[論文レビュー] Architectural bone parameters and the relationship to titanium lattice design for powder bed fusion additive manufacturing

Martine McGregor, Sagar Patel+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Bone Tissue Engineering Materials参考文献 169被引用数 102

ひとこと要約

本レビューでは、粉末床溶融による増加造形で作製される現在のチタニウムラティス設計と自然なトレイビキュラス骨のマイクロアーキテクチャとの不一致を特定する。多孔質度、孔径、ラティストポロジーの最適化、特に表面ベースまたはハイブリッドストラット-表面ラティスを用いることで、皮質骨およびトレイビキュラス骨の機械的特性に近づけることができ、応力シールドイングの低減とインプラント統合の向上が期待できる。

ABSTRACT

Additive manufacturing (AM) of titanium (Ti) and Ti-6Al-4V lattices has been proposed for bone implants and augmentation devices. Ti and Ti-6Al-4V have favourable biocompatibility, corrosion resistance and fatigue strength for bone applications; yet, the optimal parameters for Ti-6Al-4V lattice designs corresponding to the natural micro- and meso-scale architecture of human trabecular and cortical bone are not well understood. A comprehensive review was completed to compare the natural lattice architecture properties in human bone to Ti and Ti-6Al-4V lattice structures for bone replacement and repair. Ti and Ti-6Al-4V lattice porosity has varied from 15% to 97% with most studies reporting a porosity between 50-70%. Cortical bone is roughly 5-15% porous and lattices with 50-70% porosity are able to achieve comparable stiffness, compressive strength, and yield strength. Trabecular bone has a reported porosity range from 70-90%, with trabecular thickness varying from 120-200 {\mu}m. Existing powder bed fusion technologies have produced strut and wall thicknesses ranging from 200-1669 {\mu}m. This suggests limited overlap between current AM of Ti and Ti-6Al-4V lattice structures and trabecular bone architecture, indicating that replicating natural trabecular bone parameters with latticing is prohibitively challenging. This review contributes to the body of knowledge by identifying the correspondence of Ti and Ti-6Al-4V lattices to the natural parameters of bone microarchitectures, and provides further guidance on the design and AM recommendations towards addressing recognized performance gaps with powder bed fusion technologies.

研究の動機と目的

• インプラント設計に関連する人間の皮質骨およびトレイビキュラス骨の機械的およびアーキテクチャ的パラメータを特定すること。
• 自然な骨のマイクロアーキテクチャと増加造形によるTi-6Al-4Vラティス構造との対応関係を評価すること。
• 現在の粉末床溶融（PBF）AM技術がトレイビキュラス骨を再現するにあたり、性能上のギャップを同定すること。
• 骨の機械的挙動に類似したより優れたチタニウムラティスインプラントのための設計および製造推奨事項を提示すること。
• トレイビキュラス骨をよりよく模倣できるように、表面ベースまたはハイブリッドストラット-表面ラティスなどの高度なラティスジオメトリを推進すること。

提案手法

• 人間の骨のマイクロアーキテクチャと増加造形におけるTi-6Al-4Vラティスパラメータを比較する包括的な文献レビューを実施した。
• TiおよびTi-6Al-4Vラティスの増加造形に関する100件以上の研究から、多孔質度、ストラット厚さ、孔径、ラティスタイプを分析した。
• Gibson-Ashbyモデルを用いて、ラティスの機械的特性（ヤング率、圧縮強度）を皮質骨およびトレイビキュラス骨と比較した。
• 粉末床溶融（PBF）AMが、トレイビキュラス骨スケールの特徴（例：120–200 µmのトレイビキュラス厚さ）を実現するための製造限界を評価した。
• 確率的表面ベースラティスの可能性を検討し、トレイビキュラス骨の複雑なジオメトリをよりよく模倣できる可能性を検証した。
• 骨の多孔質度と機械的挙動の変動を考慮した、患者および部位に特化したラティス設計のフレームワークを提言した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のPBF AMにおけるTi-6Al-4Vラティスのパラメータは、人間の皮質骨およびトレイビキュラス骨の多孔質度および特徴寸法とどの程度一致しているか？
• RQ2 既存のPBF AM技術は、人間の皮質骨およびトレイビキュラス骨の機械的特性に類似したチタニウムラティスを生産できるか？
• RQ3 従来のストラットベースラティスでは、なぜトレイビキュラス骨のアーキテクチャを再現することが特に困難なのか？
• RQ4 ラティストポロジー（例：表面ベース、ハイブリッドストラット-表面）は、どのようにトレイビキュラス骨への機械的適合性を向上させることができるか？
• RQ5 チタニウム骨インプラントにおける応力シールドイングを低減するために、どのような設計および製造戦略が必要か？

主な発見

• 多孔質度50–70%のTi-6Al-4Vラティスは、皮質骨（5–15%多孔質度）と同等の圧縮強度および剛性を達成する。
• トレイビキュラス骨の多孔質度は70–90%であるが、現在のPBF AMではストラット厚さが200–1669 µmであり、自然なトレイビキュラス厚さ（120–200 µm）と部分的に重複するにとどまる。
• トレイビキュラス骨の特徴厚さに一致させただけでは、ボリュームモジュラスの違いにより機械的特性の類似性が保証されない。
• 表面ベースおよびハイブリッドストラット-表面ラティスは、従来のストラットベースラティスよりも、トレイビキュラス骨の複雑なマイクロアーキテクチャを再現する可能性がより高い。
• Gibson-Ashbyモデルは、Ti-6Al-4Vラティスにおける多孔質度とヤング率、圧縮強度の相関関係を効果的に示しているが、異方性および患者特化型設計にはさらに精錬が必要である。
• 骨の多孔質度およびマイクロ構造には年齢、性別、骨格部位による顕著なばらつきがあるため、患者特化型・部位特化型のラティス設計が不可欠である。