供稿人：康建峰，王玲 发布日期：2017-05-19
实心金属假体植入体内后，由于假体模量与周围宿主骨模量的较大差异容易造成应力屏蔽，长期可能引发假体松动或骨折。为此，许多学者关注并开展了功能化梯度多孔假体设计与增材制造方面的研究，通过多孔结构设计降低实心假体的等效模量以接近骨模量，同时借助骨内生长以提高骨假体界面的结合强度，以满足假体中远期的稳定性要求。其中，关于假体内部多孔结构的设计及优化成为解决所有功能需求的关键问题。
Saravana等[1]针对非骨水泥型髋关节股骨柄假体，采用有限元刚度优化方法调整不同区域的模量以实现降低应力屏蔽效应的目的，具体优化思路如图1所示。结果表明：对于不同类型的股骨柄假体，通过模量优化能降低7%-11%的应力遮挡，而且在径向上由假体外表面向内模量变化梯度大，柄芯呈现中空形态。该研究为功能化梯度多孔假体的优化设计提供了良好思路，但文中并未考虑骨假体界面骨生长的诱导因素及稳定性的影响，以及如何将最终优化结果向可用于增材制造的数据模型转化还需要深入研究。
图1 (a)个性化股骨柄刚度优化流程图；(b) 股骨柄假体刚度优化时模量分布的截面图
加拿大McGill大学Arabnejad等[2]设计并3D打印了一种具有可调力学属性的高强度全多孔股骨柄，并建立了3D打印全多孔假体的系统化方法，如图2所示，从最初的概念提出、多孔材料多尺度力学、材料微结构修整、到最终增材制造和体外性能评价。结果表明：相比实心假体，优化后的全多孔植入物能降低75%的应力屏蔽，为降低骨吸收和应力屏蔽起到了至关重要的作用，后续将开展动物实验以检验全多孔假体的骨生长情况。
随着增材制造技术的快速发展和创新，通过多尺度多目标优化算法的不断开发以完成假体各方面功能设计需求，两者的完美结合将为生物医疗假体植入物焕发新活力，为饱受相关疾病困苦的患者带来福音。
图2 (A) 植入物与股骨组配后的有限元模型；(B) 骨吸收最小化的多尺度力学与材料属性优化流程；(C) 整体多孔股骨柄最优的相对密度分布；(D) 根据最优密度分布采用高强度的四面体结构构建多孔微结构；(E) SLM加工制造