基于Micro—CT的骨支架有限元模型的建立生物力学

摘 要 采用选择性激光烧结快速成形方法制备β-磷酸三钙生物陶瓷支架,对其进行Micro-CT扫描,Mimics13.0软件中重建三维实体模型,在Abaqus 6.7中对有限元模型进行计算分析.弹性模量取值范围为1.617-4.708Gpa,Von Mises应力分布类似真实骨,能够满足骨组织工程支架基本要求.

关 键 词 骨支架；Micro-CT；有限元模型；生物力学

中图分类号：R764 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-026-01

骨支架植入人体后应避免应力遮挡现象.Micro-CT多用于支架表面形态、微结构分析,利用其提取骨骼的几何特征,可以真实的模拟骨骼外形及内部微结构构建人工骨三维模型,结合有限元分析方法能够反映力学特性变化.比利时S.V.N.Jaecques等基于Micro-CT构建了骨小梁和骨支架的三维有限元模型,并进行了力学分析,但基于编织技术所制备的骨支架的重建及有限元分析尚少.

本研究提出了一种基于Micro-CT扫描图象重建三维人工骨支架有限元模型的方法,从宏观与微观方面对支架进行仿真,测试支架空间结构及生物力学, 探讨Micro-CT辅助研制仿生骨支架的可行性,旨在对制备的支架起到验证作用,并对今后支架的结构设计提供指导意义.

1.材料和方法

1.1 磷酸钙/纳米碳管支架的制备

支架基体材料为β-TCP,颗粒平均粒径20.1 nm.在激光烧结成形机中加工成毛坯件,于高温电炉中焙烧.支架直径为10 mm,高度为5 mm,宏观孔径设计值为800 m.

1.2 支架有限元模型的建立

1.2.1 支架微结构扫描

Micro-CT系统对支架进行扫描获取连续的二维图像,分辨率为6 μm,图像矩阵为1024×1024.图像数据以Di格式输出.

1.2.2 支架的三维重建

将Di格式扫描数据导入到Mimics13.0中.选取合适的阈值（Min等于42,Max等于81）,使用3D重建工具,重建为三维实体.

1.2.3 重建支架的面网格及体网格划分

在Mimics13.0 FEA模块中,对支架重建模型进行网格划分,面网格优化前、后,对重建模型的表面三角形进行质量评估,使用的标准是三角形的高比上边长（H/B）值为0.3.

1.2.4 支架模型赋材质

在Mimics13.0 FEA模块中,根据图像的灰度值对模型添加材料属性.Mimics13.0中公式为Density等于-13.4+1017×Grayvalue,E-Modulus等于-388.8+5925×Density.有限元模型以.inp格式输出.

1.3 支架有限元模型的加载与约束设置

本文采用静态负重站立简化受力模型.模拟体重700 N成人双足站立骨的应力分布.垂直于水平面对支架进行加载,支架底部节点六个自由度约束为零,在Abaqus6.7中进行模拟计算.

2.结果及讨论

2.1 支架重建所得的有限元模型

重建所得的支架模型孔隙结构完整,分布均匀,具有较高的相互贯通性,而且宏观孔壁上分布有大量的微孔相通.支架体网格模型共含有7422个节点和25032个体单元.图1所示为利用Mimics13.0添加材料属性所获取的支架有限元模型.有限元模型每个单元具有不同的材料属性,所得模型的弹性模量取值范围在1.617-4.708 Gpa,高于松质骨弹性模量,介于股骨的弹性模量范围内.本研究中,Mimics13.0体网格划分功能能够直接对优化后的面网格进行体网格划分,解决了导入有限元分析软件中无法完成体网格划分的问题.骨密度及其相应的弹性模量都由Mimics13.0自带的公式计算出,从而使有限元模型的材料情况更接近实际情况.

2.2 支架有限元模型受力分析

图2为应用Abaqus 6.7所得骨支架模型整体Von Mises应力云图,最大应力主要集中在贯通的宏观孔处,比真实骨最大应力值偏大.基于Micro-CT重建支架有限元模型与以往CAD支架有限元模型力学分析相比,材料属性及模型结构都更为精确,因此,生物力学分析也更有意义.

3.结论

骨支架三维实体模型具有类似骨小梁结构的孔隙分布.Mimics13.0新增的体网格划分功能能够直接对优化后的面网格进行体网格划分,骨密度及其相应的弹性模量都由Mimics13.0自带的公式计算出,有限元模型共含有7422个节点和25032个体单元,弹性模量取值范围为1.617-4.708 Gpa,在Abaqus 6.7中进行模拟计算,骨支架应力分布类似真实骨,能够满足骨组织工程支架基本要求.