复合结构组织工程化人工骨的金属支架结构设计研究∗

乌日开西·艾依提，赵梦雅，王娟，滕 勇

(1.新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.兰州军区乌鲁木齐总医院全军骨科中心，新疆乌鲁木齐830000)

0 引言

骨缺损是骨科临床常见的问题之一，对于大范围骨缺损，临床上通常采用自体骨移植、异体骨移植及异种骨移植，这些方法在材料方面有一定的局限性[1].采用组织工程的原理和方法，制备具有生物活性的人工骨，用以恢复、维持或改善骨组织的功能是一种有效的方法[2,3].组织工程研究中支架、细胞、生长因子是其三大问题，其中支架的研究是最基础的问题.组织工程要求人工骨支架能够提供一个仿生力学环境，以利于细胞的粘附和增殖[4].由于单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属与陶瓷材料的复合结构，金属材料支架起支撑作用，陶瓷部分则为细胞的粘附和增殖提供微环境.本文以髋关节置换后人工骨中金属支架的设计为研究对象，依据股骨的形态及受力特性，探索符合髋关节置换要求的人工骨支架的设计方法.

1 支架结构的设计原则

支架结构的主要作用是承担髋关节置换后假体与股骨之间力的传递，支架结构的设计以髋关节置换后股骨受力规律为依据进行设计，以便使支架的结构力学特性符合髋关节置换后股骨的受力规律，减少应力遮挡现象的发生.支架结构的设计流程如图1所示.

2 髋假体植入后股骨的受力分析

在髋关节置换后，股骨的受力情况将发生变化，力通过假体传到股骨上.髋关节置换后股骨的受力主要集中在小转子和大转子之间的股骨分布区域[6,7]，截取股骨小转子和大转子之间的部分，并与假体装配，得出假体与股骨之间力的传递.

对假体与股骨的受力进行研究的前提是建立股骨的模型，股骨的形态并不是规则形态，因此在建立模型时需要提取股骨的内外轮廓线，建立模型，与假体进行装配后进行受力分析.通过MIMICS软件对股骨CT扫描数据进行了三维重建，输出的数据在UG中进行进一步处理，提取所需部分的轮廓线，建立了人工骨以及植入物装配后的模型，如图2所示.

图1 支架结构设计流程

给装配体加载股骨可承受的最大载荷后，分析受力结果如图3所示，可看出受力最大集中在假体骨颈处，这与真实股骨的受力情况相似.

图2 人工骨模型的建立与装配

图3 装配体受力分析结果

通过分析股骨的受力规律可以发现，股骨距内侧与假体接触的地方受力最大，外侧受力最小，并且股骨距与假体接触面的受力方向沿股骨距内侧面向下.以受力最大区域的受力值和受力方向为依据，建立符合股骨受力规律的金属支架结构.

3 支架单截面结构的设计

支架采用分截面（纵截面）设计的方式，结合股骨受力规律，接近受力大的区域支架网格密度大，越接近受力小的区域支架网格密度越小.因此首先设计单截面支架，当其承受力符合股骨内侧受力最大区域的要求时，可逐渐减小外侧支架的网格密度.

以股骨上端半径为支架宽，建立6种不同网格密度（23%、26%、28%、30%、36%和52%）的钛合金（TC4）网格模型，网格中的杆单元直径为1 mm.对不同网格密度的支架进行受力分析（如图4所示），结果与本文第2节中计算所得的股骨对应处受力的最大值682.94 MPa相比较，找出最合适的结构.

图5所示为网格密度为26%的支架的最大应力值与股骨对应处的最大应力值最为接近，为了进一步验证此支架结构是否适合建立人工骨仿生结构，以图6所示股骨两端纵截面的尺寸建立如图7的支架单排结构.对建立的支架结构进行受力分析，边界条件的设置和以上6种支架相同，取受力最大截面处的路径（图6中1-2点）.

为了更详细的比较两者的应力趋势，提取两者路径上的应力值进行对比，如图7所示.

由图7可见，所构建的金属支架模型的应力趋势与股骨距受力时应力趋势相近，表明支架的末端受力状态与股骨距末端受力状态近似，可理论上实现有效避免应力遮挡现象的发生.现在以此支架结构建立人工骨仿生结构.

图4 各支架分析应力图

图5 最大应力比较图

4 金属支架结构设计

提取股骨关键截面的轮廓线，在建模前运行点集命令，将不规则的轮廓线处理成剖面线，再建立对应的扫掠路径，然后通过扫掠和通过曲面组命令建立金属支架的三维模型，如图8所示.

图8 金属网架结构

5 结论

对金属与陶瓷材料构成的复合结构人工骨中金属支架的设计进行了研究.提出了支架分截面设计，支架密度逐渐减小以适应股骨受力规律的方法.实现了由自然股骨曲线到人工骨支架的建立.通过6种不同网格密度金属支架的受力状态进行对比分析，设计出了力学特性符合股骨受力规律的金属支架结构.