基于响应面法的人工股骨单胞结构设计及优化

摘要

背景:人工骨植入是治疗骨质严重疏松及骨损伤的重要方法,然而植入时需要考虑其与宿主骨的机械相容性,尤其要使人工骨的杨氏模量与宿主骨相匹配。目的:分析单胞结构类型、支柱尺寸和孔径尺寸对单胞结构的杨氏模量及孔隙率的影响。方法:设计了3种可以描述骨骼微观结构的单胞结构(支杆单胞、带孔板单胞、圆柱孔单胞),设计正交实验,基于有限元模拟对单胞结构进行静力学分析。通过极差和方差分析研究3种单胞结构类型、支柱尺寸和孔径尺寸对单胞结构杨氏模量及孔隙率的影响。基于正交实验数据建立响应面近似模型,以股骨近端的松质骨杨氏模量为优化目标,选择序列二次规划法对单胞结构进行优化参数设计。结果与结论:极差和方差分析的结果表明,以上3因素影响单胞结构杨氏模量的主次顺序为:支柱尺寸>孔径尺寸>结构类型,影响单胞结构孔隙率的主次顺序为:支柱尺寸>结构类型>孔径尺寸。选用响应面法建立近似模型,以股骨的杨氏模量0.97 GPa为优化目标,采用序列二次规划法对单胞结构进行优化,再进行模拟验证。验证结果表明所采用的优化设计方法是有效的,从而为人工骨的结构提供了新的设计方法。