仿骨小梁力学性能的多孔结构拓扑优化设计

• 作者: 刘蓉 王永轩 郭新路
• 来源期刊: 医用生物力学
• 学科: 医学
• 关键词: 骨小梁 多孔结构 代表体元法 力学分析 拓扑优化
• 年，卷（期）: 2018,（5）
• 所属期刊栏目: 论著
• 页码范围: 402-409
• 页数: 8页
• 分类号: R318.01
• 语种: 中文
• DOI: 10.16156/j.1004-7220.2018.05.004

摘要

目的 基于动物骨小梁结构设计多孔植入物,阐述骨小梁结构的力学性能特点,说明使用仿骨小梁多孔结构植入物在临床治疗中的重要意义.方法 基于动物骨小梁结构的各向异性力学性能,利用拓扑优化技术进行多孔结构设计.根据骨功能原理提出分区、分块重建原则,利用Micro-CT图像重建动物骨小梁模型结构;根据代表体元法对模型施加边界约束和外载荷,以求解的力学性能作为优化的目标函数,利用拓扑优化中的变密度法和均匀化方法进行多孔结构设计及优化.结果 骨小梁结构具有各向异性的力学特点.求解发现,松质骨的体积分数在同一截面的边缘到中间主压力位置呈现递增趋势;泊松比无明显变化规律,均匀分布在0.17 ～0.30之间;而弹性模量和剪切模量在松质骨主压力位置明显大于其他位置;基于上述结果进行拓扑优化设计,结果显示,优化后模型的泊松比分布在0.17 ～0.30,弹性模量误差在14％以下,最小的仅为3％,剪切模量误差范围在8％以下,基本符合最初的设计目标.结论 利用拓扑优化方法设计的多孔结构具有与动物松质骨相同的各向异性特点,同时减少应力集中现象,可以实现特定性能的多孔结构设计,为后续设计临床应用的多孔植入物提供一种合理有效的方法.