通过标量场融合与定向多孔结构调控实现的3D打印超材料股骨假体

《BMC Biotechnology》：3D-printed metamaterial femoral prostheses via scalar field fusion and directional porous structure regulation

　　

摘要

背景

本研究结合拓扑优化、标量场融合（一种通过隐函数插值实现固体与多孔区域平滑过渡的方法）以及定向多孔结构控制，开发了一种用于定制化超材料股骨假体的设计方法，旨在解决传统假体存在的植入兼容性差、骨切除过多以及长期稳定性不足等关键问题。

结果

我们首先通过逆向和正向方法相结合的方式完成了股骨假体的个性化设计，随后再将拓扑优化与多孔结构填充技术结合，用于设计超材料。这些假体是通过3D打印技术直接制造的，并对其性能进行了全面评估。测试结果显示，在膝关节屈曲70度（半蹲姿势）时，股骨假体所承受的应力最大，最大应力为1.269×4 MPa，最大位移为2.77毫米。经过拓扑优化后，虽然应力集中和位移略有增加，但应力分布更加均匀，从而使重量减少了约38.19%。经过标量场融合处理以及调整多孔结构填充方向的假体则展现了超材料特性。这些3D打印而成的股骨假体及其配套组件表面质量很高，没有出现明显的翘曲或变形现象。此外，多孔结构具有清晰定义的孔隙结构与连通性。这些假体及其组件之间的配合十分紧密，尺寸精度和兼容性均满足要求。

结论

经过后续处理后，所开发的原型作为一种有效的概念验证，为高性能个性化生物固定股骨假体的进一步研发及实际应用奠定了基础。