韌帶的案例
科學家研發出3D打印韌帶 或將改變傳統治療方式
韌帶撕裂在運動中十分常見但卻難以治療。目前的標準是用肌腱取代韌帶撕裂，但這可能會導致其他一系列的問題。新墨西哥大學的科學家Christina Salas博士說：“隨著時間的推移，肌腱會開始伸展，并在關節中變得松弛，然后（肌腱）會再次變得不足。”
Salas博士目前在新墨西哥大學通過學生和教授的幫助下致力于創造3D打印韌帶，并開發了一種涉及靜電紡絲的特殊技術，它使用電力來制造纖維。
“我們在生物3D打印機中添加的近場靜電紡絲技術實際上產生了高度對齊的纖維，可以復制韌帶組織。”Salas博士說。
醫生可以對患者受損的關節進行CT或MRI掃描，并使用3D打印創建出精確的韌帶。這種合成的3D打印韌帶不會磨損或削弱，適用于微創手術。但是Salas博士及其同事目前面臨的最大挑戰是如何將3D打印韌帶連接到骨骼上。
3D打印正在改變醫生和科學家對普通傷害的治療方式，例如韌帶撕裂。最近，昆士蘭州的研究人員了一種3D打印關節軟骨的新方法，這可以大大縮短關節炎和關節損傷手術后的恢復時間——這只是世界范圍內涉及使用3D打印進行研究的一個例子。
Salas博士的研究不僅僅只是人造韌帶，還涉及使用患者自己的干細胞3D打印新組織。當提到生物3D打印時，許多人會自動直接談論3D打印器官，但生物3D打印在其他領域已經取得了重大進展，例如退行性疾病的治療和常見的傷害。
當3D打印的器官最終被實現時，它們將有可能使人們比以前更長壽。
展開 干貨分享 | 基于ABAQUS的前十字韌帶（ACL）重建三維數值分析 ￥1
前十字韌帶(anterior cruciate ligament,ACL)是膝關節的四條主要韌帶之一，其功能是與膝關節內部及周圍的其他解剖結構共同維持膝關節的靜態和動態平衡。
記得去年六月，NBA總決賽第六場，勇士主場110-114不敵猛龍，大比分2-4落敗，當家球星克萊-湯普森在比賽中左膝韌帶受傷。賽后，體檢結果表明湯神遭遇左膝十字韌帶（ACL）撕裂。
克萊-湯普森落地時大腿向內轉，小腿向外轉，呈現膝蓋外翻的角度，重心會偏向內側，造成了前十字韌帶的撕裂。
和其他韌帶不同，前十字韌帶一旦斷了，是不會自己修復的。對于湯神這樣的大牌球星，重建手術的效果關系著競技狀態的恢復和運動生命的延續。
如今，FEA（finite element analysis有限元分析）技術被廣泛的應用于生物醫學，為這個領域帶來了全新的機遇。我們可以利用ABAQUS三維數值仿真技術結合醫學影像和實驗數據幫助醫生加深對ACL重建機制的認識，從而制定最佳的治療和恢復方案。
幾何重構與建立有限元模型：在生物醫學領域，可以通過切片磨片法、CT掃描法、3D激光掃描法等獲得人體組織結構的幾何信息。需要注意的是，對于ACL這樣具有復雜幾何特征的結構，通過掃描獲取的往往僅是研究對象的表面信息，而有限元分析需要提供3D實體模型，這就需要我們引進RE（Reverse Engineering逆向工程）技術（如CATIA中逆向建模模塊）或醫學影像軟件（如Mimisc）與ABAQUS一起來完成有限元模型的創建。
展開 脂肪干細胞3D打印出人體韌帶和肌腱
2018年10月12日，猶他大學生物醫學工程師團隊開發了一種3D打印細胞的方法，使用改良的3D打印機和從脂肪組織中收集的干細胞，生成人體組織，如韌帶和肌腱。
根據該團隊發布在《Journal of Tissue Engineering》上的文章，肌腱受損，韌帶或椎間盤破裂的人，可能只需要打印出新的替代組織并最終植入受損區域。
目前，患者的替代組織可以從患者身體的另一部分或有時從尸體中獲取，但是它們可能質量差。這種3D打印技術可以解決這些問題。
猶他大學生物醫學工程助理教授Robby Bowles說“它將允許患者在沒有額外手術的情況下接受替代組織，而無需從其他部位收集組織，這些組織有其自身的問題來源，”，他與生物醫學工程碩士生David Ede共同撰寫了該論文。
經過兩年研究的3D打印方法涉及從患者的脂肪組織中取出干細胞并將其打印在水凝膠表面上，形成肌腱或韌帶，然后在植入之前在體外培養。
但這是一個極其復雜的過程，因為這種結締組織由復雜模式的不同細胞組成。例如，構成肌腱或韌帶的細胞必須逐漸轉移到骨細胞，以便組織可以附著在骨骼上。
Bowles和他的團隊與位于鹽湖城的Carterra合作，該公司生產用于醫藥的微流體裝置，為3D打印機開發一種特殊的打印頭，可以按照他們需要的控制方式鋪設人體細胞。如下面的視頻所示，細胞穿過打印機中的微流體通道并停留在水凝膠表面上。
“這是一種以非常可控的方式創建一種模式和細胞組織的技術，而這種技術是您無法使用以前的技術創建的，”Bowles談到了打印過程。 “它允許我們非常具體地將細胞放在我們想要的地方。”
為了證明這一概念，該團隊打印出了一種熒光色的基因改造細胞，以便他們可以查看它們的打印方式。
展開 內馬爾遭10次犯規 - 有限元助力膝關節保護及傷后恢復
計算模型中包括骨質結構17864個單元、軟骨88691個單元、半月板4485個單元及韌帶34033個單元，得到包括股骨、脛骨、腓骨、髕骨、軟骨、半月板以及關節韌帶的全膝關節有限元模型。
表1：膝關節有限元模型中各組成部分單元類型及材料參數
有限元模型與邊界條件
全膝關節模型中股骨與股骨軟骨、脛骨與脛骨軟骨定義為綁定接觸。股骨軟骨分別于脛骨軟骨和半月板相接觸，并且將半月板前腳和后腳固定于脛骨平臺。根據膝關節解剖結構，將韌帶與相應的韌帶附著點進行綁定約束，韌帶包括前（后）交叉韌帶、髕韌帶、內側副韌帶、外側副韌帶。腳踝處采取固定約束，其他位置均不采取任何約束限制，完全依靠韌帶約束膝關節運動，在股骨頭處施加集中力載荷，載荷方向沿力線方向，人體單腳站立時，股骨頂端收到上半身對其的壓力為體重的62%，考慮單腳站立和雙腳站立兩種載荷工況，單腳站立時，集中力大小為403N，雙腳站立時，集中力大小為202N。
圖3：考慮軟骨、半月板和韌帶的全膝關節模型
有限元分析
1、單腳支撐接觸應力云圖
圖4為單腳站立股骨軟骨接觸應力分布圖，從圖4可以看出股骨軟骨所受的最大接觸應力值約為0.952MPa,位于股骨軟骨內存。圖5為單腳站立脛骨軟骨接觸應力分布圖，從圖5中可以看出脛骨軟骨所受最大接觸應力為1.318MPa，位于脛骨軟骨內側便于出。單腳站立時半月板的接觸力分布如圖6所示，半月板所受最大接觸應力值約為2.102MPa，位于內側半月板的內緣出。
展開 
案例分享：肘關節有限元分析
關節面接觸位移變化 在肘關節模型、帶穩定器的肘關節模型，內側副韌帶模型上分別施加100 N的應力，得到有限元模型關節面的位移變化云圖。
基于Python的CAE后處理二次開發-ANSYS篇
Anterior Cruciate Ligament (ACL) 前交叉韌帶仿真分析
背景：運動和汽車事故是韌帶損傷的重要原因，前交叉韌帶（ACL）的損傷是最常見的韌帶損傷。在將人的膝蓋關節固定在一起的許多韌帶中，ACL尤為重要，因為它可以保持膝蓋的穩定性，并通過限制關節運動來幫助防止對膝蓋的傷害。ACL主要由連接股骨和脛骨的密集堆積的膠原纖維組成。ACL位于膝蓋關節內部，如下圖所示：
研究表明，ACL極限抗張力強度(2020±264)N，最大形變(15.9±3.5)mm。ACL剛度為240N/mm，彈性模量為278MPa，極限抗張強度為35MPa[9]。所受應力變化與膝關節屈伸位置、肌肉收縮狀態、負重或者非負重都有關系。ACL材料屬性的研究不能全面反映運動狀態下ACL受力變化。研究表明，ACL應力變化在不同外力大小、屈曲角度下及不同分束之間是不相同的。屈伸運動中，110N和22N脛骨前向外力下，當屈曲15°時ACL應力最大，為(110.6±14.8)N和(25.7±3.7)N；在屈曲90°時應力最小，為(71.1±29.5)N和(12.8±7.3)N。不同分束在屈伸過程中應力變化也不相同。
日常活動中ACL最大應力均小于極限應力，一般為極限應力0.0%～44%。正常情況下以股四頭肌收縮為主、屈曲度較小情況下(如股四頭肌等長收縮、蹲起、主動伸膝等)ACL受力較大；而以腘繩肌收縮為主、屈曲度較大情況下(如腘繩肌等長收縮、60°和90°時股四頭肌的等長收縮和股四頭肌、腘繩肌協同收縮等)ACL應力則很小。步態循環中早期階段(腳離地過程)ACL所受剪切力較大，在單腳離地時刻產生最大應力303N。后期階段(腳著地過程)由于肌肉收縮、地面反作用以及脛骨-股骨之間相互作用，此時ACL受力較小。
展開 奚夢瑤“維密第一摔”--仿真能做些什么？
1、網格劃分與韌帶的添加
足部韌帶數量眾多，空間定位復雜，使得模型中韌帶的準確添加較為困難，而且其定位的不同將直接影響有限元分析的結果。因此在滿足足部骨骼有限元模型驗證的前提下，并在參考文獻的基礎上，選擇性地添加了5根足底長韌帶，起自根骨下面的跟結節外側突的前方，止于第1~5跖骨頭，和一根連接根骨與股骨的足底短韌帶。在本例中股骨和軟骨的類型選擇solid 92單元，韌帶選擇Combination 14單元。劃分后的有限元模型如圖。
2、材料屬性與單元類型的選擇
有關材料力學參數的選擇如下表
3、載荷和約束的添加
在一般情況下足部所受外力為自身的重力，內力為肌肉的張力，在中立相時，足部所受外力來自自身體重（約為600N），平均每只足部受力300N，并跟進參考文獻的測量結果添加肌肉力。由于肌肉附著于骨骼上的一定的表面范圍，若簡單地以單一中立代替各肌肉力，將會在有限元分析中產生肌肉力應以集中力的形式作用在若干節點上。中立相時，整個足跟后部和趾骨前部與地面接觸，需要再這些部位添加x、y、z三個方向上的固定約束。
三、求解器中有限元模型求解
載荷和約束條件施加完畢后，將模型導入到求解器中進行有限元求解。
展開 2019最新醫學有限元分析內容 臨床試驗發文章請注意看》
Ⅱ
（人體關節軟組織及韌帶專題）
4 人體關節軟組織的三維建模（實例操作分析）
4.1 三維建模常用影像學內容
4.2 三維建模的基本流程及注意事項
4.3 實例操作：關節軟骨及韌帶的Mimics三維建模
5 關節軟組織及人體韌帶的Abaqus仿真分析（實例操作分析）
5.1 關節軟骨及韌帶力學特性的研究進展
5.2 Abaqus軟件的基本功能及參數設置
①模型導入；②網格及材料屬性；③邊界條件；④求解功能；⑤后處理
5.3 實例操作：韌帶力學特性的Abaqus仿真
6 韌帶生物力學分析應用（實例操作分析）
6.1膝關節前交叉韌帶（ACL）生物力學研究
6.2實例操作：ACL重建術的Abaqus仿真
6.3 結合學員自己課題分析與設計思路討論
五、應用案列解析Ⅲ
（心血管支架、骨組織專題）
7 心血管支架植入過程中的力學分析（實例操作分析）
7.1血管和支架幾何模型建立
7.2 血管和支架的位置裝配
7.3 血管和支架有限元模型網格劃分、材料參數、接觸及邊界條件設置
7.4 分析步的設置及計算
7.5 結果后處理
8 骨釘拔出過程的力學分析（實例操作分析）
8.1 骨釘及骨組織模型的建立與裝配
8.2 網格劃分、材料屬性、邊界條件、分析步等的設置
8.3 計算與結果后處理
9 人工椎間盤置換術建模與仿真（實例操作分析）
9.1 幾何模型的導入
9.2 模型的裝配
9.3 模型網格劃分、材料屬性、邊界條件、分析步等的設置
9.4計算與結果后處理
9.5結合學員自己課題分析與設計思路討論
七、主講專家：
主講專家來自北京高校及其他科研機構的高級專家
展開 案例分析：密蘇里大學-Adams 仿真幫助診斷膝蓋病
例如，當那些將半月板包裹至脛骨的韌帶松弛時會出現什么情況？容易誘發這種情況的起因是受傷還是年齡？更深入地了解膝關節的生物力學能帶來廣泛的潛在效益，例如預防受傷、改進治療方法。
密蘇里大學 Mizzou 運動分析中心（MAC）的研究人員認為，加深對半月板的了解有可能需要對傳統分析法進行提升。他們需要一種多體動力學仿真工具，這種仿真應能重現由肌肉驅動的荷載和運動，并且擁有對所有的膝關節連接組織進行建模時所需的計算能力。他們選定的軟件工具就是 Adams。
解決方案及其驗證
MAC 研究人員采用 Adams 多體動力學軟件來開發最全面、最逼真的膝關節仿真。他們首先為受試者配裝標示器。他們利用一個運動捕獲系統來記錄受試者在實驗室內行走、活動時這些標識器的移動。通過核磁共振成像（MRI）技術捕捉骨骼、軟骨、半月板及韌帶的圖像。利用測力板來測量地面接觸力、利用 EMG（肌電圖）來測量肌肉活動。
然后用采集到的數據來創建每個受試者的各個內部肌骨胳系統的 Adams模型。每個模型由 21 個剛體節段、 53 個旋轉關節以及 43 塊腿部肌肉組成。定義每個標示器位置的運動約束，并在約束與相應的體節之間放置一個三軸彈簧。這樣就能實現剛體骨骼相對于運動約束的移動。將核磁共振成像衍生出的皮膚幾何體分為五個剛性體，藉此對足底與地面的接觸進行建模。然后定義上述剛體與地面的接觸為剛柔接觸。
采集這些實驗性運動數據能夠為模型運動時提供約束下的步態動力學輸入。模型受到關節、膝蓋處的接觸和韌帶力以及地面接觸力的約束。為確定運動期間的肌力和膝蓋荷載進行了一次向前步行的動力學仿真，預測了膝蓋組成部分之間的接觸力，例如脛骨與半月板之間、脛骨與股骨之間的接觸力，以及作用在膝蓋韌帶上的作用力，例如前十字韌帶（ACL）。
展開 金屬所《Science》子刊：輕質高強度高穩定的無裂紋納米多孔鋁！
這些納米多孔金屬中納米韌帶的高強度已被脫合金結構的低承載效率所抵消 。而GRR 制備的納米多孔 Al-Al2O3 復合材料的密度低于大多數以前的納米多孔金屬；相比之下，納米多孔 Al-Al2O3 是通過脫合金制備的最強的納米多孔材料之一，在拉伸和壓縮下，盡管其結構尺寸比大多數納米多孔金屬粗。納米多孔 Al-Al2O3 的強度也明顯高于由純鋁和鋁基復合材料組成的密度相似的傳統泡沫。因此，納米多孔 Al-Al2O3 的比強度（強度密度比）高于以前的多孔金屬、多孔氧化鋁復合材料和納米多孔金屬。
圖4 納米多孔鋁強度與密度關系
總的來說，GRR制備的納米多孔Al-Al2O3復合材料（或具有天然氧化物殼的納米多孔Al）比具有相似密度的常規多孔金屬和多孔Al-氧化物復合材料更強。納米多孔Al-Al2O3復合材料也比通過脫合金制備的大多數納米多孔金屬更輕、更堅固、更穩定。
Al納米韌帶表面的天然氧化層是納米多孔Al-Al2O3復合材料具有優異熱穩定性的主要原因。
氧化層、韌帶尺寸和拓撲結構的綜合影響是這種材料具有高強度（和高比強度）的原因
。
預計輕質、堅固且穩定的納米多孔 Al-Al2O3 復合材料將用于多種功能應用，例如高溫
等離子體激元
、微型熱交換器
以及電池和其他電化學裝置的電極
。
目前的研究還表明，
將結構尺寸細化到亞微米或納米尺度可能會大大提高多孔鋁或泡沫鋁在結構應用中的性能，
因為結構細化不僅引入了尺寸效應，而且還放大了鈍化氧化物對強度的影響
。
目前，納米多孔鋁基樣品的厚度受到離子液體中 GRR 緩慢速率的限制。
展開 mimics生物力學培訓班
；
四、應用案列解析Ⅱ
（人體關節軟組織及韌帶專題）
4 人體關節軟組織的三維建模（實例操作分析）
4.1 三維建模常用影像學內容
4.2 三維建模的基本流程及注意事項
4.3 實例操作：關節軟骨及韌帶的Mimics三維建模
5 關節軟組織及人體韌帶的Abaqus仿真分析（實例操作分析）
5.1 關節軟骨及韌帶力學特性的研究進展
5.2 Abaqus軟件的基本功能及參數設置
①模型導入；②網格及材料屬性；③邊界條件；④求解功能；⑤后處理
5.3 實例操作：韌帶力學特性的Abaqus仿真
6 韌帶生物力學分析應用（實例操作分析）
6.1膝關節前交叉韌帶（ACL）生物力學研究
6.2實例操作：ACL重建術的Abaqus仿真
6.3 結合學員自己課題分析與設計思路討論
五、應用案列解析Ⅲ
（心血管支架、骨組織專題）
7 心血管支架植入過程中的力學分析（實例操作分析）
7.1血管和支架幾何模型建立
7.2 血管和支架的位置裝配
7.3 血管和支架有限元模型網格劃分、材料參數、接觸及邊界條件設置
7.4 分析步的設置及計算
7.5 結果后處理
8 骨釘拔出過程的力學分析（實例操作分析）
8.1 骨釘及骨組織模型的建立與裝配
8.2 網格劃分、材料屬性、邊界條件、分析步等的設置
8.3 計算與結果后處理
9 人工椎間盤置換術建模與仿真（實例操作分析）
9.1 幾何模型的導入
9.2 模型的裝配
9.3 模型網格劃分、材料屬性、邊界條件、分析步等的設置
9.4計算與結果后處理
9.5結合學員自己課題分析與設計思路討論
部分仿真模型如下：
展開 
醫用生物力學培訓班2019年十二月
（實例操作分析）
4.1 三維建模常用影像學內容
4.2 三維建模的基本流程及注意事項
4.3 實例操作：關節軟骨及韌帶的Mimics三維建模
5 關節軟組織及人體韌帶的Abaqus仿真分析（實例操作分析）
5.1 關節軟骨及韌帶力學特性的研究進展
5.2 Abaqus軟件的基本功能及參數設置
①模型導入；②網格及材料屬性；③邊界條件；④求解功能；⑤后處理
5.3 實例操作：韌帶力學特性的Abaqus仿真
6 韌帶生物力學分析應用（實例操作分析）
6.1膝關節前交叉韌帶（ACL）生物力學研究
6.2實例操作：ACL重建術的Abaqus仿真
6.3 結合學員自己課題分析與設計思路討論
五、應用案列解析Ⅲ
（心血管支架、骨組織專題）
7 心血管支架植入過程中的力學分析（實例操作分析）
7.1血管和支架幾何模型建立
7.2 血管和支架的位置裝配
7.3 血管和支架有限元模型網格劃分、材料參數、接觸及邊界條件設置
7.4 分析步的設置及計算
7.5 結果后處理
8 骨釘拔出過程的力學分析（實例操作分析）
8.1 骨釘及骨組織模型的建立與裝配
8.2 網格劃分、材料屬性、邊界條件、分析步等的設置
8.3 計算與結果后處理
9 人工椎間盤置換術建模與仿真（實例操作分析）
9.1 幾何模型的導入
9.2 模型的裝配
9.3 模型網格劃分、材料屬性、邊界條件、分析步等的設置
9.4計算與結果后處理
9.5結合學員自己課題分析與設計思路討論
部分仿真模型如下：
六、往期培訓：
展開 《AFM》：基于納米多孔金的堅固金屬致動器！
圖2.韌帶尺寸為120納米的NP-Au的原位電化學驅動。a，b)在1 mV s?1(黑色)、10 mV s?1(紅色)和25 mV s?1(綠色)下，np-Au在1M氫氧化鈉和1M H2SO4中的循環伏安。c)現場致動測量裝置示意圖。d)np-Au的致動應變與對應于(a，b)的電極電位之間的關系。e，f)分別在1M NaOH和1M H2SO4中測量的致動應變與比電荷的關系。g，h)連續13h在1M H2SO4中連續激活NP-Au，以2000到1 mV s?1的速率在[0，1.7]V與SHE的范圍內掃描，每個速率進行10個循環。i，j)放大的時間區域以查看快速掃描速率下的細節≥500 mV s?1.k)作為掃描速率和頻率的函數的致動應變幅度。
圖3.np-Au與韌帶大小相關的電化學驅動。a，b)Np-Au在0.6V和0.7V，17°C的1M HCl中脫合金的SEM觀察；c)脫合金的np-Au的韌帶尺寸與孔徑大小的關系。d)相對密度與韌帶大小的關系。
展開 3D打印如何助力髖關節手術器械提升性能、降低制造成本？
3D科學谷Review
根據3D科學谷的市場觀察，在國際上，骨科醫療器械制造商在3D打印手術器械制造方面進行了少量嘗試，例如美國 DanaMed Inc公司曾對膝關節前交叉韌帶（ACL）損傷修復手術中用到的韌帶導向器進行了設計優化，并使用金屬3D打印技術直接制造ACL 手術器械的導向器。
由于導向器的頂端在手術時將進入到膝關節內部，并控制導向鉆頭進行手術治療，所以導向器的設計需要遵循人體韌帶在膝關節和肌肉中的天然“路徑”。遵循天然 “路徑” 設計的導向器頂端的槽型和角度非常復雜。其制造材料是鎳基合金材料（Inconel 718 ），屬于難加工材料。
如果使用機加工技術制造這種復雜形狀，需要分為多個部分、更長的制造時間、消耗更多的材料以及制造成本。使用機加工技術時，制造成本將隨著零部件復雜程度的增加而迅速上升，而使用3D打印技術對產品的復雜性不敏感。韌帶導向器的設計復雜性則決定了它更適合使用3D打印技術進行制造，以可接受的成本制造出導向器復雜的形狀。
通常適合用3D打印技術進行制造的手術器械對設計優化有著較高要求，優化后的器械往往非常復雜，用傳統制造技術難以實現。此外，這類手術器械往往需要采用靈活的小批量生產方式進行生產。
展開 仿真技術在生物醫學領域的應用
現今研究脊柱的工作使模型不僅能逼真地模擬椎骨、椎間盤,還能將周圍的韌帶、肌肉直接或間接地加入模型，使模擬更加真實與完善。這些工作不僅要求建立逼真的脊椎模型，而且要求測試椎間盤、周圍韌帶、肌肉的各種力學性能。
有限元在頸椎生物力學中的研究對象又可以細分為椎體、椎間盤、后部結構以及肌肉韌帶等軟組織。此外，內固定器械的生物力學研究，也有助于選擇正確手術方法，以取得極佳矯形和固定效果。
有限元分析在脊柱腰椎段的應用，也覆蓋了生理負載及外來負載下腰椎各部分應力分布，手術內固定及人工假體，脊柱內固定對鄰近脊柱結構影響，骨質疏松椎體壓縮性骨折，以及肌肉和韌帶在有限元模型中的應用等多個方面，有力促進了脊柱動力學(載荷下的脊柱運動)、運動學(椎體間運動)和脊椎及椎間盤內部的應力應變等各種研究。
圖 | 人工假肢結構仿真分析
關節有限元分析人體關節尤其是大腿骨兩端的髖關節以及膝關節，一直以來也是病癥多發部位，應用CAE技術模擬人體關節力學結構是一種有效的方法。上肢的肘關節、腕關節的研究常常與骨折以及其他骨骼創傷性疾病的應力分析聯系在一起。
而在髖關節方面，有限元分析較為廣泛地應用于全髖關節置換的研究，分析全髖關節置換術前術后髖關節應力的分布情況，而且還可對骨水泥殘余應力的細致分析和假體設計進行研究。
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