人體骨組織由不規(guī)則幾何微結(jié)構(gòu)的骨小梁和皮質(zhì)骨薄殼組成，在日常生活中應(yīng)對各種生理負荷時表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)力分布和負荷傳遞功能，具有更強的靈活性。
由于長期復(fù)雜力學環(huán)境的影響，原生骨組織的各向異性特性是為了最大限度地提高主承載方向上的剛度和強度，同時使骨量盡可能低。對于因腫瘤或外傷導(dǎo)致骨缺損的患者，通過模仿骨組織的力學特性而獲得的骨替代物通常用于功能性骨重建和疼痛緩解。
在許多研究中，對各種骨代用品的力學和生物學性能進行了的比較，并通過材料的開發(fā)和微結(jié)構(gòu)的設(shè)計進一步探索了更全面的功能修復(fù)。
此外，3D打印技術(shù)使材料的制造具有可控的孔隙度和微結(jié)構(gòu)，這在宏觀和微觀尺度上拓寬了設(shè)計的自由度，這使得3D打印骨替代品更受歡迎。骨科中的金屬多孔植入物具有低彈性模量和高屈服強度，同時具有避免應(yīng)力屏蔽的潛力，因此與更好的骨骨整合和長穩(wěn)定性和壽命相關(guān)。
然而，由于多孔形狀和幾何尺寸的影響，多孔結(jié)構(gòu)在力學性能上呈現(xiàn)各向異性的差異。天然骨與假體微觀結(jié)構(gòu)的各向異性對比研究尚少，難以指導(dǎo)具有類似天然骨各向異性的多孔假體的設(shè)計。
采用增材制造制造的多孔骨替代品為模擬具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能的天然骨提供了機會。然而，微觀結(jié)構(gòu)與宿主骨之間的各向異性差異尚不清楚，其與設(shè)計各向異性可控的微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)學關(guān)系尚未建立。
廣東佛山季華實驗室康建峰博士團隊聯(lián)合西安交通大學械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室董恩純博士、董雙鵬博士、張晨博士、王玲教授、李滌塵教授團隊針對這一問題，利用廣義胡克定律，利用有限元方法和規(guī)劃方法，建立了微觀結(jié)構(gòu)各向異性的數(shù)值計算方法。
分析了四個多孔單元的有效模量表面的三維空間分布。建立了各向異性系數(shù)與幾何參數(shù)之間的映射關(guān)系。最后，系統(tǒng)地研究了各向異性的比較。過調(diào)整幾何尺寸可以控制模量各向異性，揭示了由材料分布引起的模量空間分布的響應(yīng)機制。
▲論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127520301428
主要研究成果
1、材料和方法
無論是天然骨模型還是3D打印多孔結(jié)構(gòu)，其在彈性變形過程中的等效模量均可用廣義胡克定律表示，相應(yīng)的應(yīng)力可以通過反作用力與有效面積的比值來確定。
?
其中包括法向應(yīng)變和剪切應(yīng)變引起的兩類邊界條件，有限元分析中參考點與相關(guān)曲面耦合的詳細設(shè)置如圖1所示。
楊氏模量的三維表示通常用于直觀地描述不同晶體類型的各向異性。主要任務(wù)包括剛度矩陣的獲取和三維空間表示。類似的方法也可以推廣到評價均勻或隨機元胞結(jié)構(gòu)的力學性能。
圖1 多孔結(jié)構(gòu)各向異性分析的邊界條件:
(a)來自股骨的不同骨樣，具有不同的應(yīng)力線;
(b)有限元分析中的加載方法;
(c)本研究中選擇的四種類型的多孔晶格。
2、不同多孔結(jié)構(gòu)彈性模量的空間分布
圖 2? 四種多孔結(jié)構(gòu)的受控幾何參數(shù):
(a)立方球形空心單元(ds = 2.3 mm，孔隙率= 73.8%)，
(b)正交立方單元(d .es = 0.8 mm，孔隙率= 71.4%)，
(c)體心立方單位
(d?.is = 0.4 mm, d .es = 0.5 mm，孔隙率= 72.3%)，
(d)增強體心立方單元(dis = 0.3 mm, d .es = 0.5 mm，孔隙率74.5%)
在BCC和RBCC格型下研究了模量各向異性隨兩種支撐直徑的變化。采用多項式擬合技術(shù)，建立了各向異性程度與各幾何參數(shù)之間的映射關(guān)系。最后，系統(tǒng)評價了多孔結(jié)構(gòu)與人體宿主骨各向異性分布的差異。
3、結(jié)果
?
然而，不同胞格之間的彈性模量分布存在很大差異。
圖3? 多孔結(jié)構(gòu)和皮質(zhì)骨的有效彈性模量的空間分布和投影視圖:
(a)立方球形空心單元，
(b)正交立方單元，
(c)體心立方單元，(d)增強體心立方單元，
(e)研究中的股骨皮質(zhì)骨和(f)研究中的椎體終板。
4、多孔結(jié)構(gòu)與宿主骨之間的各向異性差異
?
圖4
不同多孔結(jié)構(gòu)與人體天然骨骼的各向異性差異
5、討論
?
結(jié)論 本研究系統(tǒng)比較了孔隙結(jié)構(gòu)與人體骨骼之間的各向異性差異，表明這些差異是可調(diào)節(jié)的，并與孔隙形態(tài)和幾何特征密切相關(guān)。 盡管傳統(tǒng)的多孔假體設(shè)計是通過保證與天然骨相似的模量，各向異性的顯著影響需要得到充分的重視。
為了設(shè)計具有可控各向異性的多孔假體，研究提供了兩種策略: 1)具有相似力學性能和陣列操作的單一基格. 2)沿不同空間方向具有互補剛度的不同基格組合。幸運的是，為每個多孔結(jié)構(gòu)建立的數(shù)學關(guān)系對實現(xiàn)上述目標起著關(guān)鍵作用。
此外，以大段骨缺損修復(fù)為例（圖5），這些多孔支架是基于宿主骨的力學性能進行設(shè)計和優(yōu)化的，但不同的假體微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的力學行為能力。 多孔支架的優(yōu)化結(jié)果表明，在缺陷的背側(cè)/內(nèi)側(cè)位置發(fā)現(xiàn)了最大的支柱直徑，而在中心位置發(fā)現(xiàn)了最小的支柱直徑。
由OGC單元各向異性與支撐桿直徑的正相關(guān)關(guān)系可知，隨著支撐桿直徑由中心向外徑向增加，微結(jié)構(gòu)各向異性逐漸增大，達到各向同性。多孔支架的各向異性在橫截面上的分布與天然股骨相似。 同時，該結(jié)果也強調(diào)了研究和比較不同場景(壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn))以及復(fù)雜生物力學載荷的必要性，以深刻表征不同的支架設(shè)計。 因此，微觀結(jié)構(gòu)的各向異性評價不應(yīng)被忽視，多孔植入物微觀結(jié)構(gòu)的各向異性優(yōu)化將有利于提高安全性。 圖5 ?多孔支架修復(fù)大節(jié)段骨缺損。
承重多孔植入物的成功在很大程度上取決于其促進骨整合和模擬天然骨力學行為的能力。然而，大多數(shù)對植入物微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化很少關(guān)注各向異性的影響，這確實是不可或缺的。 在本研究中，基于四種不同類型的多孔晶格和原生骨進行了各向異性特征的評估。 可以得出結(jié)論，開發(fā)了多孔結(jié)構(gòu)模量各向異性的數(shù)值方法，有效地表征了模量和各向異性程度的空間分布。幾何參數(shù)與各向異性系數(shù)之間的映射關(guān)系為建立了各向異性的可控性。
并揭示了固體材料分布引起的模量空間分布的響應(yīng)機制。雖然與骨小梁孔隙率相似的多孔結(jié)構(gòu)彈性模量接近于骨皮質(zhì)，但所有多孔結(jié)構(gòu)的最高模量與最低模量之比都在1.6 ~ 2.4范圍內(nèi)，這表明對模量的準確評價以及各向異性對使用性能的影響是必要的。 系統(tǒng)比較了天然骨與多孔結(jié)構(gòu)的各向異性差異，為結(jié)合3D打印技術(shù)制造的定制梯度多孔結(jié)構(gòu)的骨科植入物的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。 ? END??
參考資料：聚康3D
? ?END
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦醫(yī)用高分子）：增材制造應(yīng)用于骨科骨替代品和多孔植入物微觀結(jié)構(gòu)的各向異性特性