基于拓扑优化技术的3D打印胫骨重建假体治疗胫骨近端严重骨缺损

时间:2022-03-30 14:41 来源:生物设计与制造BDM 作者:admin 点击:次

本研究论文聚焦于胫骨近端严重骨缺损患者的关节重建假体的设计与验证。目前对于此类患者，临床上通常选择铰链膝关节假体进行重建，但术后假体生存率并不理想。本研究提出利用拓扑优化和网格化技术设计一种新型的个体化定制胫骨重建假体，从而提高假体的生物力学性能，为临床假体设计提供新的思路。本研究通过三维重建技术完成胫骨非均质仿真建模；通过步态分析获取完整步态周期内胫骨平台受力依据；通过拓扑优化技术及梯度化网格设计完成定制化假体的结构优化；通过有限元分析技术完成假体与骨系统的生物力学分析；通过3D金属打印完成假体的制造，并利用生物力学实验完成生物力学的验证。
根据研究结果显示，优化后假体减重77%，假体柄远端应力峰值下降39.1%，柄远端微动降低49.7%，胫骨应力及应变能峰值分别增大39.6%和61.5%，说明优化后假体与骨之间的应力屏蔽效应显著降低，远期发生假体松动、假体周围骨折及假体柄远端疼痛的风险被有效避免，假体的生物力学性能得到优化。

图1 胫骨非均质建模（A），步态分析获取关节力（B），假体及胫骨有限元模型（C）

图2 假体的拓扑优化设计和网格化设计（A，B）以及假体柄和胫骨有限元分析（C，D）

图3 假体柄应力分布（A，C）以及胫骨应力分布（B，D）

图4 生物力学试验用装置设计和平台搭建（A，B）及实验结果分析（C）

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