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股関節全置換術における寛骨臼補強用3Dプリント構造多孔質ケージのトポロジー最適化
Topology optimization of 3D-printed structurally porous cage for acetabular reinforcement in total hip arthroplasty.
PMID: 32279849 DOI: 10.1016/j.jmbbm.2020.103705.
抄録
寛骨臼補強コンポーネントの無菌的緩みや機械的故障は、耐用年数の低下の主な原因の一つである。現在の寛骨臼インプラントは、一般的に耐荷重性を提供する構造的な固体層と、応力シールドとインプラントの緩みを軽減するために均一な気孔率の発泡体でコーティングされていることを特徴としている。この論文では、構造的機能と骨の成長特性の両方を統合したグレード属性を持つ多機能完全多孔質層で構成された3Dプリントケージの代替コンセプトを提示する。このデザインは、最適に傾斜した空隙率を特徴とするアーキテクチャを備えた優れたフランジに固定された半球状のカップで構成されています。ここで紹介する方法論は、格子材料のアップスケーリング力学スキームと密度ベースのトポロジー最適化を組み合わせたものであり、問題の定式化には製造上の追加制約と骨成長要件が含まれています。数値解析の結果、骨表面の最大接触応力が21.4%減少し、骨-インプラント界面のピークマイクロモーションが26%減少したことが示された。
Aseptic loosening and mechanical failure of acetabular reinforcement components are among the main causes of their reduced service life. Current acetabular implants typically feature a structural solid layer that provides load bearing capacity, coated with a foam of uniform porosity to reduce stress shielding and implant loosening. This paper presents an alternative concept for a 3D printed cage that consists of a multifunctional fully porous layer with graded attributes that integrate both structural function and bone in-growth properties. The design comprises a hemispherical cup affixed to a superior flange with architecture featuring an optimally graded porosity. The methodology here presented combines an upscaling mechanics scheme of lattice materials with density-based topology optimization, and includes additive manufacturing constraints and bone ingrowth requirements in the problem formulation. The numerical results indicate a 21.4% reduction in the maximum contact stress on the bone surface, and a 26% decrease in the bone-implant interface peak micromotion, values that are indicative of enhanced bone ingrowth and implant long-term stability.
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