人工骨骼支架是骨缺損修復的一種人工移植骨骼材料,其內部結構形態(tài)及尺寸對于引導骨骼和組織的再生有重要影響。當前,人工骨骼支架結構設計存在著設計層次單一、支架性能有待提高等問題,因此探明骨骼支架胞元孔隙形狀和結構尺寸對其力學性能、生物學性能的影響,結合3D打印技術的特點進行支架的結構設計研究,為設計制造出更符合實際醫(yī)療要求的人工骨骼支架結構提供理論基礎。本文在分析人工骨骼支架實際功能要求和設計標準的基礎上,主要從滿足骨骼支架的力學性能和生物學性能這兩方面來考慮骨骼支架結構設計。首先,通過拓撲設計、形狀設計得到人工骨骼支架的胞元結構;然后,分析胞元孔隙形狀和結構尺寸對力學性能、生物學性能的影響,得到其壓縮應力、滲透率分別與結構尺寸的關系;再結合改進的粒子群算法得到骨骼支架的胞元結構尺寸;最后,根據人體股骨中段外部輪廓和內部孔隙胞元建立人工骨骼支架三維模型,利用SLA打印機實現制造,并通過試驗驗證所制人工骨骼支架滿足實際功能要求。主要研究內容如下:1、分析人工骨骼支架的具體實際功能要求和設計標準,確定骨骼支架的結構設計要求為合適的力學性能（力學壓縮性能）及生物學性能（孔隙連通性、生物滲透性）,... 

【文章來源】：廣西大學廣西壯族自治區(qū) 211工程院校

【文章頁數】：89 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１－１椎骨Ｍｉｃｒｏ－ＣＴ文件掃描重建后的椎骨結構??

外表面向內的應力。根據人工骨骼支架胞元在拓撲設計階段的設計目標，需要得到滿足??孔隙連通性要求且力學壓縮性能優(yōu)的胞元結構形狀。在兩種載荷工況下設計目標設置為??胞元剛度最大，約束目標設置為質量保留百分比的多少。拓撲設計的工作流程如圖２－２??所示。??▼?：??Ａ??▼?Ｂ?▼?Ｃ??１１＾３１?１ＩＳＥ?１?ＥＥ??２?？?Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?Ｄａｔａ?Ｖ?Ａ?■?２?＾?Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?Ｄａｔａ?Ａ?２?？?Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?Ｄａｔａ?Ｖ?Ａ??３?＾?Ｇｅｏｍｅｔｒｙ?＞／?Ａ＇?■?３?Ｇｅｏｍｅｔｒｙ?Ｖ?Ａ?＾?３?＾?Ｇｅｏｍｅｔｒｙ?Ｖ?▲??４?？?Ｍｏｄｅｌ?ｖ／?Ａ?１４?？?Ｍｏｄｅｌ?Ｖ?▲?／?４?＿?Ｍｏｄｅｌ?Ｊ?▲??５?Ｓｅｔｕｐ?Ｖ?Ａ?５?（Ｊｊ?Ｓｅｔｕｐ?Ｖ?Ａ?ｊ?５?（Ｊｊ?Ｓｅｔｕｐ?Ｖ?▲??６?（ｊｊ?Ｓｏｌｕｔｉｏｎ?ｙ?Ａ?＿６?Ｓｏｌｕｔｉｏｎ?＞／?Ａ?／?６?嘯?Ｓｏｌｕｔｉｏｎ?＞／?Ａ??７?Ｒｅｓｕｌｔｓ?Ｖ?▲?７?＾?Ｒｅｓｕｌｔｓ?Ｖ?７?Ｒｅｓｕｌｔｓ?Ｖ?▲??Ｓｔａｔｉｃ?Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?Ｔｏｐｏｌｏｇｙ?Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ?Ｓｔａｔｉｃ?Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ??圖２－２拓撲設計工作流程??Ｆｉｇ．?２－２?Ｔｈｅ?ｗｏｒｋｆｌｏｗ?ｏｆ?ｔｏｐｏｌｏｇｙ?ｄｅｓｉｇｎ??在對胞元初始結構進行拓撲設計前，通過設置材料屬性、劃分實體網格、確定拓撲??設計區(qū)域并施加載荷三個步驟進行結構拓撲設計前分析。拓撲設計分析前的網格劃分、?

前處理會導致拓撲設計無法順利完成。在拓撲設計前，對兩種載荷工況下的正六面體結??構進行受力分析，兩種載荷工況下施加的載荷、約束條件及ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ應力分布分別如??圖２－３、２－４所示。??（ａ）載荷、約束條件?（ｂ）?ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ應力圖??圖２－３載荷工況（１）下的載荷、約束條件及ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ應力圖??Ｆｉｇ．?２－３?Ｌｏａｄ，?ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ?ａｎｄ?ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ?ｓｔｒｅｓｓ?ｄｉａｇｒａｍ?ｕｎｄｅｒ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ?（１）??￣?＾＾ｈＨｈ?ｍｍｍ??—湖?Ｔｉ?丨丨?１?撕一??ｏ．ｒ？?ｏｊｍ?Ｏ．ｉｍ??（ａ）載荷、約束條件?（ｂ）?ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ應力圖??圖２４載荷工況（２）下的載荷、約束條件及ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ應力圖??Ｆｉｇ．?２－４?Ｌｏａｄ，?ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ?ａｎｄ?ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ?ｓｔｒｅｓｓ?ｄｉａｇｒａｍ?ｕｎｄｅｒ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ?（２）??在拓撲設計階段將約束目標設置為１０％，?２０％，３０％，４０％，?５０％，?６０％，?７０％，?８０％??的質量保留百分比。拓撲設計解與常規(guī)解一樣使用ＡＮＳＹＳ求解器進行有限元求解，利??用分布式求解來加快求解過程，經過多次迭代后得到拓撲設計的收斂圖形，兩種載荷工??況在不同質量保留百分比下的拓撲優(yōu)化后結構分別如圖２－５、２－６所示。??１６??

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本文編號：3209148