烏日開西·艾依提，趙夢(mèng)雅，王娟，滕 勇

(1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.蘭州軍區(qū)烏魯木齊總醫(yī)院全軍骨科中心，新疆烏魯木齊830000)

0 引言

骨缺損是骨科臨床常見的問題之一，對(duì)于大范圍骨缺損，臨床上通常采用自體骨移植、異體骨移植及異種骨移植，這些方法在材料方面有一定的局限性[1].采用組織工程的原理和方法，制備具有生物活性的人工骨，用以恢復(fù)、維持或改善骨組織的功能是一種有效的方法[2,3].組織工程研究中支架、細(xì)胞、生長因子是其三大問題，其中支架的研究是最基礎(chǔ)的問題.組織工程要求人工骨支架能夠提供一個(gè)仿生力學(xué)環(huán)境，以利于細(xì)胞的粘附和增殖[4].由于單一材料的支架存在一定的局限性[5]，文中的人工骨支架采用了金屬與陶瓷材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，金屬材料支架起支撐作用，陶瓷部分則為細(xì)胞的粘附和增殖提供微環(huán)境.本文以髖關(guān)節(jié)置換后人工骨中金屬支架的設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，依據(jù)股骨的形態(tài)及受力特性，探索符合髖關(guān)節(jié)置換要求的人工骨支架的設(shè)計(jì)方法.

1 支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

支架結(jié)構(gòu)的主要作用是承擔(dān)髖關(guān)節(jié)置換后假體與股骨之間力的傳遞，支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以髖關(guān)節(jié)置換后股骨受力規(guī)律為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便使支架的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性符合髖關(guān)節(jié)置換后股骨的受力規(guī)律，減少應(yīng)力遮擋現(xiàn)象的發(fā)生.支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程如圖1所示.

2 髖假體植入后股骨的受力分析

在髖關(guān)節(jié)置換后，股骨的受力情況將發(fā)生變化，力通過假體傳到股骨上.髖關(guān)節(jié)置換后股骨的受力主要集中在小轉(zhuǎn)子和大轉(zhuǎn)子之間的股骨分布區(qū)域[6,7]，截取股骨小轉(zhuǎn)子和大轉(zhuǎn)子之間的部分，并與假體裝配，得出假體與股骨之間力的傳遞.

對(duì)假體與股骨的受力進(jìn)行研究的前提是建立股骨的模型，股骨的形態(tài)并不是規(guī)則形態(tài)，因此在建立模型時(shí)需要提取股骨的內(nèi)外輪廓線，建立模型，與假體進(jìn)行裝配后進(jìn)行受力分析.通過MIMICS軟件對(duì)股骨CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維重建，輸出的數(shù)據(jù)在UG中進(jìn)行進(jìn)一步處理，提取所需部分的輪廓線，建立了人工骨以及植入物裝配后的模型，如圖2所示.

圖1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

給裝配體加載股骨可承受的最大載荷后，分析受力結(jié)果如圖3所示，可看出受力最大集中在假體骨頸處，這與真實(shí)股骨的受力情況相似.

圖2 人工骨模型的建立與裝配

圖3 裝配體受力分析結(jié)果

通過分析股骨的受力規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，股骨距內(nèi)側(cè)與假體接觸的地方受力最大，外側(cè)受力最小，并且股骨距與假體接觸面的受力方向沿股骨距內(nèi)側(cè)面向下.以受力最大區(qū)域的受力值和受力方向?yàn)橐罁?jù)，建立符合股骨受力規(guī)律的金屬支架結(jié)構(gòu).

3 支架單截面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

支架采用分截面（縱截面）設(shè)計(jì)的方式，結(jié)合股骨受力規(guī)律，接近受力大的區(qū)域支架網(wǎng)格密度大，越接近受力小的區(qū)域支架網(wǎng)格密度越小.因此首先設(shè)計(jì)單截面支架，當(dāng)其承受力符合股骨內(nèi)側(cè)受力最大區(qū)域的要求時(shí)，可逐漸減小外側(cè)支架的網(wǎng)格密度.

以股骨上端半徑為支架寬，建立6種不同網(wǎng)格密度（23%、26%、28%、30%、36%和52%）的鈦合金（TC4）網(wǎng)格模型，網(wǎng)格中的桿單元直徑為1 mm.對(duì)不同網(wǎng)格密度的支架進(jìn)行受力分析（如圖4所示），結(jié)果與本文第2節(jié)中計(jì)算所得的股骨對(duì)應(yīng)處受力的最大值682.94 MPa相比較，找出最合適的結(jié)構(gòu).

圖5所示為網(wǎng)格密度為26%的支架的最大應(yīng)力值與股骨對(duì)應(yīng)處的最大應(yīng)力值最為接近，為了進(jìn)一步驗(yàn)證此支架結(jié)構(gòu)是否適合建立人工骨仿生結(jié)構(gòu)，以圖6所示股骨兩端縱截面的尺寸建立如圖7的支架單排結(jié)構(gòu).對(duì)建立的支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，邊界條件的設(shè)置和以上6種支架相同，取受力最大截面處的路徑（圖6中1-2點(diǎn)）.

為了更詳細(xì)的比較兩者的應(yīng)力趨勢(shì)，提取兩者路徑上的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示.

由圖7可見，所構(gòu)建的金屬支架模型的應(yīng)力趨勢(shì)與股骨距受力時(shí)應(yīng)力趨勢(shì)相近，表明支架的末端受力狀態(tài)與股骨距末端受力狀態(tài)近似，可理論上實(shí)現(xiàn)有效避免應(yīng)力遮擋現(xiàn)象的發(fā)生.現(xiàn)在以此支架結(jié)構(gòu)建立人工骨仿生結(jié)構(gòu).

圖4 各支架分析應(yīng)力圖

圖5 最大應(yīng)力比較圖

4 金屬支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提取股骨關(guān)鍵截面的輪廓線，在建模前運(yùn)行點(diǎn)集命令，將不規(guī)則的輪廓線處理成剖面線，再建立對(duì)應(yīng)的掃掠路徑，然后通過掃掠和通過曲面組命令建立金屬支架的三維模型，如圖8所示.

圖8 金屬網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

對(duì)金屬與陶瓷材料構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)人工骨中金屬支架的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究.提出了支架分截面設(shè)計(jì)，支架密度逐漸減小以適應(yīng)股骨受力規(guī)律的方法.實(shí)現(xiàn)了由自然股骨曲線到人工骨支架的建立.通過6種不同網(wǎng)格密度金屬支架的受力狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)計(jì)出了力學(xué)特性符合股骨受力規(guī)律的金屬支架結(jié)構(gòu).