組織工程骨支架是目前最理想的人體缺損骨替代物,對臨床上治療骨缺損疾病具有非常重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。但是目前使用的組織工程骨支架仍然存在仿形程度低、生物活性差、與待植入組織部位力學(xué)性能不匹配的問題�；诖�,本文以人體承力骨為研究對象,應(yīng)用仿生學(xué)的原理,根據(jù)天然承力骨內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)形貌特征,設(shè)計(jì)了具有漸變結(jié)構(gòu)的微孔單胞模型。在此基礎(chǔ)上,利用ADINA對其力學(xué)性能和滲透性能進(jìn)行了分析研究,并提出兩種將仿生骨內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)同骨實(shí)體外形結(jié)合的建模方法。主要研究工作如下:(1)針對目前仿生骨微孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的孔隙結(jié)構(gòu)單一、連通性差的問題,應(yīng)用仿生設(shè)計(jì)的原理,以天然承力骨內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)形貌特征為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了三種具有漸變結(jié)構(gòu)的新型承力骨內(nèi)部微孔單胞模型。在此基礎(chǔ)上,以人體承力骨力學(xué)性能為指標(biāo),利用ADINA對單胞模型的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。結(jié)果表明:單胞模型的設(shè)計(jì)參數(shù)對其孔隙率和彈性模量均有一定的影響,且彈性模量值隨著孔隙率的增大而減小。經(jīng)優(yōu)化的三種單胞模型均滿足人體承力骨孔隙率(5%~90%)和彈性模量(10~30GPa)的需求,均可用于人體承力骨支架的設(shè)計(jì)。(2)在微孔單胞模型力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)上,利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法對骨支架微孔結(jié)構(gòu)內(nèi)流體力學(xué)環(huán)境進(jìn)行分析研究,得到了不同微孔單胞模型內(nèi)壓力場和速度場分布。其次利用達(dá)西定律,得到了單胞微結(jié)構(gòu)的比滲透率k值。結(jié)果表明:采用達(dá)西定律得到的單胞微結(jié)構(gòu)滲透性能與模擬微孔內(nèi)流體力學(xué)環(huán)境得到的結(jié)論具有很好的一致性。通過對不同單胞模型微孔內(nèi)流體力學(xué)環(huán)境和比滲透率k的對比分析,發(fā)現(xiàn)開口桿狀單胞模型具有最優(yōu)的流體運(yùn)輸性能。(3)基于有限元形函數(shù)映射和構(gòu)建實(shí)體幾何理論,提出了兩種將仿生骨內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)同骨實(shí)體外形結(jié)合的建模方法:第一,基于手工組裝骨支架建模方法;第二,基于形函數(shù)和六面體網(wǎng)格劃分骨支架建模方法。對于上述兩種方法,均給出了具體的建模思路和實(shí)例,并就第二種骨支架建模方法,利用UG/open grip語言開發(fā)了支架自動(dòng)生成程序。結(jié)果表明:基于形函數(shù)和六面體網(wǎng)格劃分骨支架建模方法具有建模效率快、可控性好和仿形精度高的優(yōu)點(diǎn),為組織工程骨支架仿生設(shè)計(jì)及快速成型制造奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R318.08
【部分圖文】：

圖 1-1 天然骨骼內(nèi)微孔結(jié)構(gòu)形態(tài)Figure 1-1 Micropore structure of natural skeleton 基于規(guī)則幾何體的設(shè)計(jì)穎堅(jiān)[5]提出了四種普遍采用的松質(zhì)骨細(xì)觀結(jié)構(gòu)胞體模型，見圖 1-2 所示，從角分別為開口桿狀網(wǎng)絡(luò)模型、帶孔板的框架模型、棱柱形結(jié)構(gòu)模型和平行。并指出骨的細(xì)觀構(gòu)造是受其力學(xué)功能直接調(diào)控的，也就是說人和動(dòng)物不所以有著不同密度和形狀主要是與該部位在較長時(shí)間內(nèi)所承受的力學(xué)激勵(lì)如：開口桿狀網(wǎng)絡(luò)模型作為一種等軸胞體結(jié)構(gòu)它可承受沿三個(gè)主應(yīng)力大�。焕庵谓Y(jié)構(gòu)模型可模擬沿棱柱壁方向的載荷值遠(yuǎn)大于其他方向的骨；沿骼則可選用平行板狀結(jié)構(gòu)模型。若承受較重的載荷則其胞體壁變厚，形成模型。

圖 1-1 天然骨骼內(nèi)微孔結(jié)構(gòu)形態(tài)Figure 1-1 Micropore structure of natural skeleton幾何體的設(shè)計(jì)了四種普遍采用的松質(zhì)骨細(xì)觀結(jié)構(gòu)胞體模型，見圖 1-開口桿狀網(wǎng)絡(luò)模型、帶孔板的框架模型、棱柱形結(jié)構(gòu)模骨的細(xì)觀構(gòu)造是受其力學(xué)功能直接調(diào)控的，也就是說人不同密度和形狀主要是與該部位在較長時(shí)間內(nèi)所承受的桿狀網(wǎng)絡(luò)模型作為一種等軸胞體結(jié)構(gòu)它可承受沿三個(gè)主結(jié)構(gòu)模型可模擬沿棱柱壁方向的載荷值遠(yuǎn)大于其他方向用平行板狀結(jié)構(gòu)模型。若承受較重的載荷則其胞體壁變

.Chua[6]等人提出了利用多面體構(gòu)建單胞模型的方法，可采用柏拉圖固體體、棱柱體、反棱柱體和阿基米德對偶體來創(chuàng)建多面體單胞模型。根據(jù)合時(shí)，能否滿足支架力學(xué)性能和可成型性能這兩個(gè)排除準(zhǔn)則對多面體單了大大簡化，最終得到了滿足要求的 11 種多面體單胞模型，然后在這 1單胞結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將多面體原來每條棱邊轉(zhuǎn)化為橫截面為三角形的固體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)類似一種開口桿狀橫梁結(jié)構(gòu)，并建立了不同胞體模型的變支柱的厚度、寬度和長度，即可調(diào)整單胞結(jié)構(gòu)的尺寸大小，以滿足不求。A.Wettergreen[7]創(chuàng)建了兩種類型的單胞模型，第一類為利用孔隙填充幾何單胞模型，這種方法主要是通過布爾運(yùn)算將孔隙結(jié)構(gòu)疊加到球體或立方體得所需的中空或殼形結(jié)構(gòu)。第二類為近似線框形結(jié)構(gòu)的基本幾何多面體阿基米德固體，這種方法主要是將原始封閉多面體的每個(gè)邊轉(zhuǎn)化成具有柱從而形成一種開孔單胞結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了解決不同單胞微結(jié)構(gòu)在組裝時(shí)連續(xù)的情況，作者在單胞模型的每個(gè)面規(guī)則地布置了具有公用接口的相同見圖 1-3。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 徐佳;柴益民;;四肢骨缺損的治療進(jìn)展[J];上海醫(yī)學(xué);2017年06期

2 鄢榮曾;駱丹媚;秦曉宇;李潤欣;榮起國;胡敏;;3D打印制作個(gè)性化下頜骨三維網(wǎng)狀修復(fù)體支架數(shù)字化建模方法的研究[J];中華口腔醫(yī)學(xué)雜志;2016年05期

3 張嘉宇;米雪;劉毅;何惠宇;;三維打印組織工程牙計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建模技術(shù)的應(yīng)用[J];中國組織工程研究;2015年38期

4 蔣靜智;賈超;郭彥書;;組織工程多孔支架微管內(nèi)流場數(shù)值模擬[J];化工進(jìn)展;2014年07期

5 馮敏;胡牧原;鄭百林;賀鵬飛;;基于Abaqus二次開發(fā)用戶自定義場的功能梯度材料人體骨骼建模[J];計(jì)算機(jī)輔助工程;2013年05期

6 楊立軍;齊艷梅;王麗麗;;人工骨梯度微孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)有限元優(yōu)化分析[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與制造;2012年12期

7 李明輝;劉洋;張紅旗;;不同部位骨盆骨靜態(tài)彈性模量及其相關(guān)生物力學(xué)性質(zhì)的測定[J];生物醫(yī)學(xué)工程研究;2012年02期

8 張智豐;張亞榮;;細(xì)分曲線參數(shù)化與累加弦長參數(shù)化的數(shù)值比較[J];湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2009年04期

9 蔡升勇;習(xí)俊通;;基于形函數(shù)控制的組織工程骨架孔隙結(jié)構(gòu)實(shí)體建模方法[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2009年07期

10 趙靜一;李侃;吳厚正;張曉華;;組織工程支架內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J];液壓與氣動(dòng);2006年07期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 宋長輝;基于激光選區(qū)熔化技術(shù)的個(gè)性化植入體設(shè)計(jì)與直接制造研究[D];華南理工大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 張志廣;人工股骨假體多尺度建模及其生物力學(xué)研究[D];東北大學(xué);2011年

2 禹娜娜;人工骨支架內(nèi)孔系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及內(nèi)部流場的CFD分析[D];燕山大學(xué);2011年

3 蔡升勇;基于形函數(shù)控制的組織工程骨架孔隙分布結(jié)構(gòu)實(shí)體建模技術(shù)研究[D];上海交通大學(xué);2010年

4 王東風(fēng);基于幾何分解的六面體網(wǎng)格生成算法的研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

5 饒嵩;骨組織工程支架仿生設(shè)計(jì)與制造[D];武漢理工大學(xué);2004年

本文編號(hào)：2811681