CN117010145B - 一种基于拓扑优化的股骨多孔结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于拓扑优化的股骨多孔结构设计方法，首先对一个立方体模型进行拓扑优化设计生成目标单胞，然后对单胞进行修复，将修复之后的单胞进行阵列得到圆柱形多孔结构；然后再根据股骨的形状和在自然状态下与竖直方向成7°夹角生成与股骨相匹配的股骨多孔结构；本发明设计的单胞表面较为光滑，这有利于细胞的增殖和分化；另外，在优化的过程中，可以通过对优化目标设置不同的体积分数，生成不同的单胞，从而实现股骨多孔结构孔隙率和孔径的调整范围和可控性；本发明设计的股骨多孔结构考虑了股骨在自然状态下与竖直方向成7°夹角，避免了传统的股骨多孔结构在植入后产生应力和位移分布不均匀的情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于拓扑优化的股骨多孔结构设计方法，属于医疗器械技术领域。
技术背景
近年来，Ti6Al4V由于其良好的耐腐蚀性和生物相容性被广泛用于生物医学材料当中，但是致密化的Ti6Al4V杨氏模量与人体骨骼不匹配，在植入后会与人体产生“应力屏蔽”效应，导致植入体松动和减少其使用寿命，严重的会给病人造成二次伤害；研究发现，可以通过增加孔隙率来降低杨氏模量，因此，如何增加孔隙率，降低致密化Ti6Al4V结构的杨氏模量引起了众多学者的研究。目前，设计出不同的单胞，并且用单胞阵列出多孔结构以提高其孔隙率是当下的热门研究。
目前对于单胞的设计主要有三维建模和数学建模两种方法；然而，上述建模方法并不是没有缺点，当采用三维建模时，生成的直梁状或者急转弯支柱，会产生局部应力集中，导致多孔结构在早期阶段发生断裂且在植入人体后会导致细胞聚集，不利于细胞的增殖和分化。而采用数学建模时，生成的薄片其力学性较差，因此，三维建模和数学建模都不能对单胞的性能进行控制，有一定的盲目性。
基于上述方法生成的单胞阵列得到的多孔结构并未考虑人体股骨与承载方向存在一个7°的倾斜角，这使得股骨多孔结构在植入到人体之后的使用寿命减少。综上可知，在单胞的设计和考虑股骨7°倾斜角的多孔结构设计上需要进行一定的改进。
发明内容
本发明提供一种拓扑优化的股骨多孔结构设计方法，用以解决上述细胞增殖产生的负面影响以及应力和位移分布不均匀的问题。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于拓扑优化的股骨多孔结构设计方法，该方法包括如下步骤：
（1）由SOLIDWORKS建模软件生成立方体优化目标，并将所述的模型导出为X-T文件格式。
（2）使用ANSYS优化软件对优化目标进行材料赋予，材料属性设置为Ti6Al4V，杨氏模量、泊松比和密度分别为：110GPa、0.3、4.4g/cm3；然后对优化目标六个面中心划分出非设计区域，再进行网格划分，在非设计区域施加载荷，然后设定好优化目标、约束条件和设计区域；通过solution模块计算不同体积分数约束下的优化目标，最后在TopologyDensity 面板下可以查看优化之后的单胞。
（3）拓扑优化之后的模型表面粗糙且棱角，这会导致在棱角处产生应力集中从而导致单胞的力学性能下降，因此，需要使用Magics 21.0对拓扑优化之后的单胞进行修复和平滑处理。
（4）使用SOLIDWORKS建模软件，将修复好的单胞进行圆周阵列，得到圆柱形多孔结构。
（5）根据股骨形状和与竖直方向成7°的夹角，由几何关系可知，圆柱形状的多孔结构的上下表面与水平面成7°夹角；使用SOLIDWORKS建模软件对圆柱形多孔结构进行切除，得到与股骨相匹配的股骨多孔结构。
优选的，本发明步骤（1）中所述立方体优化目标的尺寸为2mm×2mm×2mm，这可以保证由拓扑优化之后的单胞组成的股骨多孔结构其孔径满足股骨要求。
优选的，本发明步骤（2）中在非设计区域施加700MPa的载荷，所述施加的载荷不能超过Ti6Al4V的屈服强度。
优选的，本发明步骤（2）中优化目标为刚度最大化，约束条件为单胞占优化目标的四种不同的体积分数，分别为50%、40%、30%和20%。除了加载的区域之外，其余区域均为设计区域。
优选的，本发明步骤（4）中所有股骨多孔结构的尺寸至少为平均孔径的十倍，且不小于10mm，股骨多孔结构的直径和高度之比在1-2之间，因此股骨多孔结构的优选尺寸为ø15×20mm。
优选的，本发明步骤（5）中股骨多孔结构的孔径分别为0.6mm、0.8mm、1.0mm和1.2mm，孔隙率分别为55%、60%、65%和70%，在人体股骨要求的范围内。
通过本发明所设计的股骨多孔结构与传统的股骨多孔结构相比，主要具备如下的优点：
（1）针对三维建模和数学建模的不足，本发明使用了拓扑优化设计方法对单胞进行了设计，使得单胞表面更加光滑，这有利于细胞的粘附和增殖。和三维建模和数学建模相比，本发明设计的单胞未出现急转弯，表面较为光滑，这有利于降低应力集中且有利于细胞的增殖和分化；另外，通过拓扑优化设计的单胞为实体结构，未出现薄壁结构，力学性能得到了提高。
（2）对优化目标设置不同的体积分数，可以实现股骨多孔结构孔隙率和孔径的调整范围和可控性，从而使得设计的股骨多孔结构满足人体股骨的要求。
（3）本发明设计的股骨多孔结构考虑了股骨在自然状态下与竖直方向成7°夹角，避免了传统的股骨多孔结构在植入后出现应力和位移分布不均匀的情况；此外，本发明还对比了考虑股骨7°倾斜角和传统未考虑股骨7°倾斜角多孔结构的相对密度和相对杨氏模量之间的关系，发现，本发明设计的股骨多孔结构具有更高的相对杨氏模量。
附图说明
图1是拓扑优化和单胞阵列的过程；
图2是不同方法设计的单胞；（a）拓扑优化设计的单胞；（b）三维建模设计的单胞；（c）数学建模设计的单胞；
图3是考虑股骨7°倾斜角的股骨多孔结构和传统的股骨多孔结构设计示意图；
图4是传统股骨多孔结构和考虑股骨7°倾斜角的股骨多孔结构模型；（a）传统股骨多孔结构；（b）考虑股骨7°倾斜角的股骨多孔结构。
图5是有限元分析模型；
图6是传统和考虑股骨7°倾斜角股骨多孔结构应力和位移分布；（a）和（b）传统股骨多孔结构应力和位移分布，（c）和（d）考虑股骨7°倾斜角的股骨多孔结构应力和位移分布。
图7是考虑股骨7°倾斜角和传统未考虑股骨7°倾斜角多孔结构的相对杨氏模量和相对密度之间的关系对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
（1）利用SOLIDWORKS建模软件建立一个尺寸为2mm×2mm×2mm立方体优化目标模型，并将所述的模型导出为X-T文件格式。
（2）将X-T文件导入到ANSYS优化软件当中，对优化目标进行材料赋予，材料属性设置为Ti6Al4V，杨氏模量、泊松比和密度分别为：110GPa、0.3、4.4g/cm3；然后对优化目标六个面中心划分出非设计区域，再进行网格划分，在非设计区域施加载荷700MPa；优化目标为刚度最大化，约束条件为单胞占优化目标的四种不同的体积分数，分别为50%、40%、30%和20%；除了加载的区域之外，其余区域均为设计区域；通过solution模块计算不同体积分数约束下的优化目标，最后在Topology Density 面板下可以查看优化之后的单胞。
（3）拓扑优化之后的模型表面粗糙且存在棱角，这会在棱角处产生应力集中从而导致单胞的力学性能下降，此外，还不利于细胞粘附和分化；因此，需要使用Magics 21.0对拓扑优化之后的单胞进行修复和平滑处理。
（4）所有多孔结构的尺寸至少为平均孔径的十倍，且不小于10mm，多孔结构的宽和高度之比在1-2之间，本实施例设置的多孔结构的尺寸为ø15×20mm，其孔径分别为0.6mm、0.8mm、1.0mm和1.2mm，孔隙率分别为55%、60%、65%和70%，符合人体股骨的要求。
（5）根据股骨形状和与竖直方向成7°的夹角，由几何关系可知，圆柱形状的多孔结构的上下表面与水平面成7°夹角；使用SOLIDWORKS建模软件对圆柱形多孔结构进行切除，得到四种不同孔径和孔隙率的股骨多孔结构。
（6）将设计好的股骨多孔结构装配到股骨当中，使用有限元模拟了股骨多孔结构的应力和位移分布情况，并和传统的股骨多孔结构进行了对比；在模拟中假定所有材料都是各向同性且股骨与多孔结构完全融合；股骨多孔结构的材料为Ti6Al4V，股骨的杨氏模量为16.7GPa，钢板和螺钉的材料为不锈钢，杨氏模量和泊松比分别为180GPa和0.3；因为螺钉植入到股骨当中几乎不会产生松动，因此，螺钉和股骨设置为绑定接触；而螺钉和钢板之间的接触设置为摩擦接触，摩擦系数为0.4。
（7）使用Gibson-Ashby模型对比了考虑股骨7°倾斜角和传统未考虑股骨7°倾斜角多孔结构的相对杨氏模量和相对密度。
如图2所示，通过拓扑优化设计的单胞避免了在单胞节点位置产生急转弯，从而可以有效避免应力集中和细胞聚集；此外，拓扑优化设计的单胞具有光滑的表面，这有利于细胞的增殖和分化；与数学建模相比，拓扑优化设计生成的单胞是实体结构，避免了薄壁的产生，这样可以提高其力学性能。因此，拓扑优化在组成多孔结构的单胞设计上具有一定的优势。
将传统未考虑股骨7°倾斜角的股骨多孔结构和考虑股骨7°倾斜角的股骨多孔结构的应力和位移进行对比；可以观察到，传统股骨多孔结构的应力主要分布在左侧和右侧(图6 (a)A-A红色区域)且最大应力为450.68MPa；考虑股骨7°倾斜角股骨多孔结构的应力均匀地分布在左侧、右侧和中间支柱位置(图6(c)A-A红色区域)且最大应力为185.23MPa，较传统股骨多孔结构减少了265.45MPa，可以有效避免“应力屏蔽”效应；因此，考虑了股骨7°倾斜角的股骨多孔结构比传统的股骨多孔结构有优势。
由于股骨倾斜角度的存在，传统股骨多孔结构产生的位移向左偏移且最大位移约为0.21mm，此外，J区域与“骨骼-试样”接触界面存在一个角度θ，如图6(b)所示；而考虑股骨7°倾斜角的多孔结构产生的位移没有明显的向左偏移趋势且最大位移约为0.18mm；且I区域与“骨骼-试样”接触面产生的角度θ ′ (如图6(d)所示)比传统股骨多孔结构产生的角度小，因此，考虑了股骨7°倾斜角的股骨多孔结构比传统的股骨多孔结构有优势。
图7描述了考虑股骨7°倾斜角和传统未考虑7°倾斜角多孔结构的相对杨氏模量和相对密度之间的关系；可见，以拓扑优化设计的单胞为基础，考虑了股骨7°倾斜角的股骨多孔结构其力学性能要比传统未考虑股骨7°倾斜角的股骨多孔结构力学性能更有优势；主要原因如下：第一是因为本发明使用的拓扑优化设计方法是在一定的载荷下，以刚度最大化为设计目标，使得单胞的力学性能达到最优，同时生成的表面较为光滑，有效避免的了使用三维建模导致支柱连接处产生应力集中；第二是因为本发明设计的股骨多孔结构考虑了股骨7°倾斜角，使得应力和位移分布更加均匀，从而提高了股骨多孔结构的力学性能。
应当说明的是，上述所称述的仅仅是本发明的优选实施例而已，对本发明的运用并无限制，对于本领域的技术人员来说，在不与本发明的精神和原理相违背的前提下所做出的任何改变、调整、修改、等同替换等，均应该涵盖于本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于拓扑优化的股骨多孔结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）由SOLIDWORKS建模软件生成立方体优化目标，并将模型导出为X-T文件格式；
（2）使用ANSYS软件对优化目标进行材料赋予，材料属性设置为Ti6Al4V，杨氏模量、泊松比和密度分别为：110GPa、0.3、4.4g/cm3；然后对优化目标六个面中心划分出非设计区域，再进行网格划分，在非设计区域施加载荷，然后设定好优化目标、约束条件和设计区域；通过solution模块计算不同体积分数约束下的优化目标，最后在Topology Density 面板下查看优化之后的单胞；
（3）将优化好的模型导入到Magics 21.0软件中对拓扑优化之后的单胞进行修复和平滑处理，得到修复好的单胞；
（4）使用SOLIDWORKS建模软件，将修复好的单胞进行圆周阵列，得到圆柱形多孔结构；
（5）根据股骨形状和与竖直方向成7°的夹角，由几何关系可知，圆柱形状多孔结构的上下表面与水平面成7°夹角；使用SOLIDWORKS建模软件对圆柱形多孔结构进行切除，得到与股骨相匹配的股骨多孔结构。
2.根据权利要求1所述基于拓扑优化的股骨多孔结构设计方法，其特征在于：步骤（1）中所述立方体优化目标的尺寸为2mm×2mm×2mm，这保证由拓扑优化之后的单胞组成的股骨多孔结构孔径满足股骨要求。
3.根据权利要求1所述基于拓扑优化的股骨多孔结构设计方法，其特征在于：步骤（2）中在非设计区域施加700MPa的载荷，所述施加的载荷不能超过Ti6Al4V的屈服强度。
4.根据权利要求1所述基于拓扑优化的股骨多孔结构设计方法，其特征在于：步骤（3）中修复好的单胞表面较为平滑，有利于细胞的粘附和增殖。
5.根据权利要求1所述基于拓扑优化的股骨多孔结构设计方法，其特征在于：步骤（2）中优化目标为刚度最大化，约束条件为单胞占优化目标的体积分数，分别为50%、40%、30%和20%；除了加载的区域之外，其余区域均为设计区域。
6.根据权利要求1所述基于拓扑优化的股骨多孔结构设计方法，其特征在于：步骤（5）中所有股骨多孔结构的尺寸至少为平均孔径的十倍，且不小于10mm，股骨多孔结构的直径和高度之比在1-2之间。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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