仿生骨支架微观孔结构的构建与评价

在分析人体骨微观孔结构和影响支架性能因素的基础上,提出仿生骨支架微观孔结构的构建与评价方法。基于多约束背包问题模型的结构,以椭球体作为构建微观孔结构负模型的单元体,利用混合遗传算法求解微观孔结构的负模型;并将孔隙率和连通性作为约束条件,以保证仿生骨支架具有生物活性。通过不含微观孔的支架模型与负模型之间的布尔运算,构建含有微观孔结构的仿生骨支架模型。以支架的孔隙率、孔间的连通性、孔分布的均匀性、孔道的扭曲度和支架的比表面积作为评价指标,建立仿生骨支架微观孔结构的评价体系。基于支架微观孔结构的负模型,提出支架的孔隙率、连通性、均匀性、扭曲度和比表面积的计算方法,以实现对仿生骨支架微观孔结构的评价与优化。通过上述方法构建的仿生骨支架具有良好的生物活性、较好的力学性能以及均衡的降解速度。     

基于骨组织微结构模型的仿生支架逆向设计

模拟人体骨组织结构,满足其几何相容性与生物适应性功能约束要求的多孔骨支架微观结构构建为组织工程中的关键问题。提出一种模拟人体骨组织多孔微观结构来构建仿生支架的逆向设计方法。利用Micro-CT扫描人体胫骨的微观结构,发现其孔的形态与椭球接近。为寻找人体骨结构的分布规律,利用椭圆最小二乘法拟合人体骨的Micro-CT图像,结果表明人体胫骨的微孔短径和长径的值分别分布在0.24mm和0.48mm附近。为使设计的多孔骨支架具有良好的生物和力学性能,将所得胫骨孔径参数创建椭球体,并通过UG二次开发技术将大量的椭球体相交形成仿生支架。研究所得的仿生支架采用人体骨结构参数,在生物和力学性能上与骨结构更为接近,对骨组织工程中的骨支架设计有一定的参考价值。     

基于TPMS的多孔结构力学性能研究

为探究不同TPMS孔隙结构对多孔支架力学性能的影响,采用隐函数表达的TPMS作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数构建不同结构特征的TPMS多孔支架,并应用SLM制备了 AlSi10Mg多孔支架;采用有限元法分析和力学试验方法,研究不同孔隙结构特征对多孔TPMS支架力学性能的影响,分析不同距离函数k值对P...     

基于体素和三周期极小曲面的骨支架多孔结构设计

为解决组织工程骨支架多孔结构设计问题,提出一种基于体素和三周期极小曲面的骨支架设计方法。采用隐函数表达的三周期极小曲面作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数及Log-Sigmoid函数的方法,构建不同结构的三周期极小曲面孔隙单元;采用逆向几何求交体的体素化算法,对三角网格模型进行空间单元划分,进而确定目标装配区域;再通过形函数坐标变换,将孔隙单元映射到空间单元中,从而构建空间域多孔结构;最后采用布尔运算得到具有多孔结构的支架模型。实例结果表明,所提设计方法能构建孔隙结构可控的多孔模型,从而为组织工程骨支架设计提供一种可行的方法。     

基于3D打印的CPC人工骨支架流道结构设计

人工骨支架植入人体后主要为细胞提供支撑作用。3D打印技术的出现为组织工程化人工骨支架结构的设计、制造与优化提供了新的方法。为研究磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement,CPC)人工骨支架的微孔分布及孔隙率与力学性能的关系,设计了3种不同主流道模型,并在原始模型的基础上对微孔道进行了细化,分别建立这些具有不同孔隙率的支架结构模型,采用Ansys Workbench对这些模型进行有限元分析,提取各个模型的最大等效应力和最大总变形,综合分析支架微孔的分布及孔隙率与上述参数的关系。结果显示,支架的力学性能与微孔道的分布有着紧密的关系,对于同种模型,随着孔隙率的增大,支架的最大总变形呈递增趋势,但不同模型的上述参数对孔隙率的敏感性存在一定的区别。分析结果为后续通过3D打印技术制备生物陶瓷人工骨支架提供了参考依据。     

仿生支架微孔结构CAD设计方法

采用CAD软件设计是一种简单易行的获得具有内部微孔结构的仿生支架模型的方法,该方法通过CAD软件设计单元模型,然后将单元结构在空间排列构造作为负型的内部微孔结构,最后将负型结构与仿生支架外部模型进行布尔减运算,得到既保证外部轮廓特征同时包含内部微孔的仿生支架CAD模型。球形和正十二面体结构是两种常用单元形式,通过调整单元参数可以控制仿生支架内部微孔大小、形状及空间排列方式,最终实现提高仿生支架的孔隙率和内部微孔的导通性的目的。     

复合材料支架的仿生界面设计与有限元优化方法

研究光固化成形复合材料支架的材料界面分层问题。以关节软骨下骨板为仿生对象,提出骨软骨复合材料支架的界面结构仿生设计与优化方法。在构建关节软骨下骨板表面孔隙结构模型(面孔隙率为6.7±0.71%,孔隙分布夹角为40°~50°或80°~90°)的基础上,建立PEGDA/β-TCP软骨复合支架的仿生界面结构模型和有限元分析模型。结合多目标优化方法确定影响骨体孔隙成形性及其与软骨层分层的关键参数为孔隙直径、结构单元(三边形、四边形、六边形)、孔隙间距(边长)、面孔隙率;确定具有四边形结构单元,面孔隙率为5%~15%,孔隙尺寸为不小于400μm的界面结构具有良好的骨体孔隙结构成形性和较好的界面材料结合能力。该方法为复合材料支架仿生结构设计与制造一体化的研究提供新的评估与预测手段。     

承力骨支架微孔结构设计及力学特性有限元分析

承力骨支架作为人体缺损骨的替代物,不仅支撑着人体的重量,而且承受着外来的冲击。根据天然骨骼的扫描电镜形貌特征,设计了三种骨骼内部微孔单胞模型。通过ADINA有限元分析软件,分析了给定压缩应变载荷条件下,模型载荷固定端总合力同应变的关系。研究了弹性模量和孔隙率随模型参数的分布及不同孔径尺寸和孔几何形状对单胞结构力学性能的影响。结果表明:经优化的三种单胞模型同人体承力骨弹性模量相匹配,且具有较高的孔隙率及良好的连通性,为后续植入人体承力骨支架的结构设计和快速成型制造奠定了基础。     

新型人工骨支架结构及其功能

提出新的具有渐变性孔隙率特性的同心圆人工骨支架结构,建立数学模型并且编写结构设计和仿真软件。通过宏观把握孔隙率变化,建立人工骨支架结构与自然骨之间的对应关系,建造复杂的、高孔隙率、相互连通的微孔道立体结构,并显示三维图像指导支架内部结构的设计。由软件生成IGS文件导入其他三维辅助设计软件如 PRO／E等生成STL文件,结合快速成形技术直接制造。最后讨论该支架结构与Kammer股骨三维桁架理论结构模型之间的关系,以及该结构对骨再造和人工骨支架结构设计前景的影响。     

骨组织工程支架的不同孔隙率对成形性能的影响分析

生物三维打印成形的支架孔隙率对引导骨组织的再生极其重要。首先对不同孔径大小的骨组织工程支架模型进行有限元分析。再利用易降解、生物相容性良好的聚乙烯醇(PVA)与羟基磷灰石(HA)混合材料制备出不同孔隙率的骨组织工程支架,对其宏观特征、微观结构和力学性能等重要参数进行对比,得出孔隙率约为60%的骨组织工程支架实际平均抗压强度为14.90 MPa,力学性能与生物相容性最佳,为提高成骨效率奠定实验研究基础。     

有限元分析在骨支架设计中的应用

生物可降解骨支架设计一直是组织工程的重点,为满足骨支架植入后的性能要求,生物力学特性是其设计过程中首要考虑的问题之一。通过对不同孔隙率骨支架的分析,提出骨支架有效弹性模量与孔隙率和材料弹性模量之间的关系式,作为骨支架设计中的参考。分析中所用骨支架的孔隙率通过组合可控微单元体进行调整,对大量的骨支架的有限元分析表明:0.5%总体压应变下有效弹性模量与孔隙率和弹性模量之间关系是线性的以及对于不同属性材料,其弹性模量越高,随着孔隙率的增大,其有效弹性模量减小速度越快。     

仿生多层级柔性轻质结构的设计、制备及力学性能分析

以中华鲟背部骨鳞和鲟鱼皮结构为生物模板,通过结构仿生原理设计出一种新型仿生多层级柔性防护轻质结构。采用尼龙、液态硅橡胶和凯夫拉纤维,通过高温固化成形技术进行制备,有效解决了以往仿生鳞片与基底层连接不牢的问题。利用冲击力学试验对仿生复合结构进行了防护性能分析,并研究了仿生骨鳞结构的夹角γ、嵌入角度θ以及结构之间重叠率Kd的变化对仿生复合结构吸能特性的影响。测试结果表明,具有覆瓦状形态特征的仿生骨鳞结构以及具有纤维铺层的柔性基底结构可显著提高仿生复合结构的抗冲击力学特性。     

基于三周期极小曲面和等参单元法的骨支架建模方法研究

生物骨支架是治疗骨组织缺损的理想方法,如何构建有利于细胞黏附、繁殖、新陈代谢等的微观孔隙结构是构建生物骨支架亟待解决的问题。基于三周期极小曲面和等参单元法,研究一种适合于生物骨支架的建模方法。基于移动立方体算法,线性差值求解三周期极小曲面近似插值面,并结合拉普拉斯算子,构建三周期极小曲面单元;基于等参单元法,通过形函数坐标变换构建不规则形状孔隙曲面单元;基于模板法,局部网格加密构建不同尺度孔隙单元,并通过与实体轮廓模型布尔运算,构建出含有微观孔结构的生物骨支架实体模型。研究表明,利用三周期性极小曲面和等参单元法所构建的骨支架结构,可以实现对孔隙形状,尺度控制,为骨支架建模提供一种可行性的方法。     

基于形函数的人工骨支架仿生建模技术研究

人工骨支架在骨仿生研究中起重要作用,它不仅能代替缺损骨支撑人体,而且能够引导组织再生、增殖和功能发挥。以有限元形函数映射理论与布尔运算为基础,利用UG二次开发工具UG/Open GRIP,提出了一种仿形精度较高,通用性较强的支架建模方法:首先利用映射法将骨实体模型进行六面体网格划分,然后通过每个六面体的八个节点把规则的单元微结构负型映射得到相应的子单元负型,每个完整的子单元负型进行布尔并运算得到微孔结构负型,即内部微结构模型,最后通过骨实体外形与微结构负型进行布尔差运算获得仿形支架。以人体承力骨为研究对象,研究表明:通过有限元单元的剖分和约束方法,能高效随机地获得更自然的支架模型。     

多孔股骨假体结构设计与性能研究

目前的全髋关节假体股骨柄与宿主骨之间的弹性模量存在巨大的差异,这将诱导无菌性松动等长期并发症的发生。仿生多孔股骨柄能有效缓解应力遮挡带来的骨吸收问题,并通过骨细胞向内生长从而提供牢固的长期稳定性。本文旨在通过有限元分析,探讨不同多孔股骨柄在缓解骨吸收、促进骨整合方面的应用前景。提出了一种基于金刚石晶格结构的直观可视化方法,以了解孔隙大小、孔隙率与骨生长需求和增材制造约束之间的关系,并得到了金刚石晶格结构孔隙率选择的许可设计空间。随后,借助有限元的分析方法,在计算机中仿真模拟手术结果,并对多孔假体和全金属假体进行刚度以及应力遮挡率方面的评价。结果表明多孔假体在促进骨整合和缓解骨吸收方面具有明显的优势。     

骨组织工程多孔生物支架设计研究进展

由人口老龄化、严重不愈合骨折等引起的骨缺损,使人们对人工骨替代物的需求急剧增加。支架作为骨缺损的人工骨替代物,在骨组织工程新骨再生中起到至关重要的作用。人体不同组织(硬骨和软骨),甚至是相同组织的不同部位(骨骼的中部和外部)对支架的力学性能、内部微观结构和孔隙率等参数的要求都不尽相同。如何在理想生物材料的基础上,模拟天然骨的性能和结构,设计出具有可控力学性能、结构和渗透率等性能的支架,一直困扰着组织工程研究者。综述了多孔骨支架在设计成型方面近年来国内外代表性的研究工作,重点探究了多孔支架设计方法,阐述了多孔支架在骨组织工程应用中面临的挑战,为深入开展可控多孔支架的研究和应用提供一定的参考。     

径向梯度多孔支架设计与力学性能分析

提出一种基于Gyroid曲面的径向梯度多孔支架的设计方法.通过调节中心孔隙率Pin,边缘孔隙率Pout,和梯度变化率n设计具有相同平均孔隙率,不同孔隙变化率的径向梯度多孔支架.采用有限元法(Finite element method,FEM)分析和力学试验方法分别对径向梯度多孔支架和均质多孔支架的力学性能进行研究,并对比其性能的差异.有限元分析结果显示,在平均孔隙率相同的条件下,所设计的径向梯度多孔支架力学性能优于均质多孔支架.平均孔隙率越高,径向梯度多孔支架相对均质多孔支架的力学性能越好;力学试验结果显示,当平均孔隙率为70％时,径向梯度多孔均质多孔支架弹性模量与抗压强度分别为(2.34±0.05)GPa和(67.63±1.33)MPa,径向梯度多孔支架弹性模量与抗压强度分别为(3.96±0.19)GPa和(90.83±3.35)MPa.有限元分析与力学试验共同说明了径向梯度多孔支架比均质多孔支架性能优异.     

基于知识的人工骨三维结构仿生设计研究

针对目前人工骨设计中产生的生物活性差、设计周期长、植入人体内出现排异现象等问题,提出了一种基于知识的人工骨三维结构仿生设计方法;结合人体的知识模型,分成人工骨外部三维重建和内部微观结构仿生设计两部分,可以设计出具有内部仿生微观结构和外部与实际骨形状相似的人工骨。     

仿生光学复眼设计及其制造技术研究新进展

仿生光学复眼具有体积小、重量轻、视场大、灵敏度高、可测速等优点,在国防尖端装备及民用工业中有着广泛的应用前景,因而引起国内外学者的广泛关注。简要分析昆虫复眼的特征原理,归纳仿生光学复眼的结构、功能及其分类;详细阐述国内外学者在仿生光学复眼优化设计和制造技术方面取得的最新研究成果,并通过对仿生光学复眼成像试验结果的综合分析与讨论,得出仿生光学复眼在采用微透镜阵列进行设计存在的缺陷以及采取特种加工方法制造等加工工艺存在的不足;论述仿生光学复眼采用截面六边形高次曲面进行设计的优点以及采取超精密加工方法制造存在的优势,给出研制过程中对其曲面进行造型与加工的新思路,可为光学复眼的进一步研究提供有益参考。     

面向骨组织工程的三维仿生支架的微观结构研究

骨缺损修复是当今国际组织工程领域的一个难题，而细胞载体支架的制取是骨缺损问题研究的重点。探讨了支架结构制取的几种方法并进行了比较，采用数模相结合的方法进行微观结构的设计，获得了参数(孔的形状、尺寸，孔隙率等)可控的骨支架模型。