基于三周期极小曲面骨小梁结构的设计及优化

摘要

背景:近年来骨组织工程支架结构应用广泛,但其稳定性、可控性较差并易产生应力集中。三周期极小曲面具有多孔性、光滑性、连通性、多样性及可控性等诸多优点,为骨组织支架设计及应用提供了新思路。目的:基于隐式曲面法构建骨小梁结构,应用有限元数值模拟方法及拓扑优化技术对其进行结构优化。方法:①基于隐式曲面法参数化构建三周期极小曲面结构,构建三周期极小曲面S-P型、D型和G型骨小梁结构;②采用有限元数值模拟方法对构建的骨小梁结构进行压缩仿真;③利用变密度法和固体各向同性材料惩罚模型建立S-P骨小梁结构拓扑优化数学模型,进行结构优化。结果与结论:①应力云图显示,3种骨小梁结构在单元结构相交处呈现较大应力值,S-P型出现在单元径向连接处,G型出现在轴向连接处,D型在轴向和径向连接处均有,S-P、G、D型骨小梁结构的等效应力分别为105.07,694.78,637.36 MPa;②位移云图显示,3种骨小梁结构接近施加位移面的部分位移最大,沿轴向递减,S-P型的总形变小于G、D型;③3种骨小梁结构的孔隙率均高于50%,其中S-P型孔隙率最高,达到90.7%,孔径为0.63 mm,骨长入性能优于G、D型;④经拓扑优化后,S-P型骨小梁结构的等效应力为149.11 MPa,质量减少13.9%,符合骨组织支架设计要求;⑤结果显示,基于三周期极小曲面参数化建模结合有限元数值模拟及拓扑优化方法对骨小梁结构进行设计优化,为骨植入物表面结构设计提供了新思路。