激光选区熔化成形多孔金属及其复合材料骨植入体研究
发布时间：2021-04-11 15:03
人体骨肌系统的常见疾病包括骨关节退行性变、脊柱退行性变、四肢创伤、骨缺损、骨质疏松及骨肿瘤等。骨植入体是骨肌系统治疗的方式之一,其主要功能是全部或部分替代关节、骨骼、软骨或肌肉骨骼系统。目前临床应用的植入体主要采用传统机加工、模具成形等方法进行标准化制造,然而人体骨骼具有个性化的外形特征,造成了标准化的植入体与个性化的骨骼不匹配的局面,从而影响治疗效果。激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）技术在直接制造精细复杂结构零件方面具有巨大优势,特别适合金属骨植入体的个性化成形。然而,目前骨植入体在应用中面临着金属材料与骨组织之间模量不匹配、界面结合力低、骨整合能力差的问题,同时结构上存在内部孔隙梯度可控与拓扑性能优化的需求。因此,本论文针对金属骨植入体应用中材料与结构制备上面临的问题,主要展开了结构优化、结构表面涂层改性、金属基复合材料、梯度材料和梯度结构制备等五个方面的研究。具体研究工作如下:针对金属与骨组织之间由模量不匹配产生的应力遮蔽效应,以及人骨在结构上对植入体拓扑性能优化的需求,提出基于单元阵列的多孔结构单元拓扑优化方法。通过有限元模拟和实验结合的方...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：170 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
骨植入体在人体不同位置的分类示意图
骨移植以及骨替代材料植入法等进行治疗。自体骨游离移植简便，无排异反应；缺点是血运较差，抗感染力较弱，愈合过吸收明显，且手术损伤大，骨源有限，塑形困难[1]。特别是对于骨缺损，术中时间大量对骨瓣塑形，且往往难以恢复满意的面植入材料和结构的开发和应用是大面积骨缺损修复的主要研材料主要包括陶瓷、高分子聚合物和金属三大类。陶瓷材料与物相容性好，但加工性差，且强度和韧性低，仅适宜于非承重子聚合物易加工，但强度不足，且易降解并引起无菌性等炎症瓷和聚合物强度高，在承重骨修复方面具有独特优势。另一方复杂的外形，内部还呈现为复杂的梯度孔隙[3]，如图 1-2 所示质，由一根根内空的“柱子”累积构成；里层为低密度的骨松孔错综交织而成。因此，具有复杂个性化外形和梯度内部可控当下骨植入体的研究热点。
增材制造技术是 20 世纪 80 年代后期兴起的先进制造技术，采用材料逐层累加的方法直接由 3D 数字化模型制造实体零件，可实现复杂零件的快速成形，在骨植入体制造领域具有巨大的优势。少数采用增材制造技术生产的个性化植入体已经获得审批，并开始应用于临床。2009 年 AdvancedMedicalTechnologiesAG 公司生产的纯钛椎间融合器通过了欧洲合格认证。2014 年，西京医院完成了亚洲首例增材制造钛合金骨盆肿瘤假体植入术，同年世界首例增材制造钛合金锁骨和肩胛骨假体植入术也在西京医院实施成功。2015 年，北京爱康宜诚公司生产的增材制造钛合金人工髋关节产品获得国家食品药品监督管理局（CFDA）的注册批准，成为我国首个通过认证的增材制造骨与关节植入假体，迄今已有30余名患者接受了该假体的植入手术。在金属骨植入体增材制造技术中，基于粉床的激光选区熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）技术可制造近全致密、接近锻件性能的精细复杂零件，特别适合个性化骨植入体的制造。目前，SLM 已可成形不锈钢、钛合金、镍基高温合金、铝合金等材料，图 1-3 为 SLM 制造的典型个性化金属骨植入体。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国首个3D打印人体植入物获CFDA注册批准[J]. 仰东萍,蔡宏. 北京大学学报(医学版). 2015(05)
[2]新型医用Ti-35Nb-4Sn-6Mo-9Zr和Ti-35Nb-1.3Mo-3.7Zr合金在林格溶液中的电化学腐蚀行为[J]. 戴世娟,陈锋,王煜. 稀有金属材料与工程. 2014(S1)
[3]不锈钢粉末的选择性激光熔化快速成形工艺研究[J]. 史玉升,李瑞迪,章文献,刘锦辉. 电加工与模具. 2010(S1)
[4]光纤激光选区熔化316L不锈钢工艺优化[J]. 王迪,杨永强,吴伟辉. 中国激光. 2009(12)
[5]NiTi合金血管内支架表面改性及其生物相容性研究[J]. 沈阳,王贵学,全学军,俞青松. 中国医疗器械杂志. 2006(01)
博士论文
[1]医用合金粉末激光选区熔化成形工艺与性能研究[D]. 张升.华中科技大学 2014
[2]金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D]. 李瑞迪.华中科技大学 2010
[3]选择性激光熔化快速成形关键技术研究[D]. 章文献.华中科技大学 2008
[4]个体化钛合金示指掌指关节假体设计、制造和生物力学的研究[D]. 王鹏.吉林大学 2008
本文编号：3131472
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：170 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
骨植入体在人体不同位置的分类示意图
骨移植以及骨替代材料植入法等进行治疗。自体骨游离移植简便，无排异反应；缺点是血运较差，抗感染力较弱，愈合过吸收明显，且手术损伤大，骨源有限，塑形困难[1]。特别是对于骨缺损，术中时间大量对骨瓣塑形，且往往难以恢复满意的面植入材料和结构的开发和应用是大面积骨缺损修复的主要研材料主要包括陶瓷、高分子聚合物和金属三大类。陶瓷材料与物相容性好，但加工性差，且强度和韧性低，仅适宜于非承重子聚合物易加工，但强度不足，且易降解并引起无菌性等炎症瓷和聚合物强度高，在承重骨修复方面具有独特优势。另一方复杂的外形，内部还呈现为复杂的梯度孔隙[3]，如图 1-2 所示质，由一根根内空的“柱子”累积构成；里层为低密度的骨松孔错综交织而成。因此，具有复杂个性化外形和梯度内部可控当下骨植入体的研究热点。
增材制造技术是 20 世纪 80 年代后期兴起的先进制造技术，采用材料逐层累加的方法直接由 3D 数字化模型制造实体零件，可实现复杂零件的快速成形，在骨植入体制造领域具有巨大的优势。少数采用增材制造技术生产的个性化植入体已经获得审批，并开始应用于临床。2009 年 AdvancedMedicalTechnologiesAG 公司生产的纯钛椎间融合器通过了欧洲合格认证。2014 年，西京医院完成了亚洲首例增材制造钛合金骨盆肿瘤假体植入术，同年世界首例增材制造钛合金锁骨和肩胛骨假体植入术也在西京医院实施成功。2015 年，北京爱康宜诚公司生产的增材制造钛合金人工髋关节产品获得国家食品药品监督管理局（CFDA）的注册批准，成为我国首个通过认证的增材制造骨与关节植入假体，迄今已有30余名患者接受了该假体的植入手术。在金属骨植入体增材制造技术中，基于粉床的激光选区熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）技术可制造近全致密、接近锻件性能的精细复杂零件，特别适合个性化骨植入体的制造。目前，SLM 已可成形不锈钢、钛合金、镍基高温合金、铝合金等材料，图 1-3 为 SLM 制造的典型个性化金属骨植入体。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国首个3D打印人体植入物获CFDA注册批准[J]. 仰东萍,蔡宏. 北京大学学报(医学版). 2015(05)
[2]新型医用Ti-35Nb-4Sn-6Mo-9Zr和Ti-35Nb-1.3Mo-3.7Zr合金在林格溶液中的电化学腐蚀行为[J]. 戴世娟,陈锋,王煜. 稀有金属材料与工程. 2014(S1)
[3]不锈钢粉末的选择性激光熔化快速成形工艺研究[J]. 史玉升,李瑞迪,章文献,刘锦辉. 电加工与模具. 2010(S1)
[4]光纤激光选区熔化316L不锈钢工艺优化[J]. 王迪,杨永强,吴伟辉. 中国激光. 2009(12)
[5]NiTi合金血管内支架表面改性及其生物相容性研究[J]. 沈阳,王贵学,全学军,俞青松. 中国医疗器械杂志. 2006(01)
博士论文
[1]医用合金粉末激光选区熔化成形工艺与性能研究[D]. 张升.华中科技大学 2014
[2]金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D]. 李瑞迪.华中科技大学 2010
[3]选择性激光熔化快速成形关键技术研究[D]. 章文献.华中科技大学 2008
[4]个体化钛合金示指掌指关节假体设计、制造和生物力学的研究[D]. 王鹏.吉林大学 2008
本文编号：3131472
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