人造骨骼
關注創建者：HPC365云服務 創建時間：2019-01-28
人造骨骼的實例教程
通過外科手術將人造骨骼植入人體內，替代原來的生物骨骼，被認為是新科技帶了的醫療福音，但是，當這些人造骨骼在患者身體內長期服役，受到持續十年以上的磨損、沖擊以后，它們會不會老化、變形，甚至損壞，這就不僅僅是一次外科手術的問題，通過工程仿真模擬技術，可以探尋這一問題的答案。比如，越來越多運動員由于長期勞損，需要植入人造髖關節，醫生和工程師們可以使用CAE工程仿真軟件，對從陶瓷到金屬合金的各種人造骨骼材料進行數字化仿真測試，分析預測包括磨損、沖擊和振動在內的各種性能變化，并設計出最佳的個性化方案。
髖關節假體的機械應力
仿真軟件已經被越來越多用于各種醫療器械的設計開發，以確保醫療設備的安全使用，有助于提高醫療設備的可靠性，包括那些需要組裝的設備。
然而，對于涉及到人造髖關節的外科醫生來說，仿真可以集中在人造股骨頭和它所占據的腔體的微觀分離上。在長期連續使用時，該結構可能導致沖擊，增加人造骨骼的磨損。
髖關節假肢極端負荷的仿真模擬測試
首先，人體骨骼的特點在于其形狀的復雜性和不規則性，難以用確切的數學方程進行描述，使用仿真軟件對骨骼和肌肉的三維幾何和材料參數進行數字化建模，研究包括在極端意外載荷下模擬人造骨骼的運動和受力。比如，模擬在9ms內的瞬間，骨骼受到9千牛頓沖擊力后的影響。如果患者從一個很高的高度墜落，如一段樓梯，就會看到類似的負荷狀態。仿真計算結果，準確地預測了接觸區域和股骨頭與腔體的分離。
其次，仿真軟件能夠預測人造骨骼在意外事故中的變形和結構損傷，這一結果可以用來優化人造骨骼的設計結構，增強其對抗意外負荷的抵抗力，保證其能夠長期在人體內正常工作。
仿真技術在醫療行業中的應用前景廣闊
過去幾十年，仿真軟件已經證明了它在汽車、航空航天、能源和電子行業的巨大價值。
展開 比如，為什么動物的骨骼十分堅硬，但卻比較輕，具有很高的比強度和比剛度？
原來，骨骼的微觀形態具有胞元結構模式，下面是在掃描電子顯微鏡下，人類骨骼呈現出的胞元結構。
人類骨骼微結構
02. 點陣結構
剛才介紹的胞元結構的前三種形式工藝上比較好實現，比如蜂窩紙板的紙芯可以拉伸定型；蜂窩鋁板的鋁芯可以輥壓成型，然后膠合；開、閉孔泡沫結構都有比較成熟的發泡工藝。
而對于點陣結構呢？傳統制造的加工方式不太適用，這個時候就需要全新的增材制造方法-3D打印了。
最近幾年3D打印實在是太火了，現在很多的三維建模軟件的最新版本都增加了點陣結構的建模，甚至是分析。
在進行結構設計時，用戶可以在模型庫里隨意調用常用的點陣結構胞元模式。
常用的點陣結構胞元模式
點陣結構鋁合金的壓縮曲線
點陣結構具有輕質、高強的特點，還能減震、吸能，隔熱、降噪，非常適合模擬人類骨骼，所以醫療上通常用于人造骨骼植入人體。
點陣結構的應用
03. 基于ATOM的胞元拓撲優化
為了獲得某種點陣胞元的具體結構形式，我們可以通過ATOM拓撲優化的方式來實現。
比如，我們期望結構比較抗壓，可以在分析時將載荷考慮為胞元靜水壓力形式的載荷（僅作用于預設的構架連接區域）。
模型的載荷設置
將用于進行胞元拓撲優化的原體中心置于坐標系原點，并施以關于三個坐標平面的對稱約束，優化設置的目標函數是應變能，使其最小化，約束為體積響應，使其最終小于等于10%的初始體積。
胞元優化結果
Abaqus可以按照最佳傳力路徑布置材料，從而優化出胞元結構，我們可以將優化后的結構導出，用于二次設計或有限元分析。
展開 研究表明，人骨的彈性模量大約為10~30GPa，而現在所用的人工植入材料主要有鈦合金、鈷-鉻合金、不銹鋼以及人造羥基磷灰石，其中前3種材料的彈性模量都在110GPa以上，人造羥基磷灰石的彈性模量相對較低，但是也在70GPa以上，仍然比正常人骨高出許多，這就有可能導致植入后產生應力屏蔽效應，對人骨產生二次傷害。
由圖1可知，Mg基非晶合金的彈性模量在50GPa以下，這和人骨的彈性模量更接近，且Mg是人體中必須的微量元素，因此Mg合金及Mg基非晶合金適合作為人造骨骼材料而在醫學臨床上獲得應用。
由于Mg是活潑金屬，且自身脆性大，Mg基非晶合金的制備工藝尚待完善，其大規模生產和使用受到了限制。但經過學者的不斷努力探索，相信不久的將來，Mg基非晶合金一定能夠作為結構材料和生物醫用材料獲得廣泛應用。
來源：有色金屬材料與工程 2018年第39卷第4期 付振闖 李強 常春濤 劉芳 王新敏 潘登《鎂基非晶合金的研究進展》
展開 目前，主要用作牙齒材料、人造骨骼、鐵磁性抗癌材料等。
圖 玻璃陶瓷全瓷牙產品，圖片來自名揚牙科
4
航空航天及軍事領域
有些微晶玻璃陶瓷材料極為堅固耐用，耐受極高的溫度，極強的耐腐蝕性和極低的熱底脹系數的特點，并且可被雷達波穿透，可用于制造對空導彈彈頭和雷達外罩。
圖 玻璃陶瓷用于導彈彈頭，圖片來自康寧生命科學
5
光學領域
微晶玻璃通常沒有氣孔,且含有一定的玻璃相,因此它可以具有良好的透明性,其中,以β·石英為主晶相的LOA2O3·SiO2系統微晶玻璃具有接近零膨脹的特性,其線膨脹系數為(0±002×10-6)℃C-1.這類微晶玻璃通常用作天文望遠鏡的鏡片。目前世界上最大的天文望遠鏡用的微晶玻璃鏡片直徑為82m。
圖 微晶玻璃可以用作天文望遠鏡的鏡片（網絡圖）
6
建筑領域
建筑微晶玻璃作為新型綠色裝飾材料，成為世界上最具有發展前的建筑裝飾材料，其裝飾效果和性能均優于玻璃磚、花崗巖和大理石板材等微晶玻璃耐酸耐誠堿性、抗凍性、耐污性能優異,無放射性污染，鏡面效果良好質輕可作為結構材料。
展開 在美國，已有5種β鈦合金被推薦至醫學領域，即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne 1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo，適于作為植入物植入人體，如人造骨骼，血管支架等。
TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應和超彈性的醫學實例相當多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、血管支架、接骨板、髓內針、人工關節、避孕器、心臟修補元件、人造腎臟用微型泵等。
鈦合金制品可以通過壓鑄和機械加工方法得到。鈦合金熔化溫度很高，對于模具鋼材要求也較高。鈦合金機械加工的方法很多，主要包括：車削、銑削、鏜孔、鉆削、磨削、攻絲、鋸削、電火花加工等。
鈦合金機械加工性能同樣不佳。鈦合金切削加工時切削力只是略高于同等硬度的鋼，但大多數鈦合金熱導率很低，只有鋼的1/7，鋁的1/16，因此切削產生的熱量不會迅速散走，聚集在切削區域，導致刀具刃口迅速磨損，崩塌和生成積屑瘤。
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在美國，已有5種β鈦合金被推薦至醫學領域，即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne 1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo，適于作為植入物植入人體，如人造骨骼，血管支架等。
TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應和超彈性的醫學實例相當多。
目前，主要用作牙齒材料、人造骨骼、鐵磁性抗癌材料等。
常用的點陣結構胞元模式
點陣結構鋁合金的壓縮曲線
點陣結構具有輕質、高強的特點，還能減震、吸能，隔熱、降噪，非常適合模擬人類骨骼，所以醫療上通常用于人造骨骼植入人體。
點陣結構的應用
03. 基于ATOM的胞元拓撲優化
為了獲得某種點陣胞元的具體結構形式，我們可以通過ATOM拓撲優化的方式來實現。
由圖1可知，Mg基非晶合金的彈性模量在50GPa以下，這和人骨的彈性模量更接近，且Mg是人體中必須的微量元素，因此Mg合金及Mg基非晶合金適合作為人造骨骼材料而在醫學臨床上獲得應用。
由于Mg是活潑金屬，且自身脆性大，Mg基非晶合金的制備工藝尚待完善，其大規模生產和使用受到了限制。
通過外科手術將人造骨骼植入人體內，替代原來的生物骨骼，被認為是新科技帶了的醫療福音，但是，當這些人造骨骼在患者身體內長期服役，受到持續十年以上的磨損、沖擊以后，它們會不會老化、變形，甚至損壞，這就不僅僅是一次外科手術的問題，通過工程仿真模擬技術，可以探尋這一問題的答案。
