デルフト工科大学は3Dプリントされたマイクロアーキテクチャインプラントを最適化し、骨リモデリングのパフォーマンスを64％向上させました。

南極のクマの紹介: 3D プリント技術は、優れたデザインを通じてのみこの技術の潜在能力を最大限に発揮できるため、時折革新を生み出します。

△デルフト工科大学のエンジニアは、3Dプリントされた整形外科用インプラントを最適化できる新しいアルゴリズムを提案した。
2022年5月31日、デルフト工科大学（TU Delft）の研究者らは、3Dマイクロアーキテクチャインプラントの最適化された設計に関する最新の研究を発表しました。この研究では、整形外科用インプラントの最適設計の限界を押し広げたと主張している。従来の固体インプラントと比較して、最適化された 3D プリントインプラントは骨リモデリングのパフォーマンスを 64.0% 向上させることができます。

3D プリント可能な微細構造材料の最近の進歩により、高度にカスタマイズされた整形外科用インプラントの開発に新たな可能性が開かれました。インプラントは通常、全固体材料で作られていますが、この構造により周囲の骨組織への荷重伝達が変化し、界面の不安定性や骨吸収につながる可能性があります。

△a) 固体、b) 均質格子、c) 異質格子チタンインプラントの設計と性能は、局所的な骨のリモデリングとホフマン界面応力を最適化しながら、これまでにない幾何学的複雑さを備えた機械部品の製造を可能にします。その結果、この設計の自由度により、エンジニアは従来のエンジニアリング設計よりも大幅に優れたパフォーマンスを発揮するコンポーネントを設計できるようになります。

この研究で研究者らは、異種マイクロアーキテクチャを備えた3次元（3D）の患者固有のインプラントを合成するための新しい計算手法を提案した。このアプローチにより、機能性を優先し、従来の設計上の制限を打ち破りながら、負荷による界面の破損と人工関節周囲の骨のリモデリングのリスクを同時に最小限に抑えることができます。

△ポアソン比の3種類。 a) 正、b) ゼロ、c) 負。まず、研究者らは、望ましい機能特性と、正と負のポアソン比を含む幅広い有効な機械的特性を備えた、新しいパラメーター化されたマイクロアーキテクチャを開発しました。次に、研究者らは、荷重による界面骨折と術後の骨リモデリングのリスクを同時に最小限に抑えるために、マイクロアーキテクチャパラメータ空間の構成を最適化する方法を提案しました。

新しいアルゴリズムは、従来の形状の 3D チタン股関節インプラントの設計に適しています。コンピューターシミュレーションの結果を従来の物理的なインプラントと比較します。最適化された 3D マイクロアーキテクチャインプラントでは、骨リモデリングが 64.0% 改善され、界面骨折のリスクが 13.2% 減少しました。

研究の詳細は、「3Dマイクロアーキテクチャインプラントの多目的設計最適化」という論文に記載されています（ここをクリックして転送してください）
現時点では、この研究はまだ関連する臨床試験を経ておらず、研究結果はコンピューターシミュレーションに限られています。この研究の重要性は、提案された最適化戦略により、界面骨折と骨リモデリング（および吸収）のリスクを同時に低減できることです。一方、提案された方法は、一般的な骨のリモデリング機能と効率的な分離されたマルチスケール戦略を組み合わせて、比較的低い計算コストでインターフェースの力学を正確に捉えます。

さらに、機能的に傾斜した構造設計に適しており、幅広い機械的特性を可能にする、一般化された立方反キラルパラメータマイクロアーキテクチャが提案されています。

デルフト工科大学は3Dプリントされたマイクロアーキテクチャインプラントを最適化し、骨リモデリングのパフォーマンスを64％向上させました。

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