柔性医疗设备的拓扑优化

如果你只是将骨科植入物植入人体，而不考虑替换骨的灵活性，那么你就冒着所谓的“压力屏蔽”的风险。这是由于一种叫做“沃尔夫定律”的现象，在这种现象中，由于种植体的应力变化，天然骨变得不那么致密。周围的骨骼适应应力，并通过以下过程重塑其细观结构：骨吸收。材料密度和灵活性之间的不匹配可能导致骨的致密生长区域，并可能导致患者的疼痛，最终排斥和移除种植体。

因此，重要的是要确保替换的种植体与被替换的骨的灵活性相匹配。承载负荷的植入物必须符合要求。这样做的一个方法是通过拓扑优化和添加制造，其中骨的小梁结构可以复制(在一定程度上)。基本上，它比坚固的钛骨要好。植入体中的小梁允许一定数量的弯曲，同时为植入者保持轻巧和舒适。

下面的图像显示了固体钛股骨种植体与全多孔3D打印钛种植体在骨丢失方面的差异。

另一点值得注意的是，固体结构在骨整合方面有困难。多孔结构使骨能更好地与种植体结合。

总之，多孔打印金属结构提供了很多假肢可能。

如果这是一个坚实的钛块，就不会有灵活性。把那个钛块卷成细金属丝，它是灵活的。这实际上是我们在上面的图像中所看到的。晶格中的单个构件在荷载作用下具有足够的挠度，而在未变形的范围内。当载荷被移除时，横梁会向后弯曲，就像任何其他的Hookean材料一样。

当你把这些梁叠起来，就像在格子中一样，那么总挠度基本上是单个构件的累积挠度。一个层发生偏转，剩余的力被发送到下面的层中，该层会发生偏转。通过研究不同压缩值下的应力和位移参数，可以将应力场和位移场数学地组合成一个函数。

一旦确定了这一功能，工程师就可以通过计算(通过拓扑优化或生成设计)调整结构，为特定的一批输入提供一组自定义的数据，完全适合病人的需要。

正如您在上面的图像中所看到的，在这种情况下感兴趣的参数是位移目标、最大/最小力和所需的材料去除量。最终的结果是一个定制的细观结构，可以根据设计师的要求弯曲和偏转，这样的植入病人，现在可以舒适地行走，而不必担心他们的股骨或髋骨在未来5或10年内再次发生变化。