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摘 要

本文基于人体股骨因为骨肿瘤等原因造成的大段股骨缺损，在进行定制型假体置换或全股骨假体重建置换时，传统的股骨假体置换技术存在着与人体匹配度不高、免疫排斥反应等问题的现状，分析了采用3D打印技术制作PEEK人工股骨可实现个性化形态输入，降低假体因为与人体匹配度不高带来的安全性隐患等优势，提出相对于传统人体活体植入验证3D打印PEEK人工股骨力学性能和生物力学测试等实验手段，本文采用成本低、效率高的有限元分析方法，综合考虑关节力和肌肉力的在股骨中的分布情况，建立股骨肌肉模型，对通过CT扫描数据建立的人体股骨有限元三维模型进行有限元仿真，更为准确的分析股骨假体在人体双腿站立和行走四步态等不同工况的受力状态下的应力分布和应变情况，并与3D打印纯PEEK材料的屈服强度进行比较，以验证假体是否满足人体在正常站立和行走状态的安全性和稳定性要求，为后续进行3D打印的PEEK股骨假体的力学性能测试实验提供可靠的参考数据，两者对比可全面评价假体的力学性能，为假体的临床植入提供科学依据。

研究结果表明，3D打印PEEK人工股骨的在人体服役中的最大拉应力大于相同打印条件下PEEK材料的极限拉伸强度，存在断裂的风险，最大压应力超过屈服强度，股骨会发生塑性变形，具有较短的疲劳寿命，并不能满足行走过程中安全性和稳定性的要求，存在着大变形和断裂的安全隐患，后续需要进一步调整3D打印工作参数或采用添加剂增强PEEK力学性能的方法提高3D打印PEEK人工股骨的强度性能。

关键词：股骨；假体置换；3D打印；PEEK；有限元分析；强度性能

Abstract

This paper is based on the status of the large-scale femoral defects caused by bone tumors in human femurs.When custom-made prosthesis replacement of full-femoral prosthesis reconstruction and replacement are performed,the traditional femoral prosthesis replacement technology has poor compatibility with the human body and immune rejection and other problems.Analyzing when we use 3D printing technology to make PEEK artificial femur can realize personalized form input and reduce the safety hidden trouble caused by the low matching degree of prosthesis with human body. This paper presents a model of femur muscle by means of low-cost and high-efficiency finite element analysis, considering the distribution of joint force and muscle force in the femur, compared with the traditional means testing the mechanical properties and biomechanics of human femur PEEK printed in vivo. The three-dimensional model of human femur by CT scanning data is simulated. the yield strength of the printed pure PEEK material was compared with 3D to verify whether the prosthesis met the safety and stability requirements of the human body in normal standing and walking state, and to provide reliable reference data for the subsequent 3D printed test of mechanical properties of the PEEK femoral prosthesis. If we compared the result of the analysis between the test ,we can comprehensively evaluate the biomechanical properties of the prosthesis and provide scientific basis for clinical implantation of the prosthesis.

The results show that the maximum tensile stress of 3D printed PEEK artificial femur in human service is greater than the PEEK material’s ultimate tensile strength under the same printing conditions, there is a risk of fracture, the maximum compressive stress of the femur prothesis pass over the yield strength of the 3D PEEK material, plastic deformation will occur to the femur, so the prothesis has a short fatigue life, and can not achieve the safety and stability requirements when we are walking, and there are safety risks of large deformation and fracture, the follow-up needs to further adjust the working parameters of 3D printing or improve the strength performance of 3 D printing PEEK artificial femur by using additive enhancement of mechanical properties.

Key Words：femur ; Replacement of the prosthesis; 3D printing; PEEK; Finite Element Analysis; strength properties

目录

第一章 绪论 1

1.1股骨假体置换技术现状 1

1.1.1假体材料 1

1.1.2 PEEK假体材料加工工艺 2

1.1.3 3D打印PEEK假体置换技术现状 3

1.1.4股骨假体有限元分析技术 4

1.2 主要研究工作 5

1.3 技术路线 5

1.4 研究的意义 6

第二章 股骨运动模型探讨 7

2.1股骨 7

2.1.1股骨解剖结构 7

2.1.2股骨力学模型的建立 8

2.2股骨周围肌肉的简化 9

2.3股骨周围肌肉模型 10

第三章 人体股骨力学特性分析 12

3.1人体股骨有限元建模 12

3.1.1股骨三维模型重建 12

3.1.2股骨网格划分 13

3.2站立相股骨有限元分析 14

3.2.1设置材料属性 14

3.2.2设置边界条件与加载 15

3.2.3静态力学分析 17

3.3标准步态股骨有限元分析 17

3.3.1标准步态下人体力学响应 17

3.3.2设置边界条件与加载 19

3.3.3四步态分析结果对比 20

3.4全PEEK股骨强度校核 22

3.4.1安全性校核 22

3.4.2稳定性校核 23

3.4.3疲劳分析计算 24

第四章 总结 25

参考文献 26

致谢 29

第一章 绪论

1.1股骨假体置换技术现状

1.1.1假体材料

股骨是全身最容易发生原发性和复发性肿瘤的长骨之一，据报道统计，美国每年股骨病变人数达1-2万人，而相比较我国的发病率是其发病率的2-3倍^[1]。医务人员在对患有股骨肿瘤且病情较为严重的病人的诊治过程中，为降低股骨肿瘤的二次复发概率，需要彻底的清除股骨生长肿瘤部位的病灶，故常对病人体内生长肿瘤的股骨进行整段的股骨肿瘤切除或拓宽肿瘤边界范围后再进行切除。通常情况下由于肿瘤生长面积过大，恶性股骨肿瘤切除手术结束后会造成人体股骨大范围缺损，股骨结构功能受到影响，人体行动能力受到极大的限制。对近段大段缺损的股骨植入对应近段长度的假体进行部分股骨替换，或直接植入重建的全股骨假体进行股骨替换是对术后结构功能严重受损的股骨进行修复的主要方法，股骨假体置换技术的实现可保留人体下肢基本功能，显著提高骨缺损患者的生活质量^[3、4]。但目前关于全股骨置换的临床研究中，假体材料的选择、假体重建技术以及假体力学性能的研究都尚处于初步探索阶段。

传统的假体置换多采用以不锈钢合金、钛合金等为代表的硬组织植入物材料，它们的的弹性模量通常高于天然骨，与天然骨较大的的刚性差异会影响骨重建过程，导致骨质量丢失和固定骨段骨结构的紊乱，产生应力屏蔽现象，患者往往在后期会出现假体无菌性骨松动、骨整合不良和假体脱粘，假体在人体服役过程中的稳定性和安全性有待提高。且金属植入物带来的射线束硬化伪影也一定程度影响了三维重建和多平面重建技术对骨质周边细微结构的显示，制约了金属材料在假体置换技术领域中的应用。生物玻璃陶瓷等高分子聚合物材料可诱发新骨生长,但存在韧性差、易折断，且无法实现个性化形态植入的缺点^[5]。

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