满足骨长期力学适应性的椎间融合器数字化设计和验证

目的低刚度的多孔结构减少了植入器械骨的应力屏蔽,同时孔洞内的骨长入也有助于提高骨整合效果。现有半经验性方法难以设计满足骨长期适应性的植入器械结构,为此研究和发展数字仿真方法预测术后植入器械上的骨组织再生和器械应力环境下的骨重塑,以及植入器械结构的数学优化求解方法。在此基础上设计包含引导骨柱长入的多孔结构和调节应力环境多孔结构的椎间融合器。方法采用agent方法建立骨组织再生仿真模型,计算术后早期融合器骨沉积状态;发展椎骨载荷环境推测方法,以及椎间融合器力学环境下骨重塑仿真方法;通过建立骨组织生长和设计域变量的数学关联,兼顾疲劳应力约束,在初始骨沉积状态上采用移动渐近线方法求解融合器最优结构。结果骨组织再生数学模型的计算结果表明,骨组织初始主要在融合器的顶部和底部聚集,为椎间融合器的设计优化提供了初始的生物力学环境参考。以骨长期适应性为优化目标求解的椎间融合器结构能改善骨单元和设计域单元应力集中的现象,并有效促进了骨量的增加,且融合器的应力水平低于金属疲劳应力。结论数学方法求解获得的融合器结构在椎骨载荷下提高了骨柱内的骨量,同时融合器结构的应力水平低于疲劳应力约束。