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基于形函数控制的组织工程骨架孔隙分布结构实体建模技术研究

蔡升勇  
【摘要】: 组织工程一词最早是在1987年美国科学基金会在华盛顿举办的生物工程小组会上提出:应用生命科学与工程学的原理与技术,在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上,研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。实现人体组织器官再造的梦想,支架、细胞及讯息因子,是构成组织工程不可或缺的三大要素。 本论文以有限元和CSG实体建模的理论、技术方法为基础,提出了一种通用的组织工程骨架孔隙建模方法和一种组织工程骨支架内孔隙大小分布控制方法。首先,基于有限元中的形函数,本文提出了一种形态可控的组织工程骨架孔隙建模方法:(1)利用有限元中的等参元方法构建了不规则单元与正六面体单元(基本单元)之间映射;(2)定义了基本造孔单元;(3)利用有限元中形函数对单个不规则六面体进行相应的不规则造孔;(4)利用网格映射法对实体模型进行全六面体网格划分;(5)基于剖分后的各种不规则六面体单元,进行相应的不规则孔隙建模;(6)组织工程骨支架建模:利用布尔并运算构建了组织工程骨架的孔隙模型和布尔差运算构建了组织工程骨支架模型。其次,根据基于形函数的孔隙建模方法和自适应的全六面体网格加密算法,本论文提出了基于网格加密的组织工程骨支架内孔隙大小分布控制方法:(1)阐述了基于形函数的支架设计方法;(2)描述了自适应的全六面体网格加密算法;(3)描述了自然骨中的孔隙大小分布规律;(4)提出了具有指定孔隙大小分布规律的支架建模方法。此外,对设计出的组织工程骨支架进行孔隙大小分布计算和连通性分析:(1)通过计算得出了结论:孔隙单元与相应的控制单元之间成线性关系;(2)通过仿真流体在设计出来的支架流动,得出了结论:基于本文所提出的组织工程骨支架设计方法,设计出来的组织工程骨支架具有较好的连通性。最后,对组织工程骨支架制造进行一些讨论:STL模型错误分析、如何检查STL模型错误和STL模型错误修复。与其它方法相比(如利用离散材料单元堆积方法,多面体单元造孔法,球堆积方法,层次的支架设计方法等),本文所提出的方法能够获得组织工程骨支架有连续的外表、更接近自然的孔隙形态和梯度的孔隙大小分布。 本论文研究得到国家自然科学基金项目资助:基于几何推理的组织工程骨架实体建模理论及性能分析研究(项目号50575139)和高等学校学科创新引智计划资助(项目号B06012)。


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