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《天津大学》 2017年
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颅骨多孔支架的设计及其增材制造工艺研究

毕振庆  
【摘要】:骨组织工程技术的发展为缺损颅骨修复提供了新的思路。现阶段骨组织工程支架仍无法很好的满足骨细胞粘附、生长和分化的要求。其原因包括支架中微孔的尺寸和形貌无法满足仿生特性。针对这一问题,本文基于颅骨样本显微CT扫描图像,提出了一种等参映射的多孔支架参数化建模方法,并对支架的成型工艺进行研究。首先,通过对颅骨样本的显微CT扫描,重建颅骨样本的外形模型以及颅骨松质骨中的孔隙模型。根据测量得到的颅骨松质骨结构,对特征曲面进行加厚和精确曲面构建,得到颅骨支架的宏观模型。对松质骨中孔隙模型进行求反,获得松质骨中的骨小梁模型,并对其尺寸分布与形貌特点进行分析,为多孔支架设计提供依据。其次,根据骨小梁形貌特点以及P型隐式曲面结构构造具有“基体”、“柱状管”仿生特性的微观实体结构单元。根据颅骨松质骨显微CT微孔尺寸及分布数据,对建立的颅骨支架宏观模型进行六面体网格划分。基于有限元理论的等参映射思想,将微观实体结构单元向六面体网格中映射实现颅骨多孔支架整体宏观-微观模型的设计。所得支架的孔隙形状、尺寸及孔隙率参数可调,与颅骨样本骨小梁具有较高的相似性。然后,对设计支架的生物力学性能进行有限元分析,从支架变形和等效应力两方面进行评估,结果表明该等参映射方法得到的支架模型具有均衡的力学性能。最后,利用光固化和选择性激光烧结的增材制造工艺,探索具有仿生尺寸的多孔支架制造的可行性。对光固化成型工艺的误差进行分析并对不同工艺支架表面粗糙度进行评估。该设计方法在一定程度上克服了现阶段支架设计中支架孔隙率不高,孔隙尺寸不合理的问题,实现了在支架设计过程中对支架重要仿生特征的参数化控制。此外结合先进的增材制造技术对支架进行制造,为骨组织工程技术在颅骨修复临床实践中的应用奠定了基础。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R318.08

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