多孔骨组织工程支架的优化设计与可控构建

发布时间：2023-04-30 02:22

　　随着先进的计算机辅助设计(CAD)和三维打印技术(3DP)的快速发展,使得设计、制造具有复杂仿生结构的骨组织工程支架成为可能。本文将典型的三周期极小化曲面(TPMS)结构与梯度渐变结构变化、拓扑优化紧密结合,建立以力学性能优化为目标的多孔支架设计方法。同时,基于3DP技术实现了支架可控构建,并对支架进行力学性能测试。本文主要的研究工作如下:(1)多孔支架外轮廓和微观结构的构建。应用基于CT的逆向建模技术构建骨骼外轮廓模型;采用TPMS函数构建P、G、D三种典型的支架微观结构,并实现单模型函数渐变和多模型复合函数渐变。研究表明:三种典型规则结构等效应力与等效应变的值均与加载力成正比,与孔隙率成反比,其弹性模量范围为1.1-6GPa,满足弹性模量的要求。有限元分析结果显示D结构模型在相同载荷条件下具有最小的应力应变,结构稳定性较好。因此,将D结构模型与之前构建的外轮廓模型进行布尔运算,获得了TPMS股骨状支架模型,其最大等效应力23.452MPa、等效应变2.56×10^-3mm/mm,弹性模量4.5GPa,孔隙率为60%,网状多孔结构符合自然骨结构特征和力学强度要求。...

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 骨组织工程支架及其设计
        1.2.1 自然骨微观结构及力学性质
        1.2.2 仿生支架要求
        1.2.3 仿生骨支架国内外研究现状
    1.3 三维打印技术及其在生物医学领域的应用
        1.3.1 三维打印技术简介
        1.3.2 三维打印技术在生物医学领域的应用研究
    1.4 主要研究内容
        1.4.1 课题来源
        1.4.2 本文的主要研究内容
第二章 多孔支架模型优化设计方法
    2.1 引言
    2.2 骨重建理论
    2.3 多孔支架的建模原则与方法
        2.3.1 外轮廓的建模与控制
        2.3.2 微观结构的建模与控制
    2.4 有限元分析在支架设计中的应用
    2.5 本章小结
第三章 多孔支架结构的构建及有限元分析
    3.1 引言
    3.2 支架外部轮廓的构建
        3.2.1 CT图像数据处理
        3.2.2 Mimics软件获得轮廓信息
        3.2.3 片体实体化
    3.3 支架微观结构的设计
        3.3.1 基于TPMS函数规律模型的设计
        3.3.2 基于TPMS函数渐变模型的设计
    3.4 支架结构的有限元分析
        3.4.1 最大等效应力及最大等效应变分布
        3.4.2 模型的弹性模量
        3.4.3 单一渐变结构模型的孔隙率变化
    3.5 基于TPMS函数的多孔支架仿生优化设计
    3.6 本章小结
第四章 多孔支架的拓扑优化设计
    4.1 引言
    4.2 拓扑优化理论和原理
    4.3 基于Hyperwork对支架拓扑优化
        4.3.1 模型的导入以及几何清理
        4.3.2 定义模型的材料与属性
        4.3.3 网格划分
        4.3.4 支架结构性能分析
    4.4 优化对比
    4.5 本章小结
第五章 多孔支架的可控构建及性能测试
    5.1 引言
    5.2 光固化成型工艺介绍
    5.3 多孔支架力学行为和性能的模拟研究
        5.3.1 多孔支架的制备
        5.3.2 分析方式
        5.3.3 力学性能测试分析
    5.4 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 研究展望
致谢
参考文献
攻读学位期间所取得的相关科研成果
附录一 mathematic绘图程序



本文编号：3806224