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高强度多孔钛合金股骨柄假体的增材制造

高强度多孔钛合金股骨柄假体的增材制造

供稿人:孙畅宁,王玲   发布日期:2017-04-07
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加拿大麦吉尔大学机械工程学院的研究人员利用激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术,制造了具有整体多孔结构的钛合金人工髋关节股骨柄假体,相比普通假体,该假体能够大幅度提高植入后的稳定性。

人工关节采用的主要材料为钛合金、钴合金及医用不锈钢材料等,与人体骨相比,这些材料的刚度极大。人工关节植入人体后,其自身与人体骨之间巨大的刚度差异会引发骨流失,最终可能造成人工关节松动或骨折等严重的并发症。多孔结构能够降低部件的整体刚度,并为骨组织的生长提供空间,因此,被认为是人工关节未来发展的趋势。

麦吉尔大学的研究人员通过SLM技术制造了不同多孔微结构体(图1),并进行了动物试验(图2)。试验结果表明,该团队设计的多孔微结构植入后能够在保证自身强度的前提下,刺激骨长入。

图1 两种多孔微结构
图2 多孔部件植入后的扫描背散射电子成像图

以此为基础,研究人员展示了完整的多孔假体设计制造概念流程,通过多目标优化算法,对人工髋关节股骨柄假体内部的多孔微结构分布和尺寸进行了优化设计,最终设计结果如图3所示。根据仿真技术结果,相比于普通的假体,该研究所展示的多孔假体能够将应力屏蔽程度降低约75%。该研究揭示了多孔假体在避免植入后应力屏蔽和周围骨流失方面的优点和潜力,并证明微结构分布的优化设计对多孔假体的成败有着举足轻重的作用。

图3 多孔人工髋关节股骨柄假体

文献:

  1. S. Arabnejad, B. Johnston, M. Tanzer, D. Pasini. Fully porous 3D printed titanium femoral stem to reduce stress‐shielding following total hip arthroplasty. Journal of Orthopaedic Research Official Publication of the Orthopaedic Research Society 2016.
  2. S. Arabnejad, R. Burnett Johnston, J. A. Pura, B. Singh, M. Tanzer, D. Pasini. High-strength porous biomaterials for bone replacement: A strategy to assess the interplay between cell morphology, mechanical properties, bone ingrowth and manufacturing constraints. Acta Biomaterialia 2016,30: 345-356.