チタン製3Dプリントで作られたカスタム人工股関節が、使用開始から2年で破損しました。患者は関節部に骨折を負い、再手術を余儀なくされました。現在、この症例は詳細な技術研究として分析されており、破損の原因が焼結材料の過度な多孔性にあるのか、あるいはジェネレーティブデザインにおける衝撃荷重シミュレーションの欠陥にあるのかを特定しようとしています。
マイクロCTとシミュレーション：破損診断 🔬
調査チームはVGSTUDIO MAXを使用して、破損した人工関節のマイクロCT画像を処理しました。分析の結果、亀裂が発生したまさにその箇所である大腿骨頸部に、相互接続された多孔質領域が存在することが明らかになりました。チタン合金Ti6Al4Vの選択的レーザー焼結（SLM）に典型的なこれらの空洞は、応力集中部として機能しました。並行して、元のCADモデルがAnsys Mechanical上で再現されました。シミュレーションにより、通常の歩行による周期的荷重に最適化されたジェネレーティブデザインは、つまずきや側面からの衝撃などの偶発的な荷重シナリオを考慮していなかったことが示されました。Materialise Magicsのジェネレーティブデザインソフトウェアは、予期せぬピーク荷重に対する耐性よりも軽量化を優先していました。
デザインが耐久性を損なわないために ⚙️
この症例は、3Dプリント人工関節のニッチな分野における重要な教訓を浮き彫りにしています。カスタマイズは解剖学的構造に適合させるだけでなく、患者の生体力学的リスクにも対応しなければならないということです。シミュレーションには、転倒や急な動きに相当する衝撃荷重を含めることが不可欠です。さらに、マイクロCTを用いたプリント後の品質管理を必須とし、多孔性の最大許容値を設定する必要があります。KeyShotのようなツールは、破損分析の視覚的レポートを外科医に提示し、インプラントの再設計に関する意思決定を容易にするために使用できます。
有限要素法シミュレーションを用いて、チタン製3D人工股関節の設計における臨界多孔性を予測し、使用開始から2年後の疲労破壊を防ぐことは可能でしょうか？
(追記：3Dプリント人工関節は非常にカスタマイズされているため、指紋のような個別性を持っています。)