増材制造技术在医学领域的应用问題及带来的新的设计理念

发表于 2017-7-19 16:31:33 显示全部楼层 0 3652

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传统植入体的制造方法通常为铸造、锻造和机床加工,在批量化生产方面具有很大优势,但制造完成的植入体在使用过程中通常出现匹配性低,继而引起植入体易松动、病人不适应等,甚至会导致手术失败。增材制造技术出现后可满足设计及制造,推动了个性化植入体的设计,促进了个性化植入体的应用。

在植入体设计方面,传统的设计方法很多,但大多是建立在CT扫描、逆向切骨重建、在三维软件中进行正向设计等流程。在病人急需手术的情况下,对上述设计的改进显得迫切。另外,根据植入之后的生物相容性和现行植入体易松动的缺点所设计的个性化多孔植入体,存在设计及制造的困难,过去多采用烧结的方法制备。但采用烧结的方法制备个性化多孔植入体,又存在很多不确定性,多孔结构参数很难控制。

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随着金属增材制造技术的发展,金属增材制造在零件成形方面已经满足要求。国内外在SLM成型不锈钢、钛合金、CoCrMo合金的工艺做了大量研究,如髋臼杯、椎间融合器等产品已投入使用。

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在个性化植入体设计方面,采用参数化建模技术,对于个性化多孔植入体可通过调节输入参数调节网格线的疏密程度,达到改变孔隙度,平均孔径和表面积体积比的目的,以适应不同部位不同植入体的要求。

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个性化多孔植入体的设计过程分为以下几个步骤:

(1)通过CT扫描获得患者病患部位数据信息,采用逆向工程软件重建患者病患部位三维点云模型,进行模拟切骨,轮廓测量等方法重建三维实体模型。采用有限元分析软件对其进行运动受力分析与优化设计;

(2)提取重建后实体模型轮廓面或直接提取实体模型有限元分析节点信息,进行一些数据变换与处理;

(3)在提取的实体模型表面或依据提取的有限元分析节点信息,根据多孔结构力学性能和生物学性能指标,生成部分多孔结构或全部多孔结构。

(4)可通过调节输入参数调节个性化多孔植入体可调节网格线的疏密程度,达到改变孔隙度,平均孔径和表面积体积比的目的,以适应不同部位不同植入体的需求。
本文参考《激光选区熔化成型植入体优化设计及应用基础研究》

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