基于3D打印的人工骨骼支架结构设计
发布时间:2021-05-31 23:05
人工骨骼支架是骨缺损修复的一种人工移植骨骼材料,其内部结构形态及尺寸对于引导骨骼和组织的再生有重要影响。当前,人工骨骼支架结构设计存在着设计层次单一、支架性能有待提高等问题,因此探明骨骼支架胞元孔隙形状和结构尺寸对其力学性能、生物学性能的影响,结合3D打印技术的特点进行支架的结构设计研究,为设计制造出更符合实际医疗要求的人工骨骼支架结构提供理论基础。本文在分析人工骨骼支架实际功能要求和设计标准的基础上,主要从满足骨骼支架的力学性能和生物学性能这两方面来考虑骨骼支架结构设计。首先,通过拓扑设计、形状设计得到人工骨骼支架的胞元结构;然后,分析胞元孔隙形状和结构尺寸对力学性能、生物学性能的影响,得到其压缩应力、渗透率分别与结构尺寸的关系;再结合改进的粒子群算法得到骨骼支架的胞元结构尺寸;最后,根据人体股骨中段外部轮廓和内部孔隙胞元建立人工骨骼支架三维模型,利用SLA打印机实现制造,并通过试验验证所制人工骨骼支架满足实际功能要求。主要研究内容如下:1、分析人工骨骼支架的具体实际功能要求和设计标准,确定骨骼支架的结构设计要求为合适的力学性能(力学压缩性能)及生物学性能(孔隙连通性、生物渗透性),...
【文章来源】:广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】:89 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
图1-1椎骨Micro-CT文件扫描重建后的椎骨结构??
外表面向内的应力。根据人工骨骼支架胞元在拓扑设计阶段的设计目标,需要得到满足??孔隙连通性要求且力学压缩性能优的胞元结构形状。在两种载荷工况下设计目标设置为??胞元刚度最大,约束目标设置为质量保留百分比的多少。拓扑设计的工作流程如图2-2??所示。??▼?:??A??▼?B?▼?C??11^31?1ISE?1?EE??2???Engineering?Data?V?A?■?2?^?Engineering?Data?A?2???Engineering?Data?V?A??3?^?Geometry?>/?A'?■?3?Geometry?V?A?^?3?^?Geometry?V?▲??4???Model?v/?A?14???Model?V?▲?/?4?_?Model?J?▲??5?Setup?V?A?5?(Jj?Setup?V?A?j?5?(Jj?Setup?V?▲??6?(jj?Solution?y?A?_6?Solution?>/?A?/?6?嘯?Solution?>/?A??7?Results?V?▲?7?^?Results?V?7?Results?V?▲??Static?Structural?Topology?Optimization?Static?Structural??图2-2拓扑设计工作流程??Fig.?2-2?The?workflow?of?topology?design??在对胞元初始结构进行拓扑设计前,通过设置材料属性、划分实体网格、确定拓扑??设计区域并施加载荷三个步骤进行结构拓扑设计前分析。拓扑设计分析前的网格划分、?
前处理会导致拓扑设计无法顺利完成。在拓扑设计前,对两种载荷工况下的正六面体结??构进行受力分析,两种载荷工况下施加的载荷、约束条件及von-Mises应力分布分别如??图2-3、2-4所示。??(a)载荷、约束条件?(b)?von-Mises应力图??图2-3载荷工况(1)下的载荷、约束条件及von-Mises应力图??Fig.?2-3?Load,?constraint?conditions?and?von-Mises?stress?diagram?under?condition?(1)?? ̄?^^hHh?mmm??—湖?Ti?丨丨?1?撕一??o.r??ojm?O.im??(a)载荷、约束条件?(b)?von-Mises应力图??图24载荷工况(2)下的载荷、约束条件及von-Mises应力图??Fig.?2-4?Load,?constraint?conditions?and?von-Mises?stress?diagram?under?condition?(2)??在拓扑设计阶段将约束目标设置为10%,?20%,30%,40%,?50%,?60%,?70%,?80%??的质量保留百分比。拓扑设计解与常规解一样使用ANSYS求解器进行有限元求解,利??用分布式求解来加快求解过程,经过多次迭代后得到拓扑设计的收敛图形,两种载荷工??况在不同质量保留百分比下的拓扑优化后结构分别如图2-5、2-6所示。??16??
【参考文献】:
期刊论文
[1]3D打印中支撑结构因素的技术分析[J]. 樊佳. 机械工程与自动化. 2018(01)
[2]选区激光熔融技术制备多孔支架及其单元结构的拓扑优化[J]. 陈继民,王颖,曹玄扬,李东方. 北京工业大学学报. 2017(04)
[3]行走中股骨生物力学特性的有限元分析[J]. 杨挺,郑建河,姚子龙,马立敏,张余. 广东医学. 2016(04)
[4]可移植人体外耳支架的3D打印关键技术[J]. 尚建忠,蒋涛,唐力,王卓. 国防科技大学学报. 2016(01)
[5]激光选区熔化成型CoCrMo多孔结构的设计与性能研究[J]. 张国庆,杨永强,宋长辉,王赟达,余家阔. 中国激光. 2015(11)
[6]3D打印骨组织工程支架的研究与应用[J]. 曹雪飞,宋朋杰,乔永杰,甄平. 中国组织工程研究. 2015(25)
[7]3D打印技术在生物医学工程中的研究及应用[J]. 周长春,王科峰,肖占文,张兴栋. 科技创新与应用. 2014(21)
[8]金属多孔材料孔结构表征技术[J]. 许佩敏,张健,孙旭东,奚正平. 热加工工艺. 2009(12)
[9]应用CT断层图像快速构建人体骨骼有限元几何模型的方法[J]. 傅栋,靳安民. 中国组织工程研究与临床康复. 2007(09)
[10]多孔结构表征及分形理论研究简况[J]. 朱纪磊,奚正平,汤慧萍,谈萍. 稀有金属材料与工程. 2006(S2)
博士论文
[1]粒子群算法研究及其工程应用案例[D]. 邵晴.吉林大学 2017
[2]3D打印中的结构优化问题研究[D]. 徐文鹏.中国科学技术大学 2016
[3]多孔金属纤维烧结板制造及在制氢微反应器中的作用机理[D]. 周伟.华南理工大学 2010
硕士论文
[1]医学图像三维重建技术研究[D]. 雷若鸣.兰州大学 2017
[2]3D打印间孔结构人工骨支架复合自体骨的异位成骨研究[D]. 滕强.广州中医药大学 2016
[3]金属纤维多孔结构的TPMS建模与渗透性能仿真研究[D]. 李卓.华南理工大学 2015
[4]3D打印技术在骨结构重建的应用[D]. 马健超.吉林大学 2015
[5]金属纤维烧结板微观结构特征分析及参数可控模型研究[D]. 李伟晨.华南理工大学 2014
[6]功能性踝关节不稳者步态的生物力学特征[D]. 郭文辉.苏州大学 2013
[7]人工骨组织仿生结构造型技术研究[D]. 哈达.东北大学 2012
[8]股骨三维重建与生物力学特性分析及实验研究[D]. 罗承刚.重庆大学 2004
本文编号:3209148
【文章来源】:广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】:89 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
图1-1椎骨Micro-CT文件扫描重建后的椎骨结构??
外表面向内的应力。根据人工骨骼支架胞元在拓扑设计阶段的设计目标,需要得到满足??孔隙连通性要求且力学压缩性能优的胞元结构形状。在两种载荷工况下设计目标设置为??胞元刚度最大,约束目标设置为质量保留百分比的多少。拓扑设计的工作流程如图2-2??所示。??▼?:??A??▼?B?▼?C??11^31?1ISE?1?EE??2???Engineering?Data?V?A?■?2?^?Engineering?Data?A?2???Engineering?Data?V?A??3?^?Geometry?>/?A'?■?3?Geometry?V?A?^?3?^?Geometry?V?▲??4???Model?v/?A?14???Model?V?▲?/?4?_?Model?J?▲??5?Setup?V?A?5?(Jj?Setup?V?A?j?5?(Jj?Setup?V?▲??6?(jj?Solution?y?A?_6?Solution?>/?A?/?6?嘯?Solution?>/?A??7?Results?V?▲?7?^?Results?V?7?Results?V?▲??Static?Structural?Topology?Optimization?Static?Structural??图2-2拓扑设计工作流程??Fig.?2-2?The?workflow?of?topology?design??在对胞元初始结构进行拓扑设计前,通过设置材料属性、划分实体网格、确定拓扑??设计区域并施加载荷三个步骤进行结构拓扑设计前分析。拓扑设计分析前的网格划分、?
前处理会导致拓扑设计无法顺利完成。在拓扑设计前,对两种载荷工况下的正六面体结??构进行受力分析,两种载荷工况下施加的载荷、约束条件及von-Mises应力分布分别如??图2-3、2-4所示。??(a)载荷、约束条件?(b)?von-Mises应力图??图2-3载荷工况(1)下的载荷、约束条件及von-Mises应力图??Fig.?2-3?Load,?constraint?conditions?and?von-Mises?stress?diagram?under?condition?(1)?? ̄?^^hHh?mmm??—湖?Ti?丨丨?1?撕一??o.r??ojm?O.im??(a)载荷、约束条件?(b)?von-Mises应力图??图24载荷工况(2)下的载荷、约束条件及von-Mises应力图??Fig.?2-4?Load,?constraint?conditions?and?von-Mises?stress?diagram?under?condition?(2)??在拓扑设计阶段将约束目标设置为10%,?20%,30%,40%,?50%,?60%,?70%,?80%??的质量保留百分比。拓扑设计解与常规解一样使用ANSYS求解器进行有限元求解,利??用分布式求解来加快求解过程,经过多次迭代后得到拓扑设计的收敛图形,两种载荷工??况在不同质量保留百分比下的拓扑优化后结构分别如图2-5、2-6所示。??16??
【参考文献】:
期刊论文
[1]3D打印中支撑结构因素的技术分析[J]. 樊佳. 机械工程与自动化. 2018(01)
[2]选区激光熔融技术制备多孔支架及其单元结构的拓扑优化[J]. 陈继民,王颖,曹玄扬,李东方. 北京工业大学学报. 2017(04)
[3]行走中股骨生物力学特性的有限元分析[J]. 杨挺,郑建河,姚子龙,马立敏,张余. 广东医学. 2016(04)
[4]可移植人体外耳支架的3D打印关键技术[J]. 尚建忠,蒋涛,唐力,王卓. 国防科技大学学报. 2016(01)
[5]激光选区熔化成型CoCrMo多孔结构的设计与性能研究[J]. 张国庆,杨永强,宋长辉,王赟达,余家阔. 中国激光. 2015(11)
[6]3D打印骨组织工程支架的研究与应用[J]. 曹雪飞,宋朋杰,乔永杰,甄平. 中国组织工程研究. 2015(25)
[7]3D打印技术在生物医学工程中的研究及应用[J]. 周长春,王科峰,肖占文,张兴栋. 科技创新与应用. 2014(21)
[8]金属多孔材料孔结构表征技术[J]. 许佩敏,张健,孙旭东,奚正平. 热加工工艺. 2009(12)
[9]应用CT断层图像快速构建人体骨骼有限元几何模型的方法[J]. 傅栋,靳安民. 中国组织工程研究与临床康复. 2007(09)
[10]多孔结构表征及分形理论研究简况[J]. 朱纪磊,奚正平,汤慧萍,谈萍. 稀有金属材料与工程. 2006(S2)
博士论文
[1]粒子群算法研究及其工程应用案例[D]. 邵晴.吉林大学 2017
[2]3D打印中的结构优化问题研究[D]. 徐文鹏.中国科学技术大学 2016
[3]多孔金属纤维烧结板制造及在制氢微反应器中的作用机理[D]. 周伟.华南理工大学 2010
硕士论文
[1]医学图像三维重建技术研究[D]. 雷若鸣.兰州大学 2017
[2]3D打印间孔结构人工骨支架复合自体骨的异位成骨研究[D]. 滕强.广州中医药大学 2016
[3]金属纤维多孔结构的TPMS建模与渗透性能仿真研究[D]. 李卓.华南理工大学 2015
[4]3D打印技术在骨结构重建的应用[D]. 马健超.吉林大学 2015
[5]金属纤维烧结板微观结构特征分析及参数可控模型研究[D]. 李伟晨.华南理工大学 2014
[6]功能性踝关节不稳者步态的生物力学特征[D]. 郭文辉.苏州大学 2013
[7]人工骨组织仿生结构造型技术研究[D]. 哈达.东北大学 2012
[8]股骨三维重建与生物力学特性分析及实验研究[D]. 罗承刚.重庆大学 2004
本文编号:3209148
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/ruanjiangongchenglunwen/3209148.html