封面 | 医工结合——多孔结构缓解股骨柄假体应力遮挡效应

文章链接 | 曾寿金, 刘广, 李传生, 叶建华, 李涤尘. 基于SLM的股骨柄多孔结构设计与力学性能分析[J]. 中国激光, 2022, 49(2): 0202016

【封面解读】本封面展示了面向医学股骨柄假体应用，基于选区激光熔化（SLM）技术制备三周期极小曲面（TPMS）中螺旋二十四面体（gyroid，G）、金刚石（diamond, D）和简单（primitive, P）三种多孔结构的成形过程。通过制备不同孔隙率结构样件和压缩实验，确定适合的结构类型，并将其引入股骨柄假体近端设计中，有效降低了假体的弹性模量，缓解了应力遮挡效应，还可诱导骨生长，提高假体的长期稳定性，延长假体的使用寿命。

1、背景介绍

全髋关节置换术（THA）是治疗髋关节疾病的常用方法之一，但手术中用到的传统金属假体的弹性模量太大，会产生应力遮挡现象，进而引发假体的无菌性松动，导致THA失败。在医学领域中，通常在假体中设置合适的多孔结构，以有效降低假体的弹性模量。SLM技术具有精准制造复杂结构零件的能力，能为制备多孔假体提供技术支持。

TPMS具有与小梁骨相似的平均曲率，在生物学上具有天然的亲和力。此外，其内部光滑连续，不易产生应力集中，并且该结构可控性强，通过改变函数的参数来控制多孔结构的各种特征，能为模拟人骨组织结构提供最大的可能性，还可以起到诱导骨生长、增强假体与骨组织的结合、提高假体的长期稳定性的作用。但其应用在股骨柄中并不多见。为减轻应力遮挡效应，需要研究SLM制备的TPMS多孔结构的力学性能，以找出既适合骨细胞长入，又能匹配人骨力学性能的多孔结构，从而降低发生骨吸收的风险。

2、创新研究

围绕如何在股骨柄中填充多孔结构以减轻股骨柄在植入人体后的应力遮挡程度，福建工程学院曾寿金副教授团队选择了P、G和D三种TPMS结构来构建多孔结构，并将骨生长需求考虑在内，然后利用SLM技术制备出了不同孔隙率样件，研究其力学性能，在确定适合设计股骨柄的结构类型后，通过有限元评估了该结构填充的股骨柄在植入后股骨的应力遮挡情况。旨在减轻应力遮挡效应的同时也能提供骨细胞生长的空间，增强股骨柄的长期稳定性，延长股骨柄的使用寿命。

TPMS结构是通过定义函数-C≤Φ(x,y,z)≤C来实现的,孔隙率则是通过拟合出的C值与孔隙率的数学关系来调控的，如图1所示。

图1 TPMS结构C值与孔隙率PU的关系

将设备制造精度、骨长入要求等因素考虑进多孔结构的设计中，结合上述关系，设计出合适的样件，利用SLM技术将其打印出来，如图2所示，然后对其进行压缩实验。

图2 采用SLM技术制备的TPMS多孔样件及其表面形貌

数据采集完成后，对其力学性能实验结果进行分析，可以得出P、G和D三种结构的弹性模量和屈服强度都随着孔隙率的升高而降低，随着壁厚的升高而增加，遵循与典型多孔材料相同的规律。其中，P结构的力学性能受孔隙率和壁厚的影响较大。但这对设计股骨柄的多孔结构是有益的，因为这种结构能在因制造精度、骨长入要求等因素而造成的有限的设计范围内，既满足股骨柄设计的强度要求，又能够大幅调节股骨柄的力学性能，以便与不同宿主骨的力学性能相匹配，最大程度地降低应力遮挡效应。

为了进一步研究P结构用于多孔股骨柄时的具体效果，对P结构股骨柄进行了生物力学仿真。仿真结果显示，五种孔隙率的P结构股骨柄中，最大应力为91.64 Mpa，均小于多孔结构的屈服强度，满足股骨柄设计的强度要求。

Gruen分区及股骨手术前后的应力分布如图3所示，可以看出应力遮挡效应最大是Gruen7区域，对其进行分析后，结果表明植入实心股骨柄引起的应力遮挡率达到了87.55%，而孔隙率为75%的P结构股骨柄在植入后，其引起的应力遮挡率为50.93%，相较于实心股骨柄，在股骨柄中填充75%孔隙率P结构，能够降低了36.62个百分点的应力遮挡率。

图3 Gruen分区示意图和股骨手术前后的应力分布。（a）Gruen分区示意图；（b）术前股骨的应力分布；（c）～（g）术后股骨的应力分布

3、展望

在后续的工作中，团队将进一步挖掘多孔结构与植入体需求的内在联系，深入研究不同孔隙率、不同孔径和不同类型的多孔结构之间的结合及其分布等因素对植入体性能的影响，期望找到更适合的多孔结构设计与制备方法，以提升各类定制化植入体的性能，促进增材制造技术在医学领域的应用。

课题组介绍

福建工程学院曾寿金副教授激光增材制造技术课题组与西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室李涤尘教授团队合作，主要研究方向包括面向增材制造的多孔结构设计、选区激光熔化工艺与性能研究、激光熔覆工艺与性能研究等，具体涉及多孔结构的设计制备及性能研究、定制化人体植入物和组织工程支架的优化设计、负泊松比结构的设计与优化、激光熔覆成形成性控制技术、仿生结构设计与吸能特性分析等。团队主要成员包括许明三教授、叶建华副教授和韦铁平副教授，已在Measurement、Journal of Materials Engineering and Performance、Journal of Laser Applications、机械工程学报、仪器仪表学报、中国机械工程等期刊发表多篇高水平论文。近年来，课题组承担了多项国家自然科学基金项目、福建省自然科学基金项目、福建省产学研重大项目及其他项目等。