[發(fā)明專利]基于拓撲優(yōu)化技術(shù)的變密度多孔金屬骨科植入物制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710772612.6
• 申請日: 2017-08-31
• 公開（公告）號: CN107563056A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設計）人: 王英俊;李巍華
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/00;G06T19/20
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高性能低模量的金屬骨科植入物，具體涉及一種基于多尺度多約束拓撲優(yōu)化技術(shù)的變密度多孔金屬骨科植入物制備方法。

背景技術(shù)

人工骨科植入物是骨肌系統(tǒng)治療的主要方式之一，每年用于上百萬骨科疾病患者的治療，全球市場規(guī)模高達數(shù)百億美金。然而，傳統(tǒng)金屬(如鈦合金、鈷合金等)骨科植入物因彈性模量過大，在植入后將承擔大部分載荷，出現(xiàn)應力屏蔽效應，導致術(shù)后骨骼得不到鍛煉產(chǎn)生骨吸收，將導致骨質(zhì)疏松從而引起植入物松動，需進行矯正手術(shù)。因此，需要開發(fā)性能更為優(yōu)越人工骨科植入物。

將植入物制造成多孔結(jié)構(gòu)，可降低植入物的彈性模量，減小應力屏蔽效應，而且多孔結(jié)構(gòu)有利于細胞植入、組織生長、營養(yǎng)輸入、代謝物排除等，可提高植入物生物相容性。但是，現(xiàn)今多空骨科植入物通常采用周期重復的單一微結(jié)構(gòu)，其模量降低的同時往往導致強度下降，力學性能下降。此外，固定大小的孔徑和單一的微結(jié)構(gòu)與骨組織結(jié)構(gòu)不相符，不利于骨組織長入植入物中。可見，目前多孔骨科植入物的結(jié)構(gòu)設計缺乏一套科學系統(tǒng)的理論指導，仍有待改進。

在設計骨科植入物時，有限元仿真分析技術(shù)通常會用來對設計模型進行性能分析以評估模型設計的優(yōu)劣，從而減少實物實驗，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。然而，多孔骨科植入物幾何形狀非常復雜，劃分有限元模型時需要大量有限單元，造成計算量巨大，計算時間長，甚至超過計算機的計算能力而無法計算。如何高效實現(xiàn)多孔骨科植入物的性能仿真分析，是高性能骨科植入物設計中的一個重要環(huán)節(jié)，急需解決。

多孔骨科植入物設計既需要考慮生物醫(yī)學要求,如骨吸收、骨生長等，又需要考慮植入物的力學性能，如強度、剛度等，還需要考慮加工工藝，如最小微結(jié)構(gòu)壁厚尺寸等。如何在多個約束下設計出性能優(yōu)越的骨科植入物，是相關(guān)設計人員面臨的一大挑戰(zhàn)。

采用不同密度的多孔微結(jié)構(gòu)構(gòu)建骨科植入物可改變植入物性能，有望設計出性能更優(yōu)的植入物。然而，變密度多孔骨科植入物幾何形狀極其復雜，如何連接不同密度的微結(jié)構(gòu)、如何分布不同密度的微結(jié)構(gòu)、如何根據(jù)密度分布構(gòu)建變密度多孔幾何模型等都是有待解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于多尺度多約束拓撲優(yōu)化技術(shù)的變密度多孔金屬骨科植入物。通過拓撲優(yōu)化技術(shù)獲取多孔植入物的密度分布，實現(xiàn)了滿足生物醫(yī)學、力學要求的條件下的最優(yōu)化設計，并建立了一套變密度幾何模型的構(gòu)建方法，自動生成可供3D打印加工制造的幾何模型，最終利用3D打印制造出骨吸收少、強度高、使用壽命長的變密度多孔金屬骨科植入物。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

基于拓撲優(yōu)化技術(shù)的變密度多孔金屬骨科植入物制備方法，其特征在于，包括步驟：

CT掃描建立骨骼幾何模型并選擇微結(jié)構(gòu)，將孔隙率、微結(jié)構(gòu)孔徑大小、微結(jié)構(gòu)壁厚條件作為拓撲優(yōu)化的約束條件；

以均勻化方法計算等效實體單元屬性，并采用有限元以等效實體單元計算植入物力學性能；

以密度法拓撲優(yōu)化技術(shù)獲得植入物區(qū)域內(nèi)的密度分布，將孔隙率、微結(jié)構(gòu)孔徑大小、微結(jié)構(gòu)壁厚條件作為拓撲優(yōu)化的約束條件；

以有限元節(jié)點單元位置信息為基礎，構(gòu)建變密度梯度多空骨科植入物的幾何模型；

通過3D打印加工制造所述變密度多孔金屬骨科植入物。

進一步地，CT掃描建立骨骼幾何模型的步驟是根據(jù)病人骨骼CT掃描數(shù)據(jù)，通過醫(yī)學影像處理軟件Mimics對CT掃描數(shù)據(jù)進行處理，重建骨骼幾何模型。

進一步地，所述孔隙率要求大于50％，所述微結(jié)構(gòu)孔徑尺寸為50～800μm，微結(jié)構(gòu)壁厚大于100μm。

進一步地，以均勻化方法計算等效實體單元屬性的步驟具體包括：

利用均勻化方法獲取周期點陣微結(jié)構(gòu)實體在不同相對密度下的等效材料屬性，并將等效材料屬性擬合為相對密度的函數(shù)，所述的相對密度為微結(jié)構(gòu)實體部分與整個微結(jié)構(gòu)的體積比。

進一步地，所述均勻化方法每隔0.1計算微結(jié)構(gòu)實體部分相對密度0.1～1的等效實體屬性，然后采用多項式插值(2次或3次多項式)將不同相對密度下的等效實體屬性擬合為材料屬性與相對密度的函數(shù)。

進一步地，采用有限元以等效實體單元計算植入物力學性能的步驟具體包括：有限元計算時，直接通過材料屬性-相對密度函數(shù)獲取不同相對密度下的材料屬性，并以等效實體單元計算植入件的力學性能。