羟基磷灰石多孔骨支架的光固化制备工艺及力学与生物学性能研究
发布时间：2022-01-19 20:17
骨组织工程为治疗骨缺损提供了一种新方法,支架结构对成功构建工程化骨组织具有重要作用,此领域涉及材料科学、制造科学和生物医学等多学科知识,虽未进入临床应用,但具有广阔发展前景。综合考虑骨支架的力学性能和生物学性能,设计和制备多孔结构是推进此技术发展的关键。本文提出了一种骨支架的结构设计方法,构建了一种非均布孔骨支架;建立了羟基磷灰石浆料在激光单线扫描下的固化模型,揭示了各工艺参数对固化线厚度和固化线宽度的影响规律;研究了工艺参数对骨支架成型质量、多孔结构对骨支架力学性能的影响规律;建立了骨支架内的多场作用模型,研究了骨支架内的孔壁应变、流体剪应力和细胞相浓度的分布规律;揭示了多孔结构对细胞增殖分布的影响规律,建立了骨支架内细胞增殖性能的预测模型。提出了一种骨支架的结构设计方法,构建了一种非均布孔骨支架,分析了骨密度变化规律、孔结构分布特点和单元不连续现象的影响因素。结果表明,随着迭代次数增加,处于应变能密度死区内的单元数先迅速增加,后趋于平缓,以最大骨密度或最小骨密度或应变能密度进入死区的方式缓慢达到收敛;骨支架纵向截面的孔道沿纵向分布且连续性较强,而横向截面的孔道呈不规则网状分布且连续...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１骨的结构层次划分图??骨组织是骨器官最基础成分，包含有机成分与无机成分复合而成的骨基质，??
山东大学博士学位论文??织内细胞进入活跃阶段，促使骨重建发生。其中，力学信号在目前研宄中较成??熟，所以本文采用力学激励骨重建理论。??外界力学环境改变，会引起骨骼结构和形态改变。例如，因某些疾病而改??变走路姿态，或身体长期保持固定姿态，或生活于太空无重力环境，上述情况??均可造成骨骼密度和微结构变化。在２０世纪９０年代，？１＊〇贫［１１７］提出了骨重建的??力学调控假说，图２－１是骨重建的力学调控过程，当骨骼检测到目前结构难以??适应外界负载时，则对骨细胞发出信息，启动骨重建的生理过程，直到骨结构??可适应外界负载时，停止信息传递，终止骨重建。上述过程是生物学上的反馈??调节机制，当然骨骼对外界力学环境做出的结构调节有一定限度。??为使反馈调节顺利进行，需具备四个关键因素，一是感应器，目前研究认??为是骨组织内各种细胞；二是激励信号，以力学信号最为普遍，例如应力、应??变、应变能密度、应变率等；三是确定的阈值，即激励信号在超出一定范围后??才会引起骨重建；四是信号传递方式，主要包括化学分子和生物电信号ｎ￥ｌ２Ｃ）］。??ｆ?外载荷］￣￣?ｆ?ｆｔ？重建］??应力１??疲变?Ｉ??ＮＪ／???（乃学激励信号）?Ｃｎｍｍ??应变率（?〒??ｖ一７１＾???＾???（与标准ｉ比较倍息＿传递）??图２－１骨重建的力学调控过程［１１７］??２．１．３骨重建的数学描述??骨骼可依据外界环境使自身形态和结构发生重建，这种特性称为骨的功能??适应性。骨对于力学信号的功能适应性，已形成一套较为成熟的理论体系，其??核心思想可用式（２－１）表示［ｎ８］：??＾＾＝Ｓ［Ｓ－（ｌ±ｃｏ）／ｃ］?（２－
第２章多孔骨支架的结构重建与设计方法研宄??式（２－１）中第一项＾＾表示骨重建速率，图２－２是骨重建速率与力学激??ａｔ??励信号的函数关系［１１８］。由图可见，当力学激励信号？Ｓｃｙ－ｗ从时，破骨细胞和??成骨细胞对骨质的吸收量大于生成量，骨重建速率（骨密度的变化率）为负值，??即骨密度持续减小；当从时，骨质的吸收量与生成量保持平衡，??骨密度不变；当时，骨质的吸收量小于生成量，骨重建速率为正值，??骨密度持续增大，且骨密度的变化率与激励信号呈线性关系，激励越强，则骨??密度变化率越大。??ｉｔ?ｔ?，??．ｆｔ?／??速?Ｚ????：＿羊＿ｚ?，??／力学激励他??图２－２骨重建速率与力学激励信号的函数关系｜１１８］??２．２多孔骨支架结构的重建与设计方法??２．２．１骨支架的设计要求??在骨组织工程领域，支架对细胞的附着、迁移、生长、增殖、分化和基因??表达等生命活动具有重要作用，决定能否成功体外构建工程化的骨组织，所以??对支架材料、结构和制备工艺均有一定要求，主要包括以下几方面。??（１）较高的孔隙率。孔隙率是支架结构的重要指标，一般认为，孔隙率越??高，越易促进细胞生长增殖和骨骼长入；??（２）?—定的孔结构。虽然目前对于最佳孔结构（孔形是方孔还是圆孔，孔??径是３００叫１还是５００｜＿ｉｍ，诸如此类问题）尚无定论，但是孔结构的确对细胞的??生命活动具有一定影响，是构建工程化骨组织的重要因素；??（３）较高的连通率。支架是细胞进行各种生命活动的场所，较高的连通率??有利于营养物质输送、废物排出、信号分子传输，从而对细胞的迁移或相互连??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔钛骨组织工程支架设计及孔结构表征[J]. 邓珍波,周长春,樊渝江,彭京平,朱向东,裴玄,殷国富,张兴栋. 稀有金属材料与工程. 2016(09)
[2]骨组织支架的计算机辅助设计方法综述[J]. 姚亚洲,谢劲松,范树迁. 图学学报. 2016(03)
[3]Bioprinting-Based High-Throughput Fabrication of Three-Dimensional MCF-7 Human Breast Cancer Cellular Spheroids[J]. Kai Ling,Guoyou Huang,Juncong Liu,Xiaohui Zhang,Yufei Ma,Tianjian Lu,Feng Xu. Engineering. 2015(02)
[4]基于有限元法的骨组织工程支架结构力学性能优化分析[J]. 王娟,乌日开西·艾依提,赵梦雅,滕勇. 医用生物力学. 2015(03)
[5]光固化快速成型双管道镁合金/生物陶瓷复合增强骨支架的力学性能研究[J]. 李常海,连芩,庄佩,王军忠,李涤尘. 生物医学工程学杂志. 2015(01)
[6]仿生多材料复合增强骨软骨支架的制造及性能研究[J]. 庄佩,连芩,李涤尘,贺健康,边卫国,王臻,靳忠民. 机械工程学报. 2014(21)
[7]3-D打印双管道聚乳酸/β-/-磷酸三钙生物陶瓷复合材料支架的力学性能研究[J]. 连芩,庄佩,李常海,靳忠民,李涤尘. 中国修复重建外科杂志. 2014(03)
[8]增材制造（3D打印）技术发展[J]. 卢秉恒,李涤尘. 机械制造与自动化. 2013(04)
[9]自体骨移植修复骨缺损的研究进展[J]. 马武秀,程迅生. 中国骨与关节损伤杂志. 2011(06)
[10]陶瓷浆料光固化快速成形特性研究及其工程应用[J]. 周伟召,李涤尘,陈张伟,卢秉恒. 航空制造技术. 2010(08)
博士论文
[1]单晶碳化硅晶片的激光—水射流复合近无损伤微细加工机理研究[D]. 冯少川.山东大学 2018
[2]紫外光快速成型技术及其应用研究[D]. 于殿泓.西安理工大学 2001
硕士论文
[1]复合结构人工骨支架微结构的设计研究[D]. 王娟.新疆大学 2015
[2]复合结构多孔钛合金支架设计及制作技术研究[D]. 王春晓.上海交通大学 2015
[3]氧化锆/氧化铝生物陶瓷选择性激光熔融成形研究[D]. 刘威.南京理工大学 2015
[4]松质骨微结构的图像分析与特性研究[D]. 程雪梅.重庆大学 2011
[5]骨重建及骨干横截面生长仿真分析[D]. 王坤.哈尔滨工业大学 2010
[6]计算流体力学两相流流动的模拟及两相流模型的研究[D]. 杨猛.天津大学 2005
本文编号：3597494
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１骨的结构层次划分图??骨组织是骨器官最基础成分，包含有机成分与无机成分复合而成的骨基质，??
山东大学博士学位论文??织内细胞进入活跃阶段，促使骨重建发生。其中，力学信号在目前研宄中较成??熟，所以本文采用力学激励骨重建理论。??外界力学环境改变，会引起骨骼结构和形态改变。例如，因某些疾病而改??变走路姿态，或身体长期保持固定姿态，或生活于太空无重力环境，上述情况??均可造成骨骼密度和微结构变化。在２０世纪９０年代，？１＊〇贫［１１７］提出了骨重建的??力学调控假说，图２－１是骨重建的力学调控过程，当骨骼检测到目前结构难以??适应外界负载时，则对骨细胞发出信息，启动骨重建的生理过程，直到骨结构??可适应外界负载时，停止信息传递，终止骨重建。上述过程是生物学上的反馈??调节机制，当然骨骼对外界力学环境做出的结构调节有一定限度。??为使反馈调节顺利进行，需具备四个关键因素，一是感应器，目前研究认??为是骨组织内各种细胞；二是激励信号，以力学信号最为普遍，例如应力、应??变、应变能密度、应变率等；三是确定的阈值，即激励信号在超出一定范围后??才会引起骨重建；四是信号传递方式，主要包括化学分子和生物电信号ｎ￥ｌ２Ｃ）］。??ｆ?外载荷］￣￣?ｆ?ｆｔ？重建］??应力１??疲变?Ｉ??ＮＪ／???（乃学激励信号）?Ｃｎｍｍ??应变率（?〒??ｖ一７１＾???＾???（与标准ｉ比较倍息＿传递）??图２－１骨重建的力学调控过程［１１７］??２．１．３骨重建的数学描述??骨骼可依据外界环境使自身形态和结构发生重建，这种特性称为骨的功能??适应性。骨对于力学信号的功能适应性，已形成一套较为成熟的理论体系，其??核心思想可用式（２－１）表示［ｎ８］：??＾＾＝Ｓ［Ｓ－（ｌ±ｃｏ）／ｃ］?（２－
第２章多孔骨支架的结构重建与设计方法研宄??式（２－１）中第一项＾＾表示骨重建速率，图２－２是骨重建速率与力学激??ａｔ??励信号的函数关系［１１８］。由图可见，当力学激励信号？Ｓｃｙ－ｗ从时，破骨细胞和??成骨细胞对骨质的吸收量大于生成量，骨重建速率（骨密度的变化率）为负值，??即骨密度持续减小；当从时，骨质的吸收量与生成量保持平衡，??骨密度不变；当时，骨质的吸收量小于生成量，骨重建速率为正值，??骨密度持续增大，且骨密度的变化率与激励信号呈线性关系，激励越强，则骨??密度变化率越大。??ｉｔ?ｔ?，??．ｆｔ?／??速?Ｚ????：＿羊＿ｚ?，??／力学激励他??图２－２骨重建速率与力学激励信号的函数关系｜１１８］??２．２多孔骨支架结构的重建与设计方法??２．２．１骨支架的设计要求??在骨组织工程领域，支架对细胞的附着、迁移、生长、增殖、分化和基因??表达等生命活动具有重要作用，决定能否成功体外构建工程化的骨组织，所以??对支架材料、结构和制备工艺均有一定要求，主要包括以下几方面。??（１）较高的孔隙率。孔隙率是支架结构的重要指标，一般认为，孔隙率越??高，越易促进细胞生长增殖和骨骼长入；??（２）?—定的孔结构。虽然目前对于最佳孔结构（孔形是方孔还是圆孔，孔??径是３００叫１还是５００｜＿ｉｍ，诸如此类问题）尚无定论，但是孔结构的确对细胞的??生命活动具有一定影响，是构建工程化骨组织的重要因素；??（３）较高的连通率。支架是细胞进行各种生命活动的场所，较高的连通率??有利于营养物质输送、废物排出、信号分子传输，从而对细胞的迁移或相互连??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔钛骨组织工程支架设计及孔结构表征[J]. 邓珍波,周长春,樊渝江,彭京平,朱向东,裴玄,殷国富,张兴栋. 稀有金属材料与工程. 2016(09)
[2]骨组织支架的计算机辅助设计方法综述[J]. 姚亚洲,谢劲松,范树迁. 图学学报. 2016(03)
[3]Bioprinting-Based High-Throughput Fabrication of Three-Dimensional MCF-7 Human Breast Cancer Cellular Spheroids[J]. Kai Ling,Guoyou Huang,Juncong Liu,Xiaohui Zhang,Yufei Ma,Tianjian Lu,Feng Xu. Engineering. 2015(02)
[4]基于有限元法的骨组织工程支架结构力学性能优化分析[J]. 王娟,乌日开西·艾依提,赵梦雅,滕勇. 医用生物力学. 2015(03)
[5]光固化快速成型双管道镁合金/生物陶瓷复合增强骨支架的力学性能研究[J]. 李常海,连芩,庄佩,王军忠,李涤尘. 生物医学工程学杂志. 2015(01)
[6]仿生多材料复合增强骨软骨支架的制造及性能研究[J]. 庄佩,连芩,李涤尘,贺健康,边卫国,王臻,靳忠民. 机械工程学报. 2014(21)
[7]3-D打印双管道聚乳酸/β-/-磷酸三钙生物陶瓷复合材料支架的力学性能研究[J]. 连芩,庄佩,李常海,靳忠民,李涤尘. 中国修复重建外科杂志. 2014(03)
[8]增材制造（3D打印）技术发展[J]. 卢秉恒,李涤尘. 机械制造与自动化. 2013(04)
[9]自体骨移植修复骨缺损的研究进展[J]. 马武秀,程迅生. 中国骨与关节损伤杂志. 2011(06)
[10]陶瓷浆料光固化快速成形特性研究及其工程应用[J]. 周伟召,李涤尘,陈张伟,卢秉恒. 航空制造技术. 2010(08)
博士论文
[1]单晶碳化硅晶片的激光—水射流复合近无损伤微细加工机理研究[D]. 冯少川.山东大学 2018
[2]紫外光快速成型技术及其应用研究[D]. 于殿泓.西安理工大学 2001
硕士论文
[1]复合结构人工骨支架微结构的设计研究[D]. 王娟.新疆大学 2015
[2]复合结构多孔钛合金支架设计及制作技术研究[D]. 王春晓.上海交通大学 2015
[3]氧化锆/氧化铝生物陶瓷选择性激光熔融成形研究[D]. 刘威.南京理工大学 2015
[4]松质骨微结构的图像分析与特性研究[D]. 程雪梅.重庆大学 2011
[5]骨重建及骨干横截面生长仿真分析[D]. 王坤.哈尔滨工业大学 2010
[6]计算流体力学两相流流动的模拟及两相流模型的研究[D]. 杨猛.天津大学 2005
本文编号：3597494
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