骨小梁髋臼杯设计及选区激光熔融制造研究

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全髋关节置换术中使用的传统金属髋臼杯植入体多由致密钛合金经机械加工制造而成,在植入后会与人体骨产生应力遮挡现象,易引发植入体的无菌性松动最终导致手术失败。在髋臼杯表面设计多孔结构形成骨小梁层,并通过选区激光熔融技术进行制造能够有效改善应力遮挡现象,促进骨组织更好地长入髋臼杯表面,提高植入后的稳定性。因此,研究骨小梁髋臼杯的设计及选区激光熔融制造具有重要的意义。本文首先对骨小梁髋臼杯进行设计,通过杯口变形有限元仿真对髋臼杯实体部分结构尺寸进行设计,通过全髋关节步态运动仿真确定骨小梁层的应力分布规律;然后对骨小梁层的多孔钛合金进行设计,并对其力学性能与几何参数间的关系进行研究,选择与骨小梁层应力区间相近的多孔钛合金进行填充;最后对骨小梁髋臼杯的成型摆放方式进行仿真以减小热变形,并对其热处理工艺进行研究以改善选区激光熔融成型钛合金塑性低的问题,最终对骨小梁髋臼杯的杯口变形量进行测试,以验证其能够满足杯口刚度需求。结论:1)通过有限元仿真确定实体部分杯口外缘厚度为2 mm、骨小梁层厚度为2 mm,并根据骨小梁层的应力分布将其划分为10个区域,各区域的应力区间在37.44~219.24 MPa范围内。2)单元结构尺寸为1.5 mm多孔钛合金的抗压强度与骨小梁层的应力区间最为相近。将其以对应的抗压强度对骨小梁层进行填充后骨小梁层的孔隙率在70.71%~89.94%之间,降低了致密钛合金的弹性模量,提高了受力较小区域的孔隙率,使髋臼杯具有更优的促骨长入性能。3)根据仿真结果确定骨小梁髋臼杯与基板间的夹角以45°进行成型,成型效果良好。并对其进行了820℃/2h退火热处理,在满足医用钛合金强度要求的条件下提高了塑性。测得骨小梁髋臼杯的杯口刚度为3460 N/mm,能够满足植入后的需求。
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