[发明专利]基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能低模量的金属骨科植入物，具体涉及一种基于多尺度多约束拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法。

背景技术

人工骨科植入物是骨肌系统治疗的主要方式之一，每年用于上百万骨科疾病患者的治疗，全球市场规模高达数百亿美金。然而，传统金属(如钛合金、钴合金等)骨科植入物因弹性模量过大，在植入后将承担大部分载荷，出现应力屏蔽效应，导致术后骨骼得不到锻炼产生骨吸收，将导致骨质疏松从而引起植入物松动，需进行矫正手术。因此，需要开发性能更为优越人工骨科植入物。

将植入物制造成多孔结构，可降低植入物的弹性模量，减小应力屏蔽效应，而且多孔结构有利于细胞植入、组织生长、营养输入、代谢物排除等，可提高植入物生物相容性。但是，现今多空骨科植入物通常采用周期重复的单一微结构，其模量降低的同时往往导致强度下降，力学性能下降。此外，固定大小的孔径和单一的微结构与骨组织结构不相符，不利于骨组织长入植入物中。可见，目前多孔骨科植入物的结构设计缺乏一套科学系统的理论指导，仍有待改进。

在设计骨科植入物时，有限元仿真分析技术通常会用来对设计模型进行性能分析以评估模型设计的优劣，从而减少实物实验，缩短产品开发周期。然而，多孔骨科植入物几何形状非常复杂，划分有限元模型时需要大量有限单元，造成计算量巨大，计算时间长，甚至超过计算机的计算能力而无法计算。如何高效实现多孔骨科植入物的性能仿真分析，是高性能骨科植入物设计中的一个重要环节，急需解决。

多孔骨科植入物设计既需要考虑生物医学要求,如骨吸收、骨生长等，又需要考虑植入物的力学性能，如强度、刚度等，还需要考虑加工工艺，如最小微结构壁厚尺寸等。如何在多个约束下设计出性能优越的骨科植入物，是相关设计人员面临的一大挑战。

采用不同密度的多孔微结构构建骨科植入物可改变植入物性能，有望设计出性能更优的植入物。然而，变密度多孔骨科植入物几何形状极其复杂，如何连接不同密度的微结构、如何分布不同密度的微结构、如何根据密度分布构建变密度多孔几何模型等都是有待解决的难题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于多尺度多约束拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物。通过拓扑优化技术获取多孔植入物的密度分布，实现了满足生物医学、力学要求的条件下的最优化设计，并建立了一套变密度几何模型的构建方法，自动生成可供3D打印加工制造的几何模型，最终利用3D打印制造出骨吸收少、强度高、使用寿命长的变密度多孔金属骨科植入物。

本发明所采用的技术方案是：

基于拓扑优化技术的变密度多孔金属骨科植入物制备方法，其特征在于，包括步骤：

CT扫描建立骨骼几何模型并选择微结构，将孔隙率、微结构孔径大小、微结构壁厚条件作为拓扑优化的约束条件；

以均匀化方法计算等效实体单元属性，并采用有限元以等效实体单元计算植入物力学性能；

以密度法拓扑优化技术获得植入物区域内的密度分布，将孔隙率、微结构孔径大小、微结构壁厚条件作为拓扑优化的约束条件；

以有限元节点单元位置信息为基础，构建变密度梯度多空骨科植入物的几何模型；

通过3D打印加工制造所述变密度多孔金属骨科植入物。

进一步地，CT扫描建立骨骼几何模型的步骤是根据病人骨骼CT扫描数据，通过医学影像处理软件Mimics对CT扫描数据进行处理，重建骨骼几何模型。

进一步地，所述孔隙率要求大于50％，所述微结构孔径尺寸为50～800μm，微结构壁厚大于100μm。

进一步地，以均匀化方法计算等效实体单元属性的步骤具体包括：

利用均匀化方法获取周期点阵微结构实体在不同相对密度下的等效材料属性，并将等效材料属性拟合为相对密度的函数，所述的相对密度为微结构实体部分与整个微结构的体积比。

进一步地，所述均匀化方法每隔0.1计算微结构实体部分相对密度0.1～1的等效实体属性，然后采用多项式插值(2次或3次多项式)将不同相对密度下的等效实体属性拟合为材料属性与相对密度的函数。

进一步地，采用有限元以等效实体单元计算植入物力学性能的步骤具体包括：有限元计算时，直接通过材料属性-相对密度函数获取不同相对密度下的材料属性，并以等效实体单元计算植入件的力学性能。