人體骨肌系統(tǒng)的常見疾病包括骨關(guān)節(jié)退行性變、脊柱退行性變、四肢創(chuàng)傷、骨缺損、骨質(zhì)疏松及骨腫瘤等。骨植入體是骨肌系統(tǒng)治療的方式之一,其主要功能是全部或部分替代關(guān)節(jié)、骨骼、軟骨或肌肉骨骼系統(tǒng)。目前臨床應用的植入體主要采用傳統(tǒng)機加工、模具成形等方法進行標準化制造,然而人體骨骼具有個性化的外形特征,造成了標準化的植入體與個性化的骨骼不匹配的局面,從而影響治療效果。激光選區(qū)熔化（Selective laser melting,SLM）技術(shù)在直接制造精細復雜結(jié)構(gòu)零件方面具有巨大優(yōu)勢,特別適合金屬骨植入體的個性化成形。然而,目前骨植入體在應用中面臨著金屬材料與骨組織之間模量不匹配、界面結(jié)合力低、骨整合能力差的問題,同時結(jié)構(gòu)上存在內(nèi)部孔隙梯度可控與拓撲性能優(yōu)化的需求。因此,本論文針對金屬骨植入體應用中材料與結(jié)構(gòu)制備上面臨的問題,主要展開了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)表面涂層改性、金屬基復合材料、梯度材料和梯度結(jié)構(gòu)制備等五個方面的研究。具體研究工作如下:針對金屬與骨組織之間由模量不匹配產(chǎn)生的應力遮蔽效應,以及人骨在結(jié)構(gòu)上對植入體拓撲性能優(yōu)化的需求,提出基于單元陣列的多孔結(jié)構(gòu)單元拓撲優(yōu)化方法。通過有限元模擬和實驗結(jié)合的方... 

【文章來源】：華中科技大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：170 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

骨植入體在人體不同位置的分類示意圖

骨移植以及骨替代材料植入法等進行治療。自體骨游離移植簡便，無排異反應；缺點是血運較差，抗感染力較弱，愈合過吸收明顯，且手術(shù)損傷大，骨源有限，塑形困難[1]。特別是對于骨缺損，術(shù)中時間大量對骨瓣塑形，且往往難以恢復滿意的面植入材料和結(jié)構(gòu)的開發(fā)和應用是大面積骨缺損修復的主要研材料主要包括陶瓷、高分子聚合物和金屬三大類。陶瓷材料與物相容性好，但加工性差，且強度和韌性低，僅適宜于非承重子聚合物易加工，但強度不足，且易降解并引起無菌性等炎癥瓷和聚合物強度高，在承重骨修復方面具有獨特優(yōu)勢。另一方復雜的外形，內(nèi)部還呈現(xiàn)為復雜的梯度孔隙[3]，如圖 1-2 所示質(zhì)，由一根根內(nèi)空的“柱子”累積構(gòu)成；里層為低密度的骨松孔錯綜交織而成。因此，具有復雜個性化外形和梯度內(nèi)部可控當下骨植入體的研究熱點。

增材制造技術(shù)是 20 世紀 80 年代后期興起的先進制造技術(shù)，采用材料逐層累加的方法直接由 3D 數(shù)字化模型制造實體零件，可實現(xiàn)復雜零件的快速成形，在骨植入體制造領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢。少數(shù)采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的個性化植入體已經(jīng)獲得審批，并開始應用于臨床。2009 年 AdvancedMedicalTechnologiesAG 公司生產(chǎn)的純鈦椎間融合器通過了歐洲合格認證。2014 年，西京醫(yī)院完成了亞洲首例增材制造鈦合金骨盆腫瘤假體植入術(shù)，同年世界首例增材制造鈦合金鎖骨和肩胛骨假體植入術(shù)也在西京醫(yī)院實施成功。2015 年，北京愛康宜誠公司生產(chǎn)的增材制造鈦合金人工髖關(guān)節(jié)產(chǎn)品獲得國家食品藥品監(jiān)督管理局（CFDA）的注冊批準，成為我國首個通過認證的增材制造骨與關(guān)節(jié)植入假體，迄今已有30余名患者接受了該假體的植入手術(shù)。在金屬骨植入體增材制造技術(shù)中，基于粉床的激光選區(qū)熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）技術(shù)可制造近全致密、接近鍛件性能的精細復雜零件，特別適合個性化骨植入體的制造。目前，SLM 已可成形不銹鋼、鈦合金、鎳基高溫合金、鋁合金等材料，圖 1-3 為 SLM 制造的典型個性化金屬骨植入體。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]中國首個3D打印人體植入物獲CFDA注冊批準[J]. 仰東萍,蔡宏.  北京大學學報(醫(yī)學版). 2015(05)
[2]新型醫(yī)用Ti-35Nb-4Sn-6Mo-9Zr和Ti-35Nb-1.3Mo-3.7Zr合金在林格溶液中的電化學腐蝕行為[J]. 戴世娟,陳鋒,王煜.  稀有金屬材料與工程. 2014(S1)
[3]不銹鋼粉末的選擇性激光熔化快速成形工藝研究[J]. 史玉升,李瑞迪,章文獻,劉錦輝.  電加工與模具. 2010(S1)
[4]光纖激光選區(qū)熔化316L不銹鋼工藝優(yōu)化[J]. 王迪,楊永強,吳偉輝.  中國激光. 2009(12)
[5]NiTi合金血管內(nèi)支架表面改性及其生物相容性研究[J]. 沈陽,王貴學,全學軍,俞青松.  中國醫(yī)療器械雜志. 2006(01)

博士論文
[1]醫(yī)用合金粉末激光選區(qū)熔化成形工藝與性能研究[D]. 張升.華中科技大學 2014
[2]金屬粉末選擇性激光熔化成形的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究[D]. 李瑞迪.華中科技大學 2010
[3]選擇性激光熔化快速成形關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 章文獻.華中科技大學 2008
[4]個體化鈦合金示指掌指關(guān)節(jié)假體設計、制造和生物力學的研究[D]. 王鵬.吉林大學 2008



本文編號：3131472