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面向骨植入体3D打印的多孔结构构建研究

施建平  
【摘要】:应用传统设计制造方法制备的植入体零件普遍存在刚度较大和自重较重的问题,零件植入后与宿主骨之间会产生应力遮挡效应,这会引起植入体松动,直接导致零件植入寿命减短或手术失败。本文基于3D打印技术能够突破传统制造工艺限制的特点,以面向零件功能型设计为指导思想,对多孔结构植入体零件的建模方法进行研究。首先以动物骨组织为研究对象分析研究其组织结构形态特点,以获取相关骨组织特性参数,为多孔植入体模型的三维模型构建提供必要的依据;随后利用实体建模的模型构建思路,基于计算机辅助设计技术并利用相关建模软件构建出具有梯度结构的多孔植入体模型,实现植入体零件模型力学特性的分级梯度调控;再利用参数化模型构建的思想,基于隐式曲面函数的模型构建方法进行多孔结构模型的构建,设计出具有线性变化特征的仿生骨结构多孔植入体单元模型,通过参数调控,实现多孔植入体零件模型的力学特性线性调控。最后通过动物植入实验,考察多孔植入体零件的骨整合效果。主要的研究内容及成果如下:(1)通过对动物骨组织医学影像数据的处理分析,利用三维反求模型构建技术和有限元仿真分析技术定量分析了股骨头内部区域的骨小梁形态参数与力学参数,从测量和分析结果中发现骨小梁三维形态参数和力学参数均表现出显著的区域性差异。分析结果表明骨组织内沿主要承重方向的松质骨主要由板状骨小梁构成,而沿非主要承重方向的松质骨主要由杆状骨小梁构成,这些特征决定了骨块沿不同的载荷方向表现出各向异性的力学性能。这种力学性能的区域差异性、各向异性特性以及骨小梁显微形态结构的区域差异性都是影响骨性能的重要因素,对这几类参数分析的结果可以作为参与仿生多孔结构骨植入体设计的重要参考数据。(2)通过实体建模模型构建方法,将分层级梯度变化多孔结构引入植入零件构建中,通过参数调控,使得与宿主骨组织相接触的多孔植入体表层表观弹性模量与骨组织相接近,植入体的主体结构仍然为实体结构以确保必要的机械力学支撑,在实体与表层多孔间添加过渡的多孔层,形成梯度结构以减少应力突变。利用这种梯度多孔结构一方面可以有效减少植入体与骨组织之间的应力遮挡效应,另一方面植入体中的多孔结构可以为骨组织的长入提供特定的微环境,促进骨组织长入,实现生物固定的目的。(3)基于隐式曲面函数的模型构建方法,设计一种孔隙结构线性变化的多孔结构植入体模型,通过调控孔隙结构,促使多孔植入体孔隙结构由表及里呈线性渐变,使得与骨组织相接触的多孔植入体表层弹性模量与骨组织相接近,远离表层的植入体结构综合弹性模量逐渐增大,以确保多孔植入体在良好力学特性的同时,其结构形态及力学性能不会发生突变,这种线性结构优化了多孔植入体的力学性能,避免了应力遮挡,该类多孔结构的植入体能够实现较为理想的植入置换。(4)采用选择性激光烧结技术对设计多孔结构植入体模型进行制备,通过对打印成型的多孔结构支架进行相关表面改性处理,再进行动物植入实验,并通过植入支架推出实验分析多孔植入体的骨整合效果。实验结果表明,所构建的多孔结构支架中存在新生骨组织,并沿多孔植入体表面向髓腔延伸,多孔结构植入体与宿主骨之间的结合界面形成了有效的骨整合结构,达到理想的植入效果。


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