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人工股骨支架的计算机辅助仿生设计与优化

齐艳梅  
【摘要】:人工骨仿生支架是用于修复人体骨骼缺损后的功能和形态的替代物,根据结构仿生学的要求,骨仿生支架应具有与缺损骨高度一致的外部形态,利于与其它部位更好的配合,同时支架内部应具有与自然骨相似的非均匀分布的梯度三维联通孔隙结构,以满足机械性能和生物活性的需求。 本文以成人股骨为研究对象,首先,基于CT扫描断层图像的信息,利用医学图像处理软件和逆向工程软件完成了成人股骨仿生外形的个体化设计,误差在-0.01651-0.01792mm,满足了仿生的要求。 其次,通过对成人股骨外部形态以及生物功能的研究,在前期优化的人工骨单晶胞模型的基础上(中心开球孔,四周为圆柱孔的正六面体结构),通过对单晶胞模型的参数控制,设计了14个具有梯度孔隙率的人工股骨梯度微结构模型。通过有限元软件ANSYS Workbench对其进行力学分析,研究了模型的结构参数对弹性模量及孔隙率的影响规律,研究结果表明:当固定模型联通孔径,随着中心球半径增大,孔隙率随之增加;当中心球半径固定时,随着联通孔径的增大,孔隙率也呈现递增趋势。14个模型的弹性模量范围为10.107-20.610GPa,孔隙率的范围为21.8%-41.2%,最后以人体自然股骨的弹性模量范围及保证良好连通性的孔隙率要求为指标,选定了适用于人体股骨替代物的三个模型。 第三,应用Fluent对人工股骨梯度微结构模型进行两相流的组织液渗透及细胞的生长分析,结果表明:组织液能够很好的渗透到人工股骨支架的各个部位,细胞在支架内部均匀附着、生长。中心球半径对系统压力影响很小,较大的连通孔径比较适合细胞的增殖与粘附,因此在人工股骨支架的设计中,应尽量选择连通孔径大的微结构模型,通过调节中心球半径来满足所要求的支架孔隙率和力学性能。结合力学性能和流体性能分析研究,优化出既满足生物力学的要求,又能保证良好的连通性并且利于成骨进行的支架模型,具体参数为:中心球半径恒定为0.37,由内到外三层晶胞的连通孔径为0.50,0.45,0.42。 第四,基于有限元形函数映射理论与布尔运算方法,结合GRIP语言提出了一种仿形精度较高,通用性较强的支架建模方法。首先,基于映射法对已建立的股骨实体模型进行三维六面体网格剖分,得到一系列不规则六面体单元。其次,基于各个不规则六面体单元的八节点控制,利用有限元中的等参单元和形函数映射原理,生成一系列不规则的孔隙单元,并将其进行布尔和运算,得到支架的孔隙模型。最后,将股骨实体模型与孔隙模型进行布尔差运算,得到具有光滑轮廓以及近似于自然孔隙的人工股骨支架模型。 最后,针对支架内部非均匀分布的孔隙大小,本文提出了两种方法实现孔隙大小控制:第一,采用改变六面体的剖分参数(初始网格密度)及改变孔隙单元参数实现支架内的整体孔隙平均大小的控制。第二,采用网格加密技术进行局部区域的网格加密,实现了支架内局部区域孔隙大小的控制,以此获得与自然股骨高度相近的梯度孔隙分布。


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