3D打印网-中国3D打印门户移动版

主页 > 新闻频道 > 市场研究 >

洞悉拓扑优化在骨科植入物3D打印中的应用

     3D打印在植入物方面可以发挥的优势是,通过采用正确的设计,种植体可以模制成更接近人体骨骼的形状和硬度。而有趣的是为了更加接近人体骨骼的形状和硬度,可以采用更为“自动化”的建模方式。

Top_Valley图1: 拓扑优化在骨科植入物的应用

© 3D科学谷

拓扑优化成就更好的植入物

     美敦力耿芳表示,很多3D打印标准化植入物获得了FDA的认证,3D打印技术在制造多孔结构、拓扑优化结构等复杂结构中具有优势,可以说3D打印技术在标准件制造的应用也是必然趋势。拓扑优化旨在为一组目标在某些约束下获得设计的最佳结构布局。优化过程在身体的自然器官中不断发生。骨重塑是骨组织工程的核心方面,使骨的内部结构适应外部负荷条件。这个过程需要重新定向主要应力路径,以最大限度地提高机械效率,从而实现最佳结构。

      拓扑优化技术的另一个新兴用途是减轻多孔结构的各向异性行为。使用曲率壁厚调整算法,结合有限元方法,各向异性架构可以重塑为它们的各向同性等效物。大多数拓扑优化算法都基于伪密度设计变量(考虑材料的机械模量);因此,它们可以很容易地针对骨支架和植入物设计进行定制。由此产生的拓扑结构通常由复杂的特征组成,这些特征很难或不可能通过传统制造工艺进行生产。

      幸运的是,只要遵守某些制造限制,增材制造工艺就能够生产具有复杂特征的零件。因此,拓扑优化和增材制造之间存在协同合作关系,可实现灵活的设计解决方案。多年来,多项努力表明,大多数使用 AM增材制造拓扑优化的设计都集中在头部和骨盆区域的植入物上,有多种拓扑优化方法或方法,例如双进化结构优化(BESO)、固体各向同性材料惩罚模型(SIMP)和水平集方法(LSM)。在这些方法中,SIMP 是迄今为止文献中使用最多的方法,因为它具有鲁棒性、适用于多种物理场的范围以及实现相对简单。

      骨 – 植入物相互作用中的一个常见不良现象是应力屏蔽,其中与周围骨区域相比更硬的植入物会导致不准确或低效的骨重塑。拓扑优化是实现此类植入物解决方案的出色数学工具,因为流行的方法是基于最小化顺应性(最大化刚度)同时显着减少材料体积

block 固体各向同性材料惩罚模型

     固体各向同性材料惩罚模型(SIMP)方法是生物医学应用中拓扑优化最广泛使用的方法。SIMP 方法是一种基于梯度的方法,它利用幂律关系将材料属性建立为伪密度设计变量的函数。设计域被离散为有限元,并为每个元素分配了一个伪密度设计变量。集体伪密度变量成为设计变量。本质上,离散模型中有限元的数量定义了设计变量的数量。大多数算法都基于最小化结构的柔顺性(最大化刚度),同时对材料体积施加约束。

block 加权多目标拓扑优化

由于相关生理区域进行的若干日常活动,许多植入物在生物机械环境下承受各种机械载荷。每个载荷都被视为一个载荷工况,产生独特的应变能或柔顺函数。因此,该算法中的应变能函数与载荷一样多。为了针对负载优化这些植入物,加权多目标拓扑优化能够为应变能函数分配不同的权重,将更大的权重赋予与更高功能相关的负载。

top_bone图 2. 用于骨替代物设计的拓扑优化方法。(A) 显示了针对四种不同切除类型的多目标拓扑优化骨盆假体。该图显示了所有优化假体的提取表面、优化的植入物和虚拟组件。

block 基于应力的拓扑优化

在某些情况下,优化是通过最小化植入物的最坏状态(即故障)来完成的。此外,由于在使用不同的目标函数导出最佳拓扑时,应力奇异性是可能的,因此基于应力的方法可能很有吸引力。考虑到弹性失效的理论,一些研究人员试图使用最大变形能量理论(von Mises)来描述失效准则。

通过基于应力的拓扑优化模型设计的颞下颌关节假体如图 2B 所示。

block 填充和周边控制策略

    为了模拟骨骼结构的静脉和多孔性质,可以通过重新制定问题陈述和/或引入一些约束来修改拓扑优化算法。在许多努力中,通过 SIMP 方法 或其他方法已经证明了传统拓扑优化方法的使用。重要的是,所采用的方法结合了种植体-骨相互作用的生物力学考虑,以维持获得的最佳拓扑结构的相关性。

l 参考资料:“Additively manufactured metallic biomaterials”

(责任编辑:admin)