基于基本细胞概念的关节内置假体增材制造的计算设计方法
Pavel Bolshakov1, Alex G Kuchumov2,3, Nikita Kharin4,5
1Department of Machine Science and Engineering Graphics, Tupolev Kazan National Research Technical University, Kazan, Russia.
概括
这项研究引入了一种新的计算方法,用于使用增材制造设计患者特定的部植入物. 这种新的方法优化了多孔结构,以更好地整合骨,减少材料使用,提高植入物性能.
科学领域:
- 生物医学工程 生物医学工程
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 计算力学 计算力学 计算力学
背景情况:
- 传统的关节置换在定制和长期性能方面存在局限性.
- 增材制造为复杂,针对患者的医疗器械提供了潜在的潜力,具有量身定制的孔隙性.
- 优化的多孔结构对于细胞增殖,骨重塑和机械性质调整至关重要.
研究的目的:
- 开发和评估一种用于设计复杂关节内置假肢的新型计算方法.
- 为了利用一个基本的细胞概念结合拓优化不规则的结构设计.
- 评估拟议方法对植入物结构完整性和材料效率的影响.
主要方法:
- 使用了一种结合拓优化和结构设计算法的计算方法.
- 一个有球形毛孔的立方体作为基本细胞,具有可变的多孔性和机械性能.
- 对圆柱形结构和两种部植入物设计进行了曲和压缩分析.
主要成果:
- 基本细胞几何学显著影响了结构的应力-应变状态.
- 在优化后,植入体量减少了9%和11%,并保留了承载能力.
- 优化的植入物表现出改变的内部结构,这表明使用更少的材料改善了结构完整性.
结论:
- 这种新的计算方法可以设计具有复杂,功能性多孔结构的关节内置假肢.
- 这种方法促进了使用增材制造来创建先进的医疗植入物.
- 该方法为关节置换器件提供了更短的设计时间和更好的材料效率.
