Skip to Main Content

      

Ansys博客

March 3, 2020

设计更好的植入物:骨材料比钢更坚固吗?

我可以说大自然是世界上最古老、最优秀的工程师。数千年来,它不断迭代我们的设计并完善我们的组件,使其变得更轻盈、更强大且高度优化。

因此, 人类工程师开始通过仿生科学学习大自然的例子

然而,有些人可能认为我们的骨骼不太可能超越我们用于设计日常用品的材料。你可能会问:

骨骼比钢更坚固吗?

骨骼比混凝土更坚固吗?

这要看情况。


几千年来,大自然一直在优化我们的骨骼结构。

骨骼的弹性模量通常与混凝土相似,但其抗压强度是混凝土的10倍。

与不锈钢相比,骨骼具有相似的抗压强度,但重量比不锈钢轻三倍。

那么,当骨骼严重受损,需要人类工程师介入时会发生什么?事实证明,当我们试图取代大自然的工作时,大自然的智慧更加明显。
 

为什么骨材料如此坚固?

尽管植入物对许多人来说是必要的,但随着时间的推移,它们的性能无法与普通骨骼的寿命相提并论。例如,膝关节磨损可能需要60-80年。然而, 膝关节置换术能维持四分之一的时间就算是幸运了。


普通膝盖可以使用60-80年,而人造膝关节可以使用15-20年。
 

工程师需要设计他们的植入物来处理较大负载。在步行或跳跃等日常活动中,  典型的骨骼框架可能会承受人体重量4-20倍的负载。这些负载可以是以下形式:

  • 压缩
  • 扭力
  • 剪切
  • 张力

骨骼如何在这些力量下存活下来?这是因为它的复合微观结构。骨骼由 胶原纤维组成,致密的填充物和周围的矿物质使胶原纤维硬化。它还包含:

  • 血管
  • 活细胞
  • 蛋白质

同样, 复合材料已经成为材料设计和选择的重要组成部分。然而,骨骼可以适应和改变其环境,这一事实是工程师难以模仿的特征。因此,他们使用材料选择和设计来迭代其植入物,直到它们达到预期效果。
 

工程师继续寻找骨材料替代品

由于工程师无法复制骨骼所能做的一切,因此他们的医疗设备设计针对特定用例进行了优化。

例如,当患者需要进行骨移植时,工程师专注于匹配剩余骨骼的化学成分和微观结构。磷酸钙是一个不错的选择, 因为它可以刺激骨骼生长、促进愈合并有助于移植材料的整合


骨组织
 

关节置换术有其自身的挑战。在这种情况下,工程师需要找到一种与周围骨骼性能相匹配的材料。这些材料属性将根据患者的年龄、性别、体重、生活方式等而有所不同。此外,工程师还需要确保材料具有正确的耐腐蚀性和生物相容性。

使用材料选择工具,工程师可以根据患者及其医疗状况匹配合适的材料。或者,工程师将使用材料智能软件帮助设计新材料,使其性能优于目前市场上的材料。

想要了解更多信息,请观看网络研讨会: 材料信息:从选择到管理。

所有ANSYS, Inc.品牌、产品、服务和名称、徽标、口号(例如Ansys和Ansys Granta)均为ANSYS, Inc.或其子公司在美国或其它国家的注册商标或商标。

了解Ansys提供的产品与服务

立即联系我们

* = 必填项

感谢您的联系!

We’re here to answer your questions and look forward to speaking with you. A member of our Ansys sales team will contact you shortly.

页脚图片