聚碳酸酯基的椎间腰笼的设计理念:有限元分析和压缩测试

文摘

这项工作的可行性探讨3 d印刷椎间腰笼子基于生物相容性的聚碳酸酯(PC-ISO®材料)。提出了一些设计理念的生成特定的椎间腰的笼子里。3 d印刷材料抗压屈服强度达到55 MPa下制造参数的特定组合。文献建议参考负载4000 N椎间腰笼子里的设计。压缩试验条件下,提出的设计概念承受荷载在7500年和10000年之间N之前显示屈服。尽管一些应力集中区域被发现在分析,整体的可行性提出设计概念验证。

1。介绍

生物技术和3 d打印技术的结合导致了3 d生物打印的崛起,这是一个处理技术,承诺解决关键问题而找到打印的生物材料,增加容量的精确定位和包括细胞来源,为了成功地应用于诊断、个性化医学和再生医学1]。文学,演示了这群的破裂性应用程序是分散在多个领域。Radenkovic等人提出的想法制造个性化的人类建筑复杂性较低的中空器官使用详细的患者信息,获得医学成像,适当的细胞类型,3 d打印技术(2]。其他作品,显示了医疗和工业应用的潜力的几类可能是有用的3 d打印技术参加未来对器官移植的需求。例如,Yoo之间做了一个比较不同的3 d生物打印技术以评估它们对人类健康的影响和医疗设备行业3]。维瑟等人表示,潜在的医学应用3 d生物打印将演变成组织印刷在不久的将来4]。

3 d打印技术的植入假体,和其他医疗设备可以被认为是一个重要的阶段的充分发展3 d生物打印应用程序。特别是假肢设计和植入现在拥抱使用3 d打印技术FDM熔融沉积(建模),为了解决需要定制和提供一个快速响应的需要外科干预措施(5]。一些以前的工作表明,它可以满足所需的主要特点定制的医疗设备,如强度、不育、尺寸稳定性和安全性。例如,兰金等人FDM机用于外科手术的牵引器原型。这个原型是消毒和容忍的切向力需要满足需求在失败之前,之前和之后都暴露在灭菌(6]。

需要定制的植入物的具体案例列手术。这是为了缓解执行病态与背部疼痛,有时是由于椎间盘的纤维环、周围的恶化导致脊柱椎间盘突出。列手术处理这种疾病通常称为脊柱融合手术,在椎骨逐渐融合成一个单一的身体通过引入一个椎间笼植入。脊柱融合是最常见的腰部脊柱,但它也用于治疗颈椎和胸椎区域。椎间笼植入的主要功能是填补椎间空间以促进骨整合的过程,通过最优负荷分配提供机械支持和一个椎体融合固定平衡。

图1显示椎间笼植入的概念表征系统。通常,椎间笼植入与医用钛合金制造(Ti6Al4V),聚醚醚酮(PEEK)复合材料。但是现在,3 d打印技术的出现和添加剂制造技术等融合沉积建模(FDM),开发面向客户的和可靠的笼子里植入的可能性较高。以下部分的工作解释过程链的开发利用FDM列手术植入定制。

2。相关工作

有数量有限的研究,探索设计和快速制造的患者植入列手术。德凡德尔莫维啤酒和发达的快速制造金属植入物的研究。他们使用计算机断层扫描(CT)、直接金属激光烧结(摘要)和机械测试为了提出一个过程链的定制椎间盘移植(7]。在同一物质,Domanski等人使用三种添加剂制造技术:熔融沉积建模、基于粉3 d印刷(3 dp)和选择性激光熔化(SLM)。他们为强度进行有限元分析验证和他们比较表面粗糙度的原型开发(8]。Espalin等人建议使用FDM的自由生产的几种类型的植入物。在颅骨重建他们集中研究方法,但他们认为这种技术的定制整形间距器(9]。Chougule等人使用非侵入性成像,逆向工程,FDM的发展具体植入最小侵入性脊柱手术。他们建议这个过程链可以提供有价值的医疗信息和强大的诊断工具,外科医生了解病人的复杂的内部解剖(10]。工作之前这里给出的一个探索FDM的使用和常见的3 d印刷机械,高分子的设计概念发展的脊柱外科植入物(11]。这是一个探索性研究,评估植入的可行性定制这种技术和目前的工作奠定了基础。

3所示。客观的

有明确需要评估的可行性的使用定制的3 d打印列手术植入物。因此,本研究的主要目的是验证一系列的具体案例的设计概念列植入物(称为“椎间腰笼子”)的帮助下FDM、计算模拟和实验测试。此外,这项工作的目的是为这些医疗设备的实现奠定基础的整形手术。

4所示。材料和方法

本节讨论的设置提出了腰椎笼材料选择、流程链的设计,通过FDM成型,机械测试和有限元分析。

4.1。材料

本研究的提出聚合物PC-ISO (polycarbonate-ISO),一个工业热塑性,可以通过一些方法,如环氧乙烷消毒和伽马辐射,根据佩雷斯等的工作。这项工作不育与成功执行测试结果材料存放在FDM工艺(12]。达等人对安全和辐射PC-ISO材料的衰减特性,建立了一个方法为其定制的妇科临床使用近距离放射疗法涂抹器。工作得出结论,PC-ISO为该应用程序是一个合适的材料在临床设置(13]。

在材料生物相容性的案例中,有几项研究由材料供应商确认材料是无毒的,不会出现过敏的潜力,和没有刺激性的效果。在上面提到的研究,例如,ISO急性系统性注入测试,设计筛查PC-ISO提取潜在的毒性作用的单剂系统注入老鼠体内。研究证实,动物不存在毒性相比,控制的迹象。关于选择的材料的机械性能,它有一个指定的57 MPa极限抗拉强度和弹性模量2 GPa,属性,使聚合物竞争与其他工程材料植入物(11]。

4.2。原型

FDM的植入设计考虑了几个设计指南适当的聚合物材料的沉积,以改善其机械性能在拉伸或压缩测试和增加空间的几何精度。其中的一些设计指导方针由安等,制定基于大量实验的结果(14]。来自工作,在这个案例研究中使用以下指南:(我)消极的气隙,这意味着两个FDM层部分占据同一个空间,将增加强度和刚度。(2)构建取向可以提高精度和强度。

探索前的患者腰椎笼过程链,圆柱形标本与两种不同配置的构建方向受到压缩强度测试(图2)。这个过程进行了筛选实验为了建立材料力学性能的有限元分析腰椎笼子里的概念。制造的圆柱形标本和植入物的设计概念,FDM机Stratasys公司fortus3d 400 mc和两个不同的机器喷嘴被配置用于沉积过程(表1和2)。根据PC-ISO材料的供应商,比重为1.20,相当于0.0012 g /毫米³在密度(15]。把这个值作为参考,最终的权重的圆柱形标本,填充比例获得与0.30毫米喷嘴大约是88%,0.40毫米的填充比例获得喷嘴大约是92%,这可能会影响力量的行为。

腰笼几何图形的设计标准建立了专利和商业产品的分析,发现的主要因素是提供最小的负载分配椎骨损伤(16- - - - - -19]。

重要的是指出机械响应必须考虑疲劳测试以来,进一步的研究在文献中有证据表明,重复加载会导致易受机械损伤(列20.),是有限的疲劳数据文献中FDM沉积材料(21]。

所有的进化设计如图3,先前的研究中给出的几何图形也表现出(11]。

在这个工作中,提出了四种不同腰椎笼设计概念,作为一种优化选择在寻找合适的3 d打印植入。这些腰笼设计概念进行一个类似的设置,用于圆柱标本。固体模型提出腰椎笼子里使用一个通用的CAD工具。原型的尺寸范围是13.4毫米的宽度和长度28.7毫米,有13毫米的高度。此外,所有的设计包括几何特性,促进骨整合。重要的是要指出,所需的设计理念包括防滑系统适当的植入物固定,但这些几何特性可能产生应力集中。图4介绍了提出腰椎笼设计:(a)一个平坦的腰笼子里没有一个防滑系统;(b)腰椎笼与起伏的防滑系统功能;(c)腰椎笼与三角防滑系统功能;和(d)的几何提出腰椎笼设计(c),但处理孔在侧面(处理洞是用来保存期间腰笼植入)。

4.3。抗压强度测试

抗压强度测试每个圆柱试样和每个腰椎笼设计理念进行了使用日本岛津公司万能试验机配有25 kN负载细胞。在圆柱上执行的测试样本是基于“ASTM.D695.2010,硬质塑料的抗压特性的标准试验方法”(22使用6毫米/分钟),十字头速度(图5)。

4.4。仿真设置

有限元分析(FEA)的帮助下执行COMSOL多重物理量4.3软件,自动生成四面体元素和用于执行计算模拟。它是一种常见的做法,使用自动四面体网格生成器离散化复杂的3 d结构组件。这种类型的网格生成器可以处理复杂的几何图形用最少的人工干预(相比,例如,手动生成六面体网格的元素)。三维计算的求解程序用于执行嵌入到软件中。筛孔尺寸在一系列预定义的0.286和2.290 mm最大元素增长率为1.45。机械性能的腰椎笼子里被认为是均匀和线性弹性。表的机械性能3作为模拟每个提出的原型的引用。

4.5。参考列加载

为了建立一个好的近似的平均负载,必须用于模拟列加载额外的文献综述。Wilke等人估计interdiscal压力为1.8 MPa,相当于3240 N的盘区1800毫米²- 5盘,当一个普通人拿着20公斤对象600毫米远离胸部(23]。舒尔茨等人估计interdiscal压力变化取决于身体位置和类型的活动,把值从0.270 MPa (486 N的负载超过1800毫米²)在一个轻松的站立位置1.62 MPa (2916 N的负载超过1800毫米²)在最艰苦的任务检查(24]。因此,考虑从文学的平均负载,4000 N轴向力是作为参考负载和底部的原型是严格固定的运动约束。

5。结果与讨论

5.1。抗压强度测试

筛查试验结果为horizontal-axial构建配置被丢弃,因为他们提出了低强度行为(7800 N)相比,那些transverse-vertical构建配置为类似条件(8300 N)。图6抗压强度测试结果显示PC-ISO标本由0.30毫米喷嘴transverse-vertical构建方向和0.40毫米喷嘴transverse-vertical构建方向。为了评估FDM工艺的可重复性,几个进行了复制。这些负载的平均值7776 N和标准差为102.3 N。因此,这个过程有一个偏差之间的五个实验试验误差的1.32%,这一数字表明一个好的过程的可重复性。

表3显示PC-ISO圆柱试样的力学性能获得从最初的机械压缩测试,以作为有限元分析的初步数据。抗压屈服强度计算负载由除以试样的屈服点由原最小横截面积的标本(126.7毫米²)。图6显示的比较PC-ISO圆柱试样的压缩试验两个0.30毫米和0.40毫米喷嘴配置。

5.2。仿真结果对腰椎笼子里的概念

模拟结果解释的不同横截面的平均·冯·米塞斯应力表现出的四个设计概念。图7显示了原型的有限元分析与0.40毫米喷嘴制造完整的等距视图,前横截面积为257毫米²。使用4000 N力参考负载,结果表明,平均·冯·米塞斯应力30 MPa原型。复杂的几何图形显示更高的最大·冯·米塞斯应力。图8显示了中间截面面积268毫米²概念(a)、(b)和(c)。概念(d)中间截面面积262毫米²。正如所料,所有的设计理念表现出平均大约15 MPa•冯•米塞斯应力。横截面的应力增加外区域由于复杂几何的外表面植入。的概念(d),最大的压力是高于其他概念由于处理孔的应力集中效应。

图9显示了飞机顶部的横截面的容量分析(从图7)显示了最大·冯·米塞斯应力。这架飞机的横截面积是247毫米²由于盲孔融入设计理念。平均冯错过压力应该16.2 MPa。应力集中区域生产本地化值78.8 MPa。

5.3。实验结果为腰椎笼子里的概念

图10显示了一个比较抗压强度的测试提出了腰椎笼设计(a)制造的喷嘴喷嘴0.30毫米和0.40毫米。清楚地看到相同的图,腰椎笼设计制造的0.40毫米喷嘴具有更好的力学性能比由0.30毫米喷嘴。进一步实验仅限于0.40毫米喷嘴配置。

图11显示了测量负载(l)与位移(d)行为的原型制造0.40毫米喷嘴。最好的机械行为的设计概念与简单的几何元素,如设计与平面(a)和(b)设计与起伏特性。然而,设计理念与更复杂的几何形状(如(c)和(d))促进骨整合,在植入手术。

5.4。讨论

基于圆柱样品,参考抗压屈服强度考虑是55 MPa。中间平面仿真分析表明,平均而言,压力水平的抗压屈服强度远低于FDM-printed PC-ISO材料。只有在概念(d)的情况下,最大应力水平超过了限制在很小的比例(6%)。

从圆柱形试样的压缩测试实验结果(数据和设计概念6和10),1毫米的力学行为表现出位移的工程应力相似。具体来说,圆柱形标本展出一个近似工程54 Mpa的压力(约126毫米的横截面²和6800 N),而工程中间截面压力(约268毫米²和15000 N)大约是55 Mpa的设计概念。

局部最大应力水平高于材料强度在某些地区。顶部平面分析,所有地区与最大应力超过材料强度(14 - 43%更高的压力相比,材料强度)。容量分析显示区域超过材料强度的大部分(143%的设计理念(d))。

与有限元分析的结果,使用4000 N作为参考负载,实际的压缩试验表明,不同的设计概念是健壮的。为设计概念的情况下(a)和(b),收益率行为始于大约10000 N。负载大约7500 N是由设计概念(c)和(d)产生之前。

FDM过程不能产生尖角由于灯丝几何用于代每一层。因此,这种加法制造过程有利于避免应力集中区域在印刷椎间腰的笼子里。此外,有限元分析表明,应力集中区域非常本地化。因此,可以得出结论,高负载由不同的设计概念是由于(a)的结合局部应力集中区域,(b)加法制造过程本质上减少应力集中的几何图形,和(c) PC-ISO材料的延性性质。

为了进一步验证提出的设计概念,在动态条件下额外的测试是必要的,以评估材料的疲劳反应。额外的设计概念,需要改进,以减少由于急剧变化几何应力集中。

6。结论和未来的工作

这项工作证明的可行性FDM-printed椎间腰笼子可以使聚碳酸酯(PC-ISO材料)的生物相容性的基础上。提出了一些设计理念的生成特定的椎间腰的笼子里。有限元分析和压缩测试显示的可行性提出的设计概念。部分室内风格有一个更重要的影响比物质沉积的构建方向。此外,PC-ISO材料表现出高重复性的生产过程transverse-vertical构建方向和固体部分室内风格参数,实现抗压屈服强度的55 MPa。文献建议参考负载4000 N椎间腰笼子里的设计。在压缩试验条件下,FDM-printed椎间腰笼子承受7500年和10000年之间N负荷之前显示屈服。

进一步的研究必须进行体外和体内试验以保证完整的椎间腰笼植入的可行性提出了这项工作。具体来说,应该通过分析进行验证与周围组织的生物相容性和骨整合,对3 d印刷的完整集成植入的医疗实践。使用3 d打印技术的好处为每个特定的病人应该可能增加人体工程学,简化程序,使整体更好的个性化结果一旦验证。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢学府de蒙特雷的支持通过其在先进制造研究小组。支持从MADiT也提供了“加法制造的国家实验室,3 d数字化和电脑断层摄影术”在大学根据墨西哥和Centro de Tecnologia da Informacao阿切尔雷纳托。最后,这项工作的作者想表达自己的感激之情Jan Lammel林德曼,他的宝贵意见。

引用

1. 高和崔x”,在组织工程和再生医学三维生物打印”,生物技术信,38卷,不。2、203 - 211年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. d . Radenkovic a Solouk, a . Seifalian“个性化人体器官使用3 d打印技术的发展,“医学假说卷。87年,30-33,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. s。柳”,3 d打印的生物器官:医学潜力和专利的机会,“专家意见治疗专利,25卷,不。5,507 - 511年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. j·维瑟,f . p . Melchels w . j . Dhert和j . Malda”组织印刷;3 d打印技术的潜在应用在医学上,“荷兰语Tijdschrift voor Geneeskunde,卷157,不。52岁的文章ID A7043, 2013。视图:谷歌学术搜索
5. 诉罗维奇,j .诉哈罗德冈萨雷斯,o . Jorda Ferrando, j .戈迪略Delgado j . r . Blasco Puchades,和l . Portoles Grinan,“分层制造:添加剂行业的工业应用通过案例研究显示,“国际期刊的生产研究卷,49号4、1061 - 1079年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. t·m·兰金:a。吉奥文科,d . j . Cucher做g .瓦b•赫维茨和d·g·阿姆斯特朗,“三维印刷手术器械:我们到了吗?”外科手术研究期刊》的研究,卷189,不。2、193 - 197年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 凡德尔莫维n . de啤酒和a,”针对病人的椎间盘移植使用快速制造技术,”快速原型杂志,19卷,不。2、126 - 139年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. j . Domanski k . Skalski r . Grygoruk, a . Mroz“快速原型在椎间植入物的设计过程中,“快速原型杂志,21卷,不。6,735 - 746年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. d . Espalin k . Arcaute d·罗德里格斯f·梅迪纳,m·波斯纳和r .柳条“熔融沉积地理建模的病人有机玻璃植入,”快速原型杂志,16卷,不。3、164 - 173年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. v . n . Chougule a诉他,比比Ahuja,“发展最小侵入性脊柱手术患者特定的植入物(小姐)从非侵入性成像技术通过逆向工程和添加剂制造技术,”Procedia工程卷,97年,第219 - 212页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. o·菲格罗亚,c·a·罗德里格斯h . r .银et al .,“腰笼设计理念基于加法制造,”高价值的制造业:先进的研究在虚拟和快速原型p·h·达席尔瓦巴托罗,a . c . s . de Lemos a . m . h·佩雷拉et al .,。,102章,CRC出版社,纽约,纽约,美国,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. m·佩雷斯m, d . Espalin et al .,“杀菌FDM-manufactured部分,”学报》第23届国际固态成形技术研讨会(设定触发器的12)德克萨斯州奥斯汀市,页285 - 296,美国,2012年8月。视图:谷歌学术搜索
13. j . Cunha r·塞提k阵线et al .,“WE-F-16A-01:调试和临床使用PC-ISO定制,3 d印刷,妇科短程疗法应用者,”医学物理学第41卷。。6日,第514条,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 工程学系。安,蒙特罗m, d . Odell后边s圆形,和p·k·赖特,“各向异性材料熔融沉积造型ABS的性质,“快速原型杂志,8卷,不。4、248 - 257年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. Stratasys公司,工业生产的热塑性fortus3d 3 d生产系统Stratasys公司伊甸草原,明尼苏达州,美国,2015年。
16. b·谢弗和h稻草,“椎间植入物,“美国6143032年美国专利,2000年。视图:谷歌学术搜索
17. 美国韦伯,a·p·莫雷诺·m·e·米切尔和a·c·史密斯,“脊椎植入,”美国专利7806932 B2, 2010。视图:谷歌学术搜索
18. p·p·巴尔加和j·w·奥美“椎间间隔,”美国专利6579318 B2, 2003。视图:谷歌学术搜索
19. f . k .大惊小怪和r . j . Sabitzer脊柱椎骨之间插入植入,”美国专利6562072 B1, 2003。视图:谷歌学术搜索
20. m·a·亚当斯和p·多兰,“脊柱生物力学,”生物力学杂志,38卷,不。10日,1972 - 1983年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. j·李和a .黄FDM材料的疲劳分析,“快速原型杂志,19卷,不。4、291 - 299年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. ASTM D695-10,硬质塑料的抗压特性的标准试验方法美国ASTM国际,,西肯肖霍肯的Pa, 2010年,https://www.astm.org/。
23. 周宏儒。Wilke, p . Neef b·海因茨·h·塞德尔和l·克拉斯”Intradiscal压力与人体测量数据组织模型的验证数据集,“临床生物力学补充1卷。16日,S111-S126, 2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. a·舒尔茨·g·安德森,r . Ortengren k . Haderspeck和a . Nachemson腰椎负荷。验证intradiscal生物力学的分析测量的压力和肌电的信号,”《骨与关节Surgery-American体积,卷64,不。5,713 - 720年,1982页。视图:谷歌学术搜索

版权

版权©2016 j . Obedt Figueroa-Cavazos等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。