【摘要】：為了解決假體與骨的彈性模量存在較大差異而造成應(yīng)力遮擋的問題,基于3D打印在制造多孔微結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),將假體設(shè)計(jì)為多孔結(jié)構(gòu)能有效降低模量,緩解應(yīng)力遮擋。但是,如何優(yōu)化微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)以實(shí)現(xiàn)假體模量的最佳匹配仍然沒有得到解決。因此,提出了一種面向3D打印的可變模量金屬假體的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,旨在獲得與宿主骨模量相匹配又具有可加工性的生物型假體。針對(duì)體心立方單元(BCC)和增強(qiáng)體心立方單元(RBCC),采用有限元法計(jì)算了兩種多孔單元沿軸向、面對(duì)角線和體對(duì)角線方向的彈性模量,建立了單元彈性模量與支柱直徑的函數(shù)關(guān)系,分析了單元各向異性隨支柱直徑變化的規(guī)律,研究了棱邊直徑和單元尺寸對(duì)單元彈性模量的影響。結(jié)果表明:在加工精度范圍內(nèi),通過減小支柱直徑能實(shí)現(xiàn)單元等效彈性模量與骨模量一致性要求;在各向同性上BCC單元要優(yōu)于RBCC單元,而且增大棱邊直徑有助于提高單元各向同性;由于BCC單元能實(shí)現(xiàn)相鄰不同模量的單元界面連續(xù)拼接,故選用BCC單元構(gòu)建模量可調(diào)的假體,可變模量范圍為15.9~100 GPa。該設(shè)計(jì)方法可用于構(gòu)建具有模量梯度結(jié)構(gòu)的生物假體,以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)應(yīng)力最優(yōu)分布。
[Abstract]:In order to solve the problem of stress occlusion caused by the large difference of elastic modulus between prosthesis and bone, based on the advantage of 3D printing in the fabrication of porous microstructures, the design of prosthesis as porous structure can effectively reduce the modulus and relieve the stress occlusion. However, how to optimize the geometric parameters of microstructures to achieve the optimal matching of prosthetic modulus has not been solved. Therefore, a 3D print-oriented microstructural design method for metal prosthesis with variable modulus is proposed, which aims to obtain a bioprosthesis with machinability that matches the modulus of the host bone. The elastic moduli of two kinds of porous elements along axial, plane and diagonal directions are calculated by finite element method for (BCC) and (RBCC),. The functional relationship between the elastic modulus of the element and the diameter of the pillar is established. The variation of the anisotropy of the element with the diameter of the pillar is analyzed, and the influence of the edge diameter and the size of the element on the elastic modulus of the element is studied. The results show that the equivalent elastic modulus and bone modulus of the unit can be achieved by reducing the diameter of the pillar in the range of machining accuracy. The BCC element is better than the RBCC element in isotropy, and increasing the edge diameter can improve the isotropy of the element. Because the BCC element can realize the continuous splicing of the interface of the adjacent units with different moduli, the BCC element is used to construct the prosthesis with adjustable moduli, and the variable modulus range is 15.9 ~ 100 GPa.. This design method can be used to construct biological prosthesis with modulus gradient structure to achieve optimal distribution of joint stress.
【作者單位】： 西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;陜西恒通智能機(jī)器有限公司;利茲大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;
【基金】：陜西省科技統(tǒng)籌工程計(jì)劃(2014KTZB01-02-02) 中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目
【分類號(hào)】：R318.08

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2393488