基于拓撲優(yōu)化技術的3D打印脛骨重建假體治療脛骨近端嚴重骨缺損

來源： 生物設計與制造BDM

本研究論文聚焦于脛骨近端嚴重骨缺損患者的關節(jié)重建假體的設計與驗證。目前對于此類患者，臨床上通常選擇鉸鏈膝關節(jié)假體進行重建，但術后假體生存率并不理想。本研究提出利用拓撲優(yōu)化和網(wǎng)格化技術設計一種新型的個體化定制脛骨重建假體，從而提高假體的生物力學性能，為臨床假體設計提供新的思路。本研究通過三維重建技術完成脛骨非均質(zhì)仿真建模；通過步態(tài)分析獲取完整步態(tài)周期內(nèi)脛骨平臺受力依據(jù)；通過拓撲優(yōu)化技術及梯度化網(wǎng)格設計完成定制化假體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；通過有限元分析技術完成假體與骨系統(tǒng)的生物力學分析；通過3D金屬打印完成假體的制造，并利用生物力學實驗完成生物力學的驗證。

根據(jù)研究結(jié)果顯示，優(yōu)化后假體減重77%，假體柄遠端應力峰值下降39.1%，柄遠端微動降低49.7%，脛骨應力及應變能峰值分別增大39.6%和61.5%，說明優(yōu)化后假體與骨之間的應力屏蔽效應顯著降低，遠期發(fā)生假體松動、假體周圍骨折及假體柄遠端疼痛的風險被有效避免，假體的生物力學性能得到優(yōu)化。

圖1 脛骨非均質(zhì)建模（A），步態(tài)分析獲取關節(jié)力（B），假體及脛骨有限元模型（C）

圖2 假體的拓撲優(yōu)化設計和網(wǎng)格化設計（A，B）以及假體柄和脛骨有限元分析（C，D）

圖3 假體柄應力分布（A，C）以及脛骨應力分布（B，D）

圖4 生物力學試驗用裝置設計和平臺搭建（A，B）及實驗結(jié)果分析（C）

參考文獻：略