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不同厚度和材料的颅骨植入物力学性能

不同厚度和材料的颅骨植入物力学性能

供稿人:惠亿军 王玲 供稿单位:西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室  发布日期:2021-07-24
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3D打印技术的迅猛发展及其整体性能已经彻底改变了许多领域,如制造业、教育、医疗保健等。受益于该技术,为植骨医学领域(颅骨成形术)提供了更多的治疗选择和提高质量。到目前为止,只有少数研究模拟和评估了对较大颅骨缺损的患者尤其重要的因素:植入物形状、位置、机械载荷特性和植入物-骨界面几何形状的作用。根据临床和工程经验,与此类缺陷相关的颅骨植入物的生物力学性能主要受以下两个因素影响:植入物材料和植入物厚度。

捷克布尔诺理工大学通过有限元的计算建模方法和统计评估来研究作为不同厚度和材料的颅植入体的力学行为,模型包括固定微型钢板和微型螺钉的详细几何形状。

如图1所示,构建了一个由颅骨、颅骨植入物、微型钢板和微型螺钉组成的解剖模型,包括PMMA、PEEK和Ti6Al4V三种不同的颅骨植入材料。

图1 模型几何:a)较小缺陷的粗模型(圆形,2412mm2), b)较大缺陷的粗模型(椭圆形,8030mm2), c)子模型

如图2所示,通过三个力作用:颅内压15mmHg +垂直作用在植入物上的外力5kg(标记为ICP + force);颅内压15mmHg +外力5kg,通过植入物中心以+45角作用(标记为ICP + force(+45));颅内压15mmHg +通过植入物中心45度角的外力5kg(标记为ICP +力(-45))。来计算模型的应变和机械应力。

图2 加载场景

结果如图3所示,PMMA和PEEK植入物的变形幅度始终大于相同厚度的Ti6Al4V植入物,在所有的配置中,最薄的PMMA植入配置导致两种微型板的应力最高而最厚的钛合金植入体使微板的应力最小。因此,可以得出结论:植入物材料的杨氏模量和结构的厚度对植入物的挠度有显著影响,且杨氏模量的影响比厚度的影响更为显著。颅骨缺损的大小显著影响植入物的挠度;但其显著性远低于杨氏模量或厚度的显著性。

图3 比较PMMA、PEEK和钛合金植入物在50倍放大的粗模型中,在外力载荷下的位移[mm]。上排:小缺陷(3412mm2);下排:缺陷较大(8030mm2)

参考文献:

  1. Marcián P, Narra N, Borák Let al. Biomechanical performance of cranial implants with different thicknesses and material properties: A finite element study[J]. Computers in Biology and Medicine, 2019,109:43-52.