天津工业大学：3D打印骨小梁的形态特征和应力分析

供稿人:秦晓、高琳
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

3D打印技术已作为一种新型的增材制造技术被成功的应用于骨科手术中。在全髋关节置换手术和全膝关节置换手术中，使用多孔金属假体代替受损的关节或骨骼，以恢复关节正常的功能。但是许多大公司对金属骨小梁细胞结构的研究在技术上是机密的，许多医院对于购买的3D打印机的二次开发工作不足，国内该领域的研究缺乏对金属骨小梁细胞结构设计和制造的研究。

为此，天津工业大学的张春秋教授等研究了金属骨小梁的细胞结构设计，从骨小梁的孔隙率和强度方面研究了骨小梁的结构和功能的规律性，通过进行一系列对比实验分析，所制备的骨小梁细胞可用于制备假体从而提高假体置换的效果。

在八种不同结构形态的骨小梁细胞的基础上，利用有限元分析软件对其形态特征和力学性能进行分析。并根据分析结果和实验数据对细胞结构进行进一步的优化，其目的是在尽可能不降低孔隙率的基础上提高骨小梁细胞的横截面积。根据力学性能实验分析结果从骨小梁细胞结构的孔隙率和承载能力两个方面筛选出三种符合实验要求的细胞结构。

图1 8种骨小梁细胞的三维模型图

在八种不同结构形态的骨小梁细胞的基础上，利用有限元分析软件对其形态特征和力学性能进行分析。并根据分析结果和实验数据对细胞结构进行进一步的优化，其目的是在尽可能不降低孔隙率的基础上提高骨小梁细胞的横截面积。根据力学性能实验分析结果从骨小梁细胞结构的孔隙率和承载能力两个方面筛选出三种符合实验要求的细胞结构。

基于筛选出的骨小梁细胞，选用不同横截面形状建立骨小梁模型，对制备的试样进行有限元分析，以研究不同骨小梁结构的力学性能，分析截面形状对骨小梁力学性能的影响。同时采用钛合金制备同样尺寸的骨小梁试样，实验结果表明骨小梁式样的承载能力比理论值高，这是因为与骨小梁试样的模型相比，通过3D打印技术制作的骨小梁标本的支柱尺寸更大，孔径更小。

研究表明，细胞结构的孔隙率与承载能力成反比，孔隙率越大，承载力越低。支柱形状对试样承载能力的影响是显而易见的，适当增大支柱形状能有效地提高骨小梁结构的承载能力。

参考文献：
C. Zhang et al., "Morphological Characteristics and Stress Analysis of 3D Printed Trabeculae," 2019 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA), Tianjin,China,2019,pp.1367-1371.http://ieeexplore.ieee.org/stamp ... 65&isnumber=8815965