基于3D打印技术的下颌骨三维网状钛修复体设计及制造研究

发布时间：2017-12-07 04:27

本文关键词：基于3D打印技术的下颌骨三维网状钛修复体设计及制造研究

【摘要】：[研究背景]下颌骨缺损造成连续性中断有多种原因,包括颌面创伤、骨髓炎、骨坏死,良性或恶性肿瘤的切除等。长期以来,尽管有各种修复重建方法的应用,节段性下颌骨缺损修复仍然是一个挑战。临床恢复下颌骨连续性时应用成型钛板或个性化钛修复体应具有适当的外形和良好的生物相容性,重建的结果往往是不能良好构建复杂的面部轮廓和功能恢复。利用三维网状钛支架的组织工程技术为骨组织的修复和重建提供了新的思路和方法。金属3D打印技术使得更大设计自由度的复杂结构钛支架可以被制造出来,可更好调控修复体结构及力学参数以达到良好力学相容性。对个性化下颌骨修复体进行三维网状化设计和制造是一项非常有意义的研究。[目的]研究用于下颌骨缺损修复重建的三维网状组织工程支架理想建模方法及理论力学模型分析、结构优化设计,并用3D打印制备钛支架对提出建模设计方法的可行性、有效性进行验证。[方法]第一部分对下颌骨缺损个性化修复体重建的临床病例进行生物力学分析,提出下颌骨个性化修复体生物力学要求。第二部分基于3D打印技术建立用于个性化下颌骨缺损修复重建三维网状修复体支架的力学模型,并在遵循良好的生物力学分布的基础上尽量减少异质材料的设计原则,采用UG NX 8.0软件建立规则网状结构与修复体外形模型之间布尔运算获得满足组织工程要求的支架及结合ANSYS 14.0软件设计支架内部三维网状结构的建模方法。根据以最小的重量实现支架最大的强度和最优的结构的优化目的通过理论模型分析对支架三维网状结构拓扑优化以满足缺损区域修复的机械和生物需求,获得轻量化、高孔隙率、生物力学仿生分布的支架模型第三部分采用金属3D打印技术(EBM)直接成型制备三维网状结构Ti-6Al-4V支架,对上述建模方法及成型技术的可行性进行验证。第四部分通过金属3D打印技术设计及制造完成Ti-6Al-4V丝材、板材及不同丝径、孔隙率的三维网状支架对微观组织及力学性能进行了分析。[结果]数字化建模方法完成三维网状支架结构设计,其中有限元拓扑优化使应力峰值下降10%,体积减小43%,孔隙率提高到76.32%,通过电子束熔化技术(EBM)制备成型三维网状钛修复体。金属3D打印制备的Ti-6Al-4V样件力学性能试验结果化学成分及微观组织结构均满足钛合金标准要求。丝径0.5mm,孔隙率88.5%三维网状结构抗压极限强度达到131N,可以满足下颌骨修复体力学强度要求。[结论]设计三维网状支架可以应用多种方法,在设计过程中考虑机械和生物学要求,进行力学分析和优化来获得理想的下颌骨三维网状修复体支架是重要的,3D打印技术可以有效地完成三维网状支架制作。
【学位授予单位】：中国人民解放军医学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R782;TP391.73

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