全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(total hip arthroplasty, THA)作為一種有效的治療骨關(guān)節(jié)炎的方法，每年成功實(shí)施超過(guò)100萬(wàn)例，對(duì)髖關(guān)節(jié)植入體的研究一直是熱門(mén)的研究方向。3D打印作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，憑借其可以成形任意形狀的特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于制造復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。因此通過(guò)3D打印工藝將髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和制造相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)植入體的性能改善，對(duì)THA技術(shù)的提升具有重大科學(xué)研究意義。
華南理工大學(xué)王英俊教授團(tuán)隊(duì)采用比例拓?fù)鋬?yōu)化(proportional topology optimization, PTO)方法對(duì)髖關(guān)節(jié)植入體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，如圖1所示。研究中，對(duì)PTO方法進(jìn)行了擴(kuò)展，將孔隙大小、孔隙度等約束條件轉(zhuǎn)化為單元密度的上下限，并構(gòu)造了兩種密度更新策略來(lái)處理界面失效和疲勞約束。其中，引入界面失效約束以防止骨植入體的微運(yùn)動(dòng)，將疲勞約束應(yīng)用于微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以保證維持生理機(jī)械載荷所需的強(qiáng)度。
圖2 髖關(guān)節(jié)優(yōu)化結(jié)構(gòu)實(shí)物圖
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