个体化组织工程骨支架仿生设计与优化

发布时间：2020-09-03 16:29

　　 组织工程骨支架是目前最理想的人体缺损骨替代物,对临床上治疗骨缺损疾病具有非常重要的经济价值和现实意义。但是目前使用的组织工程骨支架仍然存在仿形程度低、生物活性差、与待植入组织部位力学性能不匹配的问题。基于此,本文以人体承力骨为研究对象,应用仿生学的原理,根据天然承力骨内部微孔结构形貌特征,设计了具有渐变结构的微孔单胞模型。在此基础上,利用ADINA对其力学性能和渗透性能进行了分析研究,并提出两种将仿生骨内部微孔结构同骨实体外形结合的建模方法。主要研究工作如下:(1)针对目前仿生骨微孔结构设计中存在的孔隙结构单一、连通性差的问题,应用仿生设计的原理,以天然承力骨内部微孔结构形貌特征为基础,设计了三种具有渐变结构的新型承力骨内部微孔单胞模型。在此基础上,以人体承力骨力学性能为指标,利用ADINA对单胞模型的设计参数进行了优化分析。结果表明:单胞模型的设计参数对其孔隙率和弹性模量均有一定的影响,且弹性模量值随着孔隙率的增大而减小。经优化的三种单胞模型均满足人体承力骨孔隙率(5%~90%)和弹性模量(10~30GPa)的需求,均可用于人体承力骨支架的设计。(2)在微孔单胞模型力学性能分析的基础上,利用计算流体动力学的方法对骨支架微孔结构内流体力学环境进行分析研究,得到了不同微孔单胞模型内压力场和速度场分布。其次利用达西定律,得到了单胞微结构的比渗透率k值。结果表明:采用达西定律得到的单胞微结构渗透性能与模拟微孔内流体力学环境得到的结论具有很好的一致性。通过对不同单胞模型微孔内流体力学环境和比渗透率k的对比分析,发现开口杆状单胞模型具有最优的流体运输性能。(3)基于有限元形函数映射和构建实体几何理论,提出了两种将仿生骨内部微孔结构同骨实体外形结合的建模方法:第一,基于手工组装骨支架建模方法;第二,基于形函数和六面体网格划分骨支架建模方法。对于上述两种方法,均给出了具体的建模思路和实例,并就第二种骨支架建模方法,利用UG/open grip语言开发了支架自动生成程序。结果表明:基于形函数和六面体网格划分骨支架建模方法具有建模效率快、可控性好和仿形精度高的优点,为组织工程骨支架仿生设计及快速成型制造奠定了基础。
【学位单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R318.08
【部分图文】：

图 1-1 天然骨骼内微孔结构形态Figure 1-1 Micropore structure of natural skeleton 基于规则几何体的设计颖坚[5]提出了四种普遍采用的松质骨细观结构胞体模型，见图 1-2 所示，从角分别为开口杆状网络模型、带孔板的框架模型、棱柱形结构模型和平行。并指出骨的细观构造是受其力学功能直接调控的，也就是说人和动物不所以有着不同密度和形状主要是与该部位在较长时间内所承受的力学激励如：开口杆状网络模型作为一种等轴胞体结构它可承受沿三个主应力大小；棱柱形结构模型可模拟沿棱柱壁方向的载荷值远大于其他方向的骨；沿骼则可选用平行板状结构模型。若承受较重的载荷则其胞体壁变厚，形成模型。

图 1-1 天然骨骼内微孔结构形态Figure 1-1 Micropore structure of natural skeleton几何体的设计了四种普遍采用的松质骨细观结构胞体模型，见图 1-开口杆状网络模型、带孔板的框架模型、棱柱形结构模骨的细观构造是受其力学功能直接调控的，也就是说人不同密度和形状主要是与该部位在较长时间内所承受的杆状网络模型作为一种等轴胞体结构它可承受沿三个主结构模型可模拟沿棱柱壁方向的载荷值远大于其他方向用平行板状结构模型。若承受较重的载荷则其胞体壁变

.Chua[6]等人提出了利用多面体构建单胞模型的方法，可采用柏拉图固体体、棱柱体、反棱柱体和阿基米德对偶体来创建多面体单胞模型。根据合时，能否满足支架力学性能和可成型性能这两个排除准则对多面体单了大大简化，最终得到了满足要求的 11 种多面体单胞模型，然后在这 1单胞结构的基础上，将多面体原来每条棱边转化为横截面为三角形的固体结构。该结构类似一种开口杆状横梁结构，并建立了不同胞体模型的变支柱的厚度、宽度和长度，即可调整单胞结构的尺寸大小，以满足不求。A.Wettergreen[7]创建了两种类型的单胞模型，第一类为利用孔隙填充几何单胞模型，这种方法主要是通过布尔运算将孔隙结构叠加到球体或立方体得所需的中空或壳形结构。第二类为近似线框形结构的基本几何多面体阿基米德固体，这种方法主要是将原始封闭多面体的每个边转化成具有柱从而形成一种开孔单胞结构。同时为了解决不同单胞微结构在组装时连续的情况，作者在单胞模型的每个面规则地布置了具有公用接口的相同见图 1-3。

【参考文献】

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本文编号：2811681