不同厚度和材料的顱骨植入物力學性能

供稿人：惠億軍 王玲
供稿單位：西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室

3D打印技術的迅猛發(fā)展及其整體性能已經徹底改變了許多領域，如制造業(yè)、教育、醫(yī)療保健等。受益于該技術，為植骨醫(yī)學領域（顱骨成形術）提供了更多的治療選擇和提高質量。到目前為止，只有少數研究模擬和評估了對較大顱骨缺損的患者尤其重要的因素：植入物形狀、位置、機械載荷特性和植入物-骨界面幾何形狀的作用。根據臨床和工程經驗，與此類缺陷相關的顱骨植入物的生物力學性能主要受以下兩個因素影響:植入物材料和植入物厚度。

捷克布爾諾理工大學通過有限元的計算建模方法和統計評估來研究作為不同厚度和材料的顱植入體的力學行為，模型包括固定微型鋼板和微型螺釘的詳細幾何形狀。

如圖1所示，構建了一個由顱骨、顱骨植入物、微型鋼板和微型螺釘組成的解剖模型，包括PMMA、PEEK和Ti6Al4V三種不同的顱骨植入材料。

圖1 模型幾何:a)較小缺陷的粗模型(圓形，2412mm2)， b)較大缺陷的粗模型(橢圓形，8030mm2)， c)子模型

如圖2所示，通過三個力作用：顱內壓15mmHg +垂直作用在植入物上的外力5kg(標記為ICP + force)；顱內壓15mmHg +外力5kg，通過植入物中心以+45角作用(標記為ICP + force(+45))；顱內壓15mmHg +通過植入物中心45度角的外力5kg(標記為ICP +力(-45))。來計算模型的應變和機械應力。

圖2 加載場景

結果如圖3所示，PMMA和PEEK植入物的變形幅度始終大于相同厚度的Ti6Al4V植入物，在所有的配置中，最薄的PMMA植入配置導致兩種微型板的應力最高而最厚的鈦合金植入體使微板的應力最小。因此，可以得出結論：植入物材料的楊氏模量和結構的厚度對植入物的撓度有顯著影響，且楊氏模量的影響比厚度的影響更為顯著。顱骨缺損的大小顯著影響植入物的撓度;但其顯著性遠低于楊氏模量或厚度的顯著性。

圖3 比較PMMA、PEEK和鈦合金植入物在50倍放大的粗模型中，在外力載荷下的位移[mm]。上排:小缺陷(3412mm2);下排:缺陷較大(8030mm2)

參考文獻：
Marcián P, Narra N, Borák Let al. Biomechanical performance of cranial implants with different thicknesses and material properties: A finite element study[J]. Computers in Biology and Medicine, 2019,109:43-52.