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ANSYS 部落格

March 3, 2020

設計更好的植入物:骨骼比鋼鐵堅固嗎?

 

我認為大自然是世界上最古老也最棒的工程師。幾千年來,它不斷更替我們的設計,讓我們的零件變得更輕巧、更堅固、高度最佳化,近乎完美。

因此,人類工程師開始運用模擬學,學習大自然的經驗

然而,有些人可能認為,骨骼不可能優於日常用品的材料。您大概會懷疑:

骨骼比鋼鐵堅固嗎?

骨骼比混凝土堅固嗎?

事實上,這需要看情況。


幾千年來,大自然一直在優化我們的骨骼結構。

骨骼通常具有類似於混凝土的彈性模數,但壓縮強度是其 10 倍。

跟不鏽鋼比較的話,骨骼具有類似的抗壓強度,但重量輕三倍。

那麼,當骨頭嚴重受損以至於人類工程師需要介入時,會發生什麼事?事實證明,當我們試圖替換大自然的作品時,大自然的精妙之處就更加明顯。
 

為什麼骨骼如此堅固?

雖然植入物是許多人的必需品,但隨著時間消磨,其平均使用壽命無法與骨骼相比。例如膝關節大約 60 到 80 年才會磨損,然而人工關節能維持四分之一的壽命就很不錯了


通常一個膝蓋可以使用 60 到 80 年,而人造膝關節可以使用 15 到 20 年。

工程師需設計使人工關節設計能承受很重的負荷。在日常活動,例如走路或跳躍,一般的骨骼架構可能須承受 4 到 20 倍的人體重量。這些負荷包括以下形式:

     
  • 壓迫
  • 扭轉
  • 切力
  • 張力
 

骨骼是如何應付各種力量?背後的原理為其複合材料微結構。骨骼的成分為膠原纖維,該纖維由密集的填充物和周圍硬化的礦物質所組成。此外還包含:

     
  • 血管
  • 活細胞
  • 蛋白質
  • 水分
 

同樣,複合材料已成為材料設計和選擇的重要部分。然而,骨骼可以適應和改變其環境,是工程師難以模仿的特性。因此,工程師同時使用材料選擇和設計來更替植入物,直到產品符合預期。
 

工程師仍在尋找骨骼材質的替代品

由於工程師無法複製骨骼可以做到的一切,因此醫療器械設計針對特定使用案利進行了最佳化。

例如,當病患需要移植骨骼時,工程師會把重點放在比對剩餘骨骼的化學成分與微結構。有一個不錯的選擇是磷酸鈣,因為它可以刺激骨骼生長、促進癒合並有助於整合移植材料


骨組織
 

關節置換更是有挑戰。在這種情況下,工程師需要找到與周圍骨骼效能相符的材料。這些材料特性將根據病患的年齡、性別、體重、生活方式等而有所不同。工程師還需要確保材料具有正確的耐腐蝕性和生物相容性。

使用材料選擇工具,工程師可以比對適當的材料與病患及其醫療狀況。或者,工程師也能使用材料智慧軟體來協助設計新材料,使其效能優於目前市場上的材料。

若想深入了解,請觀看網路研討會:材料智慧:從選擇到管理

 

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