陶瓷—金属复合人工骨仿生结构设计基础研究

发布时间：2017-04-24 06:09

  本文关键词：陶瓷—金属复合人工骨仿生结构设计基础研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：骨组织工程支架是构建组织工程活性骨的前提，其结构和生理机能决定了大段仿生人工骨的成骨性能。因此支架不仅要具备与所替代部位的骨骼外形相匹配，而且要具备三维贯通的微结构为组织的长入、再生、营养输送和代谢提供通道，同时更要具备足够的强度去承受宿主组织环境中的压力为新长的组织提供暂时的力学支撑，这也是大段仿生人工骨的研究难点。针对该难点，本文利用不同材料具有的不同的生物性能和力学性能，提出使用陶瓷材料制备仿生人工骨的微结构，钛合金材料制备仿生人工骨的轮廓结构，并且利用流体力学对仿生人工骨微结构进行了优化选取，利用力学实验对仿生人工骨结构进行力学验证。同时采用快速成形技术制备仿生骨支架负型，对仿生骨支架的成形工艺进行了初步研究。 对股骨在复杂受力下应力分析研究的基础上，对股骨进行了数值模拟分析。应用Mimics软件将股骨CT数据以DICOM格式导入，生成股骨三维模型，对模型进行面网格划分、物理材料赋值，应用ANSYS软件实现三维模型体网格划分，并根据股骨骨折机制，设置股骨头传递关节力的大小和作用点位置，以用来模拟股骨在正常活动和突发状况下的形变和应力分布，得出股骨骨折的应力特征和应力趋势。数值仿真结果与股骨骨折机制相符合，为股骨缺损修复研究提供了基础。 通过对假体置换后股骨距受力规律的研究，建立出六种不同密度的支架结构，并分别对这几种结构进行受力分析，选择可承受最大受力的支架结构，然后根据股骨距的尺寸特征，建立适合的支架结构进行受力分析，与股骨距路径受力曲线进行比较。并以此支架结构建立仿生人工骨支架，通过逐步减小支架密度的方式，达到与股骨距应力趋势相符的目的。 在对自然骨微孔结构研究的基础上，建立了六个具有三维贯通的正交型微孔道人工骨模型，其中孔径为400m的支架4个，孔径为600m的支架2个。由Wolff定律可知骨细胞的增殖与所受的剪切力密切相关，结合N-S方程对本次设计的六个仿生人工骨微结构进行优劣评价，将六种微结构放入相同的流场环境中分析，将数值分析结果进行对比，并与利于骨细胞增殖的剪切力范围对比，结果表明仿生骨微结构孔隙率对于剪切力的影响不大，相反微结构孔径的大小对剪切力起主导作用。 在对人工骨仿生支架负型制造法研究的基础上，，建立了两种带有微孔道的仿生人工骨支架负型，即正交型和轮辐型。结合快速成形技术建立支架负型的实体模型，并向其中填充生物材料，烧结后得到具有生物活性的人工骨支架。对不同填充法和不同处理方式下，人工骨支架的烧结效果进行分析讨论，得出支架烧结后碎裂的原因，对仿生人工骨支架的成型工艺进行了初步研究。
【关键词】：仿生人工骨 股骨数值分析 支架结构 微结构 成型工艺
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 研究背景及课题意义9-10
• 1.2 仿生人工骨的发展10-17
• 1.2.1 现有仿生人工骨结构10-13
• 1.2.2 现有仿生人工骨材料13-16
• 1.2.3 现有仿生人工骨制作工艺16-17
• 1.3 论文研究内容17-20
• 1.3.1 主要研究内容17-18
• 1.3.2 总体技术路线18-19
• 1.3.3 论文章节安排19-20
• 2 股骨损伤数值模拟研究20-33
• 2.1 骨的基本结构20-21
• 2.2 股骨三维有限元模型的建立21-26
• 2.2.1 股骨医学图像三维重建21-24
• 2.2.2 股骨三维模型优化24-25
• 2.2.3 股骨模型材料属性25-26
• 2.3 股骨数值模拟仿真26-31
• 2.3.1 边界条件及载荷的设置27-28
• 2.3.2 股骨变形和应力分析28-31
• 2.4 本章小结31-33
• 3 人工骨仿生结构的设计研究33-42
• 3.1 髋假体植入后的股骨模拟分析33-37
• 3.1.1 人工髋假体的简化设计33-35
• 3.1.2 髋关节置换后股骨距受力研究35-37
• 3.2 人工骨仿生结构设计研究37-40
• 3.3 建立人工骨仿生结构40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 人工骨仿生微结构的设计研究42-54
• 4.1 仿生微结构的设计准则42-43
• 4.2 纳维-斯托克斯方程(N-S 方程)43-49
• 4.3 仿生微结构的流体力学分析49-52
• 4.3.1 流体分析模型建立49-50
• 4.3.2 结果分析及优劣评价50-52
• 4.4 建立人工骨仿生微结构52
• 4.5 本章小结52-54
• 5 仿生人工骨支架成型工艺研究54-70
• 5.1 支架制备技术路线54
• 5.2 支架规则微管道结构设计54-56
• 5.3 支架负型快速成型制造技术56-58
• 5.4 人工骨仿生支架成型工艺研究58-66
• 5.4.1 实验前期准备58
• 5.4.2 支架成型工艺研究58-66
• 5.5 人工骨支架力学性能初步研究66-68
• 5.6 分析与讨论68-70
• 6 结论与展望70-72
• 6.1 结论70-71
• 6.2 展望71-72
• 参考文献72-75
• 攻读硕士期间发表的论文75-76
• 致谢76

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  本文关键词：陶瓷—金属复合人工骨仿生结构设计基础研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：323692