具有时变刚度的骨折内固定植入物结构设计及骨重塑效果评估

作     者：孙浩 丁晓红 徐世鹏 段朋云 熊敏 张横 SUN Hao;DING Xiaohong;XU Shipeng;DUAN Pengyun;XIONG Min;ZHANG Heng

作者机构：上海理工大学机械工程学院上海200093 上海市特种设备监督检验技术研究院上海200062 

出 版 物：《生物医学工程学杂志》 (Journal of Biomedical Engineering)

年 卷 期：2024年第41卷第3期

页      面：595-603页

核心收录：

学科分类：1002[医学-临床医学] 100210[医学-外科学(含：普外、骨外、泌尿外、胸心外、神外、整形、烧伤、野战外)] 10[医学] 

基　　金：上海市自然科学基金资助项目(22ZR1442800) 国家自然科学基金资助项目(51975380) 

主　　题：拓扑优化 时变刚度 复合结构 生物降解 骨重塑 

摘      要：理想的骨折内固定植入物刚度应具有随时间变化的性能,使骨折在不同愈合阶段都能产生合理的力学刺激,可降解材料可以满足这一性能。考虑到材料降解过程的时间依赖性,提出一种具有时变刚度的骨折内固定植入物复合结构拓扑优化设计方法。采用相对密度和降解残留率描述两种具有不同降解速度和弹性模量的材料分布和降解状态,建立降解模拟-力学分析耦合数学模型;基于变密度法设计双材料复合结构,使之具有时变刚度特性。以胫骨骨折治疗用的接骨板为例,采用所提出方法设计具有时变刚度特性的复合结构接骨板,优化结果显示高刚度的材料1形成柱状的支撑结构,低刚度的材料2分布在降解边界和内部。利用骨重塑模拟模型对优化后的接骨板进行评估,经过11个月重塑,使用可降解时变刚度接骨板、钛合金接骨板和不锈钢接骨板的骨痂平均弹性模量分别为8634、8521、8412 MPa,表明使用可降解时变刚度接骨板可使骨痂取得更好的重塑效果。