梯度骨骼植入体结构的设计方法、装置、设备及存储介质

1.本发明涉及医疗器械设计技术领域，尤其涉及一种梯度骨骼植入体结构的设计方法、装置、设备及存储介质。


背景技术：

2.骨骼损伤是指动物体的骨骼受到外界直接暴力作用，导致骨头的连续性以及完整性中断。随着生活质量的提高，宠物的数量急剧上升。同时，人们也越来越注重健康生活，运动群体不断扩大，这使得骨骼损伤的概率也在加大。
3.骨植入体是治疗骨骼损伤的一种方式，其通过将特定的材料置入到缺损的的部位来治疗骨骼损伤，其中，金属是最为常见的置入材料。
4.然而，金属植入目前尚未大规模应用于市场，是因为金属植入存在如下痛点：一是由于金属材料的刚度远远高于人体自身骨骼，会产生破坏人体骨骼生长的应力屏蔽现象。当金属材料替代缺损的骨骼植入人体时，由于自身的刚度过大，会弱化周围人体自然骨骼承受应力的能力，减缓了骨组织的生物学重构过程，造成植入体的松动，使植入体与人体自然骨骼界面结合不牢；二是实心的金属植入体也不利于人体营养组织的传输，影响人体系统的正常运转。
5.大多数细胞结构是由cad软件或数学建模。对于多孔植入体在动物体中的适用性，重要的是在设计过程中考虑其他因素，例如承重条件，相对密度的可控性和相邻细胞结构的边界连续性。拓扑优化是一种三维建模方法，可以在特殊负载和边界条件(边界面积)下基于目标函数在空间上建立更有效的材料分布。此外，拓扑优化设计的高孔隙率点阵结构具有高比表面积和机械性能可控性，已显示出应用于骨科多孔植入物领域的潜力。然而，以往的研究主要集中在均匀晶格结构的性能评估上，很少有研究试图探究拓扑优化的功能梯度晶格结构的压缩行为、失效机制和能量吸收性能。
6.为了进一步应用于骨骼植入体，另一个关键点是通过建立结构参数和机械性能之间的关系来预测功能梯度晶格结构的性能。著名的gibson—ashby模型已成功应用于预测均匀晶格结构的特性，但不适用于功能梯度晶格结构。主要原因是蜂窝结构类型、失效机制、压缩方向和密度变化范围会影响功能梯度晶格结构的性能预测精度。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种梯度骨骼植入体结构的设计方法、装置、设备及存储介质，以改善上述问题。
8.本发明实施例提供了一种梯度骨骼植入体结构的设计方法，其包括：
9.s101，通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，根据预设的参数制备不同类型的梯度晶格结构；
10.s102，通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能；
11.s103，根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；
12.s104，根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设计梯度骨骼植入体结构。
13.优选地，所述梯度晶格结构采用尺寸为3mm
×
3mm
×
3mm的正方体为胞元结构，整个梯度晶格结构由8个胞元结构沿每个坐标方向(x、y、z)重复排列组成，总尺寸为20mm
×
20mm
×
20mm；且沿着制造方向，每个梯度晶格结构的底部设置有尺寸为20mm
×
20mm
×
2mm的底板。
14.优选地，所述梯度晶格结构包括均匀梯度的u型结构、密度梯度垂直于加载方向的g1型结构以及密度梯度沿加载方向的g2型结构。
15.优选地，在使用有限元分析时，基于软件模拟受压力载荷作用下所述梯度晶格结构表面的应力分布；其中：
16.将316l不锈钢的弹性模量187gpa，泊松比0.3设置成所述梯度晶格结构的弹性特性，力学工况为正方体的一个顶点受到沿z轴向下的压力，与该顶点对角线相对应的顶点的位移被完全约束；
17.优化目标为正方体的相对密度，设置为0.20-0.50；优化后的模型输出为.stl格式的模型群，通过magics商业软件，对模型进行平滑化修复，并通过镜像操作，将8个胞元结构堆叠成一个完整的单元点阵结构；最后，在xyz三个方向上各堆叠6个单元点阵结构，形成一个完整的点阵结构模型，个数为6
×6×
6个。
18.优选地，步骤s102中，
19.在压缩试验前，在30kv条件下，通过扫描电子显微镜观察梯度晶格结构的表面形貌；
20.压缩试验采用电子万能试验机，在室温下，根据标准iso 13314，通过相应的数据绘制和计算梯度晶格结构的应力-应变曲线、力学性能和能量吸收性能；试验过程中由数字视频记录得到试样的详细变形图像，之后将部分断裂支柱打磨，浸入腐蚀溶液一定时间后后取出；
21.最后，用扫描电镜设备对断裂支柱的微观结构进行了表征，使用x射线衍射仪通过x射线衍射进行相鉴定。
22.优选地，步骤s103中：
23.结合u型结构的力学特性，建立g型结构相应的预测模型；所述预测模型采用经典的kelvin-voigt模型。
24.本发明实施例还提供了一种梯度骨骼植入体结构的设计装置，其包括：
25.制备单元，用于通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，根据预设的参数制备不同类型的梯度晶格结构；
26.分析单元，用于通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能；
27.模型建立单元，用于根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；
28.设计单元，用于根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设
计梯度骨骼植入体结构。
29.本发明实施例还提供了一种梯度骨骼植入体结构的设计设备，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上述的梯度骨骼植入体结构的设计方法。
30.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述计算机可读存储介质所在设备的处理器执行，以实现如上述的梯度骨骼植入体结构的设计方法。
31.与现有技术相比，本实施例至少具有如下优势：
32.1、与传统的网格制造方法(如熔铸法)方法对比，本实施例利用激光选区熔化成形技术能够快速地制造骨植入体，大大节约了时间成本，且打印精度更优质，slm技术采用具有细小光斑的激光聚焦，使金属零件的精度更高，表面粗糙度更好；
33.2、与均匀晶格结构相比，本实施例提出的梯度晶格结构具有更好的能量吸收能力，g1型结构(rd＝0.30-0.15)和g1型结构(rd＝0.25-0.10)的能量吸收能力分别为0.45和0.30，g2型结构(rd＝0.30-0.15)和g2型结构(rd＝0.25-0.10)的能量吸收能力分别为0.98和0.28。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本发明第一实施例提供的梯度骨骼植入体结构的设计方法的流程示意图；
36.图2为不同rd的u型梯度晶格结构的示意图；
37.图3为不同rd的g1型梯度晶格结构的示意图；
38.图4为不同rd的g2型梯度晶格结构的示意图；
39.图5为对不同rd的g1/2型梯度晶格结构的有限元分析图；
40.图6(a)为不同rd的u型梯度晶格结构的应力-应变曲线；
41.图6(b)为不同rd的g型梯度晶格结构的应力-应变曲线；
42.图7(a)-(b)为g2型梯度晶格结构的弹性模量和屈服强度的机制图；
43.图8为本发明第二实施例提供的梯度骨骼植入体结构的设计装置的结构示意图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种梯度骨骼植入体结构的设计方法，其包括：
46.s101，通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，根据预设的参数制备不同类型的梯度晶格结构。
47.在本实施例中，梯度晶格结构的试样可采用316l不锈钢制成。
48.其中，根据iso 13314金属机械测试-延展性测试-压缩测试，多孔金属植入体所有样品的空间尺寸至少是平均孔径的10倍且不小于10mm，样品长度与边缘长度的比在1到2之间。
49.在本实施例中，梯度晶格结构由多个元细胞组成，每个元细胞结构尺寸为3mm
×
3mm
×
3mm，整个梯度晶格结构由8个单元结构沿每个坐标方向(x、y、z)重复排列组成，总尺寸为20mm
×
20mm
×
20mm。此外，沿着制造方向，每个梯度晶格结构的底部增加了一个尺寸为20mm
×
20mm
×
2mm的底板。
50.如图2至图4所示，在本实施例中，设计了具有不同网格梯度方向的均匀梯度的u型结构和两种类型的功能梯度晶格结构，即：
①
密度梯度垂直于加载方向的g1结构，
②
密度梯度沿加载方向的g2型结构。
51.s102，通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能。
52.其中，如图5所示，在有限元分析时，采用基于abaqus软件模拟受压力载荷作用下试样表面的应力分布。将316l不锈钢的弹性模量187gpa，泊松比0.3设置成试样的弹性特性，力学工况为正方体的一个顶点受到沿z轴向下的压力(设置为300mpa，该值不能超过不锈钢材料的极限抗压强度529mpa)，与该顶点对角线相对应的顶点的位移被完全约束。优化目标为正方体的相对密度(relative density，rd)，在此设置为0.20-0.50。优化后的模型输出为.stl格式的模型群，通过magics商业软件，对模型进行平滑化修复，并通过镜像操作，将8个胞元结构堆叠成一个完整的单元点阵结构。最后，在xyz三个方向上各堆叠6个单元点阵结构，形成一个完整的点阵结构模型，个数为6
×6×
6个。
53.压缩试验
54.在压缩试验开始前，在30kv条件下，通过hitachi su1510扫描电子显微镜(sem)(hitachi，日本)观察试样表面形貌，抗压试验采用proline-z100电子万能试验机(zwick roell，德国)，在室温下，根据标准iso 13314，通过相应的数据绘制和计算试样的应力-应变曲线(如图6(a)-(b)所示)、力学性能和能量吸收性能。试验过程中由数字视频记录得到试样的详细变形图像。之后，将部分断裂支柱打磨，浸入腐蚀溶液(hf：hno3：h20＝1：2：40)约20s后取出。最后，用扫描电镜设备对断裂支柱的微观结构进行了表征，使用x射线衍射仪(bruker-d8 advance，billerica，usa)通过x射线衍射(xdr)进行试样的相鉴定。
55.首先，研究u型和g型结构的应力-应变曲线和力学性能。通过单轴压缩试验，改变不同密度的试样，为了更好地区分rd(相对密度)分布对试样应力-应变的影响，本实施例仅分析每种类型的试样的一条曲线，根据应力-应变曲线计算出不同rd的不同类型试样的力学性能(弹性模量、屈服强度和抗压强度)。
56.可以发现，u型试样的压缩行为明显依赖于设计的rd，随着rd的增加，弹性模量、屈服强度和抗压强度的值均显著增加，而达到屈服应力的应变点值则显著减小。此外，应力下降比(σd/σp＝0.701)的rd＝0.3，明显高于rd＜0.3。其中rd＜0.3时的应力下降比(σd/σp)在0.5左右波动。g型试样的应力-应变曲线和力学性能有显著差异，特别比较g型试样在应力平台阶段应力-应变曲线趋势的差异，发现u型和g1型试样的变形轨迹非常相似，而g2型试样在致密前呈逐渐上升的趋势。同样，由rd＝0.3细胞结构组成的g型试样比没有rd＝0.3
的应力下降比(σd/σp)大约高0.11。有趣的是，设计平均rd＝0.225时，g1型试样的弹性模量介于u-0.20和u-0.25之间，屈服强度与抗压强度接近，甚至略高于u-0.25。
57.为了进一步分析u型试样的变形行为，用数码相机记录了压缩试验中的变形过程图像，通过不同的rd值可以发现并区分两种典型的变形行为和失效机制。据gibson和ashby报道，rd≥0.30的多孔材料往往表现为有孔的固体材料，固体ti6a14v沿45
°
最大剪应力平面而造成的载荷方向断裂。相比之下，所有rd＜0.30的试样都表现出逐层坍塌的变形行为，直到所有孔被压缩到致密，最终失效。g1和g2型结构在整个压缩过程中都表现出逐层的变形模型，然而由于g1型结构首先达到致密阶段可以承受更多的应力，吸收更多的能量，保护整个结构不受损，呈现剪切和弯曲为主的混合破坏机制，g1型结构比u型结构具有更好的力学性能。而g2型结构表现出相同的逐层断裂变形机制，应力集中在低rd层发生完全破裂，随后传递到高rd层，导致弹性或塑性变形。试样在循环过程中发生这种断裂，断裂的支板相互接触，由于较高rd层开始承担载荷，应力逐渐增大，在g2型试样中发现了低rd层增加高rd层强度的“填充效应”现象。这种等级设计可以避免结构的瞬时破坏，并提供更高的强度和适度的应力。
58.s103，根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型。
59.s104，根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设计梯度骨骼植入体结构。
60.在本实施例中，采用经典的kelvin-voigt模型来预测g1型多孔材料的弹性模量和强度，它确定每层相对于整个结构所占的百分比，本实施例中设计为每层占25％。en和σn为u型试样的性能对应于层的相对密度。g型梯度晶格结构的特性预测需要参照它们的压缩行为和失效机制，由于g2型结构服从逐层变形和破坏机制，第1层的支柱首先屈服和断裂，因此g2型结构的弹性模量和屈服强度主要取决于第1层的性能，如图7(a)-(b)所示。
61.与现有技术相比，本实施例至少具有如下优势：
62.1、与传统的网格制造方法(如熔铸法)方法对比，本实施例利用激光选区熔化成形技术能够快速地制造骨植入体，大大节约了时间成本，且打印精度更优质，slm技术采用具有细小光斑的激光聚焦，使金属零件的精度更高，表面粗糙度更好；
63.2、与均匀晶格结构相比，本实施例提出的梯度晶格结构具有更好的能量吸收能力，g1型结构(rd＝0.30-0.15)和g1型结构(rd＝0.25-0.10)的能量吸收能力分别为0.45和0.30，g2型结构(rd＝0.30-0.15)和g2型结构(rd＝0.25-0.10)的能量吸收能力分别为0.98和0.28。
64.如图8所示，本发明第二实施例还提供了一种梯度骨骼植入体结构的设计装置，其包括：
65.制备单元210，用于通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，根据预设的参数制备不同类型的梯度晶格结构；
66.分析单元220，用于通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能；
67.模型建立单元230，用于根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；
68.设计单元240，用于根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设计梯度骨骼植入体结构。
69.本发明实施例还提供了一种梯度骨骼植入体结构的设计设备，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上述的梯度骨骼植入体结构的设计方法。
70.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述计算机可读存储介质所在设备的处理器执行，以实现如上述的梯度骨骼植入体结构的设计方法。
71.在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
72.另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
73.所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，电子设备或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
74.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，包括：s101，通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，制备不同类型的梯度晶格结构；s102，通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能；s103，根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；s104，根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设计梯度骨骼植入体结构。2.根据权利要求1所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，步骤s101中，所述梯度晶格结构采用尺寸为3mm
×
3mm
×
3mm的正方体为胞元结构，整个梯度晶格结构由8个胞元结构沿每个坐标方向(x、y、z)重复排列组成，总尺寸为20mm
×
20mm
×
20mm；且沿着制造方向，每个梯度晶格结构的底部设置有尺寸为20mm
×
20mm
×
2mm的底板。3.根据权利要求1所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，所述梯度晶格结构包括均匀梯度的u型结构、密度梯度垂直于加载方向的g1型结构以及密度梯度沿加载方向的g2型结构。4.根据权利要求1所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，在使用有限元分析时，基于软件模拟受压力载荷作用下所述梯度晶格结构表面的应力分布；其中：将316l不锈钢的弹性模量187gpa，泊松比0.3设置成所述梯度晶格结构的弹性特性，力学工况为正方体的一个顶点受到沿z轴向下的压力，与该顶点对角线相对应的顶点的位移被完全约束；优化目标为正方体的相对密度，设置为0.20-0.50；优化后的模型输出为.stl格式的模型群，通过magics商业软件，对模型进行平滑化修复，并通过镜像操作，将8个胞元结构堆叠成一个完整的单元点阵结构；最后，在xyz三个方向上各堆叠6个单元点阵结构，形成一个完整的点阵结构模型，个数为6
×6×
6个。5.根据权利要求1所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，步骤s102中，在压缩试验前，在30kv条件下，通过扫描电子显微镜观察梯度晶格结构的表面形貌；压缩试验采用电子万能试验机，在室温下，根据标准iso 13314，通过相应的数据绘制和计算梯度晶格结构的应力-应变曲线、力学性能和能量吸收性能；试验过程中由数字视频记录得到试样的详细变形图像，之后将部分断裂支柱打磨，浸入腐蚀溶液一定时间后后取出；最后，用扫描电镜设备对断裂支柱的微观结构进行了表征，使用x射线衍射仪通过x射线衍射进行相鉴定。6.根据权利要求2所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，步骤s103中：结合u型结构的力学特性，建立g型结构相应的预测模型；所述预测模型采用经典的kelvin-voigt模型。7.一种梯度骨骼植入体结构的设计装置，其特征在于，包括：制备单元，用于通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，根据预设的参数制备不同类型的梯度晶格结构；分析单元，用于通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性
能、失效形式和能量吸收性能；模型建立单元，用于根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；设计单元，用于根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设计梯度骨骼植入体结构。8.一种梯度骨骼植入体结构的设计设备，其特征在于，包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如权利要求1至6任意一项所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述计算机可读存储介质所在设备的处理器执行，以实现如权利要求1至6任意一项所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法。

技术总结
本发明公开了一种梯度骨骼植入体结构的设计方法、装置、设备及存储介质，方法包括：S101，通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，根据预设的参数制备不同类型的梯度晶格结构；S102，通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能；S103，根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；S104，根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设计梯度骨骼植入体结构。植入体结构。植入体结构。


技术研发人员：谢志韬 杨铠宇 徐仰立 杨泽凌 陈珏雄 范辉平 郑佳玮
受保护的技术使用者：华侨大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/13