度1800mm/s，激光扫描间距为80μm，层厚45μm。上表面激光功率P上＝0.9P芯，激光扫描速度ν上＝0.9ν芯，激光扫描间距d上＝d芯，层厚h上＝h芯，上表面厚度为30h上；下表面激光功率P下＝0.6P芯，激光扫描速度ν下＝0.9ν芯，激光扫描间距d下＝0.8d芯，层厚h下＝h芯，下表面厚度为40h下。所用合金粉末材料为医用Ti-35Nb-7Zr-5Ta钛合金，粉末粒径25～65μm，打印前进行80℃烘干，基板预热温度180℃。打印完成后利用线切割从基板切下，用丙酮、2-丙醇、氢氟酸和超纯水(比例1:1:1:7)在超声波清洗机中清洗1小时，在40℃的烘箱中干燥10小时后，置于1100℃的惰性气氛炉中加热1小时后随炉冷却，得到最终假体。
图2是本发明实施例2多孔髋臼杯假体。其中，图(a)为体代表单元的尺寸与三向应力状态，图(b)为优化后孔隙率70％的多孔单元模型；图(c)为增材制造成形制备的多孔零件扫描电镜图片，经测量其屈服强度为75MPa，模量4.2GPa，能量吸收Wε＝0.5为130MJ/m3，能量吸收效率高达75％；图(d)为表面共形多孔髋臼杯假体模型。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)模型构建：对人体骨骼关节进行计算机断层扫描获取其CT数据，利用医学图像处理软件进行图像阀值分割和图像配准，再基于图像三维体数据场构造的等值面逆向构造三维模型，通过超声显微扫描，获得样品的声阻抗，并通过声阻抗计算弹性模量；
(2)生物力学仿真模拟：建立人体关节假体有限元模型，模仿人体关节在不同使役环境下受力条件，进行网格划分和力学分析，获得人体关节体代表单元的三向应力状态；
(3)孔隙结构拓扑优化：构建体代表单元拓扑优化几何模型，施加步骤(2)中得到的三向应力状态，利用拓扑优化求解器运算得到多孔结构单元，输出到逆向建模软件，光顺化重构多孔单元实体模型；
(4)输出多孔假体模型：将步骤(3)得到的多孔单元绘制孔径杆径孔隙率关系图，以测得弹性模量和制造工艺限制提取多孔结构参数，以均一孔隙率或渐变梯度孔隙率构建多孔医疗植入件模型；
(5)增材制造成形制备：利用Materialise Magics软件对STL格式多孔医疗植入件进行零件模型修复，切片处理后导入激光选区熔化增材制造设备进行定制化分区打印成形，并经后处理得到医疗植入件实体零件。
2.根据权利要求1所述的一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件制备方法，其特征在于：所述体代表单元是基于仿真软件六面体网格划分单元，尺寸要求为平均网格质量0.85以上对应的网格尺寸，选取部位距长宽方向外轮廓200mm以上，厚度方向外轮廓100mm以上。
3.根据权利要求1所述的一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件制备方法，其特征在于：步骤(1)所述阀值范围设定为150～2500Hu；步骤(2)中所述体代表单元三向应力状态是采用模拟后处理模块应力探针工具得到，应力状态包含XYZ三平面法向应力，XY、XZ、YZ平面剪切应力单向或组合应力。
4.根据权利要求1所述的一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件制备方法，其特征在于：步骤(3)中拓扑优化采用带有惩罚的变密度法拓扑优化数学模型，赋予医用合金材料属性，以刚度最大化为优化目标、结构孔隙率为约束条件，最小尺寸约束为0.2×边长，添加XYZ三平面对称约束，经50～100次光顺滑迭代后输出。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件制备方法，其特征在于：步骤(3)中多孔单元实体模型结构几何特征包含多孔单元大小0.5～3mm，孔隙率P为50％～90％；孔径范围为300μm～960μm，杆径范围为200μm～1000μm；基于XYZ三平面对称。
6.根据权利要求1所述的一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述均一孔隙率是指以多孔单元实体模型为母体沿XYZ方向任意堆垛，所述渐变梯度孔隙率是指线性梯度，轴心梯度，三明治梯度和基于拓扑优化密度云的梯度变化。
7.根据权利要求1所述的一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件制备方法，其特征在于：步骤(5)中增材制造所用的医用合金包括医用纯钛，医用TC4，Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Nb-Hf系、Ti-Nb-Zr系医用β型钛合金，NiTi系形状记忆合金，CoCr系合金或医用不锈钢。
8.根据权利要求1所述的一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件制备方法，其特征在于：所述的步骤(5)中定制化分区打印成形工艺是指：通过调节工艺参数来实现表面与芯部力学性能和成形质量的定制化控制；依据不同合金成分材料物性选择不同工艺参数，具体为芯部激光功率P芯范围为80～240W，激光扫描速度ν芯范围为800～1800mm/s，激光扫描间距d芯范围为50～80μm，层厚h芯范围为30-45μm；上表面激光功率P上＝0.6～0.9P芯，激光扫描速度ν上＝0.7～0.9ν芯，激光扫描间距d上＝0.9～1.0d芯，层厚h上＝h芯，上表面厚度为8～30h上；下表面激光功率P下＝0.2～0.6P芯，激光扫描速度ν下＝0.7～0.9ν芯，激光扫描间距d下＝0.6～0.8d芯，层厚h下＝h芯，下表面厚度为10～40h下。
9.根据权利要求1～8任一项所述方法制备得到的一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件。
10.根据权利要求9所述的一种基于体代表单元应力的高性能医疗植入件在制备人工假体中的应用。
CN202110168730.2A 2021-02-07 2021-02-07 一种基于体代表单元应力的医疗植入件及制备方法与应用 Active CN112966411B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110168730.2A CN112966411B (zh) 2021-02-07 2021-02-07 一种基于体代表单元应力的医疗植入件及制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110168730.2A CN112966411B (zh) 2021-02-07 2021-02-07 一种基于体代表单元应力的医疗植入件及制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112966411A true CN112966411A (zh) 2021-06-15
CN112966411B CN112966411B (zh) 2022-05-24

Family

ID=76275165

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110168730.2A Active CN112966411B (zh) 2021-02-07 2021-02-07 一种基于体代表单元应力的医疗植入件及制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112966411B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113577379A (zh) * 2021-09-10 2021-11-02 齐鲁工业大学 一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架
CN114398799A (zh) * 2022-01-26 2022-04-26 华侨大学 一种磨牙假体变梯度种植体结构的优化设计方法
CN114429045A (zh) * 2022-01-26 2022-05-03 华侨大学 一种磨牙假体变梯度牙冠结构优化设计方法
CN115090903A (zh) * 2022-05-11 2022-09-23 华南理工大学 一种基于分子筛功能基元的医疗植入件及其制备方法
CN115740498A (zh) * 2022-11-23 2023-03-07 河北科技大学 选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法
WO2023165071A1 (zh) * 2022-03-01 2023-09-07 博志生物科技(深圳)有限公司 椎间融合器及其制造方法、系统、智能制造设备及介质

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5662720A (en) * 1996-01-26 1997-09-02 General Electric Company Composite polycrystalline diamond compact
AU2001275326A1 (en) * 2000-06-07 2002-03-07 Aryx Therapeutics Treatment of gastroesophageal reflux disease using piperidine derivatives
US20050201039A1 (en) * 2003-05-23 2005-09-15 Stevenson Robert A. Inductor capacitor EMI filter for human implant applications
US20060171986A1 (en) * 2005-01-19 2006-08-03 Heraeus Kulzer Gmbh Antibiotic coating of implants
CN101301230A (zh) * 2008-06-26 2008-11-12 上海交通大学 局部可控多孔结构人工关节假体的制备方法
CN109009572A (zh) * 2018-07-12 2018-12-18 广东省新材料研究所 髋关节假体柄及其制造方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6552046B2 (en) * 2000-06-07 2003-04-22 Aryx Therapeutics Materials and methods for the treatment of gastroesophageal reflux disease

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5662720A (en) * 1996-01-26 1997-09-02 General Electric Company Composite polycrystalline diamond compact
AU2001275326A1 (en) * 2000-06-07 2002-03-07 Aryx Therapeutics Treatment of gastroesophageal reflux disease using piperidine derivatives
US20050201039A1 (en) * 2003-05-23 2005-09-15 Stevenson Robert A. Inductor capacitor EMI filter for human implant applications
US20060171986A1 (en) * 2005-01-19 2006-08-03 Heraeus Kulzer Gmbh Antibiotic coating of implants
CN101301230A (zh) * 2008-06-26 2008-11-12 上海交通大学 局部可控多孔结构人工关节假体的制备方法
CN109009572A (zh) * 2018-07-12 2018-12-18 广东省新材料研究所 髋关节假体柄及其制造方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Y.Y.LI 等: "Ductile fine-grained Ti–O-based composites with ultrahigh compressive specific strength fabricated by spark plasma sintering", 《MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A》 *
刘乐乐等: "髋关节假体多孔结构优化设计研究", 《机械设计与制造工程》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113577379A (zh) * 2021-09-10 2021-11-02 齐鲁工业大学 一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架
CN113577379B (zh) * 2021-09-10 2022-05-17 齐鲁工业大学 一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架
CN114398799A (zh) * 2022-01-26 2022-04-26 华侨大学 一种磨牙假体变梯度种植体结构的优化设计方法
CN114429045A (zh) * 2022-01-26 2022-05-03 华侨大学 一种磨牙假体变梯度牙冠结构优化设计方法
WO2023165071A1 (zh) * 2022-03-01 2023-09-07 博志生物科技(深圳)有限公司 椎间融合器及其制造方法、系统、智能制造设备及介质
CN115090903A (zh) * 2022-05-11 2022-09-23 华南理工大学 一种基于分子筛功能基元的医疗植入件及其制备方法
CN115740498A (zh) * 2022-11-23 2023-03-07 河北科技大学 选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法
CN115740498B (zh) * 2022-11-23 2023-08-04 河北科技大学 选区激光熔化优化成型质量三元耦合调控方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112966411B (zh) 2022-05-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112966411B (zh) 一种基于体代表单元应力的医疗植入件及制备方法与应用
Liang et al. Trabecular-like Ti-6Al-4V scaffolds for orthopedic: fabrication by selective laser melting and in vitro biocompatibility
Tan et al. Metallic powder-bed based 3D printing of cellular scaffolds for orthopaedic implants: A state-of-the-art review on manufacturing, topological design, mechanical properties and biocompatibility
Pei et al. 3D printed titanium scaffolds with homogeneous diamond-like structures mimicking that of the osteocyte microenvironment and its bone regeneration study
Li et al. Early osteointegration evaluation of porous Ti6Al4V scaffolds designed based on triply periodic minimal surface models
Zheng et al. Promotion of osseointegration between implant and bone interface by titanium alloy porous scaffolds prepared by 3D printing
Emmelmann et al. Laser additive manufacturing of modified implant surfaces with osseointegrative characteristics
CN103328016B (zh) 形成有多孔涂层的体内插入用移植物
Raheem et al. A review on development of bio-inspired implants using 3D printing
San Cheong et al. Novel adaptive finite element algorithms to predict bone ingrowth in additive manufactured porous implants
CN105877874A (zh) 仿生设计类骨多孔骨制品及其制备方法和用途
Song et al. Research progress on the design and performance of porous titanium alloy bone implants
CN105499575A (zh) 一种多孔网格结构材料的设计及制作方法
Cheng et al. A personalized mandibular implant with supporting and porous structures designed with topology optimization–a case study of canine
Jiankang et al. Custom fabrication of composite tibial hemi-knee joint combining CAD/CAE/CAM techniques
CN111728741B (zh) 采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体及其制法
CN113427019A (zh) 一种复合材料和结构功能的金属骨植入物的制造方法
Peng et al. Biomechanical and Mechanostat analysis of a titanium layered porous implant for mandibular reconstruction: The effect of the topology optimization design
Xu et al. Genetic-based optimization of 3D Burch–Schneider cage with functionally graded lattice material
CN109472096B (zh) 一种宏观与微观拓扑优化结合的植入体设计方法
Wang et al. Multiscale design and biomechanical evaluation of porous spinal fusion cage to realize specified mechanical properties
Liu et al. Digital design of scaffold for mandibular defect repair based on tissue engineering
Sadati et al. Investigation of porous cells interface on elastic property of orthopedic implants: Numerical and experimental studies
CN115090903B (zh) 一种基于分子筛功能基元的医疗植入件及其制备方法
Chao et al. Design of porous structure based on the Voronoi diagram and stress line for better stress shielding relief and permeability

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant