三周期极小曲面骨修复植入物的优化设计

本文提出了一种基于梯度的方法，利用空间变厚度的三周期极小曲面（TPMS）设计骨植入物，以最大化骨长入。骨长入植入物的过程通过有限元机械生物学模型进行估算，该模型考虑了体内载荷的幅度和频率以及周围骨骼的密度分布。植入物单元壁厚通过用户定义的网格控制点上的厚度线性插值确定，避免了网格依赖性，并提供了对灵敏度计算成本的控制。TPMS结构被建模为均质化材料以降低计算成本。植入物的局部属性在运行时基于逐单元方式，使用预先构建的TPMS物理和几何属性代理模型（作为局部壁厚和长入骨密度的函数）确定。使用直接灵敏度方法计算植入物内骨长入的设计灵敏度。该方法在无骨水泥髋关节上进行了演示，在壁厚约束下优化植入物以促进骨长入，确保可制造性并允许细胞浸润。