利用CT数据构建3D打印骨组织工程支架材料的研究
本文关键词：利用CT数据构建3D打印骨组织工程支架材料的研究，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：一、研究背景骨缺损是外科常见的问题之一,创伤、感染、肿瘤、骨髓炎手术清创、以及各种先天性疾病都可能导致骨缺损[1]。因此对于骨缺损修复的研究,越发受到学者及医务工作者的关注。骨组织工程作为治疗骨缺损的方法之一,是目前相关领域研究的热点和难点。相比于骨移植技术,骨组织工程取材来源广泛,不易引起排异反应,同时由于便于生产,有助于大规模制造和降低成本,因此该领域成为了近年来学者们研究的热点。但骨组织工程支架的制备发展到今天,仍存在很多制约其成骨性能的问题尚未解决。如,成骨能力仍显不足;制备出来的支架材料不能与不规则的骨损伤区域完全匹配,间隙的存在明显影响成骨;孔隙连通性不好;形态结构与缺损区骨结构不协调;支架材料的降解速率不可控,等等。此时,3D打印技术的逐渐成熟,为解决这些问题带来了希望。将3D打印技术引入到骨组织工程支架的制备方法中,颠覆了传统的制备方法,通过可设计的支架结构和孔隙形态,使获得的支架能够拥有更好的形态、理化性能及成骨活性。尤其是利用此技术可以使支架材料与骨缺损区的形态高度匹配。本文旨在介绍一种3D打印支架的新的设计方法,利用患者的CT数据,对骨缺损区进行三维重建,借助计算机辅助设计,在3D数据模型基础上构建支架模型并用于加工。二、研究目的利用患者的CT数据,应用Mimics软件精细化对骨缺损区建模,确定3D打印技术在精细化构建组织工程骨方面的可行性,摸索应用Mimics软件构建组织工程支架材料的技术要点。三、研究内容1、利用CT数据对患者的骨缺损区域进行三维重建选择吉林大学口腔医院颌面外科颌骨囊肿患者10例,并对骨缺损区进行条件筛选,要求骨缺损区XYZ轴向上直径大于5mm以便于设计加工。将患者DICOM数据(digital imaging and communications in medicine)导入Mimics软件(Materialise NV),对骨缺损区域进行三维重建。2、与骨缺损区相匹配的支架材料形态构建对骨缺损区蒙罩进行编辑,还原目标区域正常形态结构并进行三维重建,利用布尔运算获得支架材料的外部形态。3、支架材料内部形态的设计与选择利用Pro/E(Parametric Technology Corporation)软件分别设计3种不同的支架基本结构单元。并根据实际情况为患者选择其中一种结构。4、不同基本结构支架材料的有限元分析将不同结构单元的三维模型利用Solidworks Simulation进行有限元分析。定义弹性模量11Gpa,泊松比0.3,设置支架材料负载为90N,地面设置完全约束,对应力及形变进行分析。5、个性化支架材料的三维模型输出及制备将构建成功的支架内部结构和外部形态分别导入Magics(Materialise NV)软件,对二者进行装配,输出STL(stereolithography)格式,利用3D打印机输出实体模型。四、实验结果1、成功重建患者骨缺损区的三维模型。2、利用布尔运算构建的支架材料模型外部形态与骨缺损区高度匹配。3、成功构建三种不同基本单元的支架内部结构。4、对三种结构支架材料进行有限元分析。5、成功装配支架材料外部形态和内部结构,利用3D打印获得支架材料实体模型。五、实验结论基于CT扫描数据,利用Mimics软件及计算机辅助设计,可以高效、便捷地构建骨缺损区支架材料的数字化三维模型,并可利用3D打印技术制备支架材料。同时,有限元分析结果证实,在实验条件下,立方体基本结构的支架材料有更好的力学性能。
【关键词】：支架材料 三维重建 3D打印
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.08;R687
【目录】：
- 中文摘要4-7
- ABSTRACT7-14
- 第1章 引言14-16
- 第2章 文献综述16-21
- 2.1 人工合成支架材料在骨缺损修复中应用16-18
- 2.1.1 磷酸钙陶瓷支架材料16-17
- 2.1.2 人工合成高分子支架材料17-18
- 2.2 3D打印技术在医学领域的应用18-21
- 第3章 材料与方法21-28
- 3.1 材料与设备21
- 3.2 获取数据21-22
- 3.3 数据处理平台22-23
- 3.4 数据模型的三维重建23-24
- 3.5 支架材料内部结构的设计与构建24-25
- 3.6 不同基本结构支架材料的有限元分析25-26
- 3.7 支架材料内部结构与外部形态的装配26
- 3.8 支架材料树脂模型及聚乳酸支架材料的 3D打印26-28
- 第4章 结果28-32
- 第5章 讨论32-37
- 5.1 数据采集设备对重建精度的影响32
- 5.2 图像分割方法对重建精度的影响32-33
- 5.3 支架材料形态构建方法的适用范围33
- 5.4 三种基本结构支架材料有限元分析33-34
- 5.5 不同 3D打印技术打印精度对支架材料制备的影响34-35
- 5.6 3D打印技术对骨组织工程支架的意义35-36
- 5.7 关于本课题的进一步设想36-37
- 第6章 结论37-38
- 参考文献38-43
- 作者简介在学期间所取得的科研成果43-45
- 致谢45
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本文编号：307852
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