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。     

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。     

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。     

基于TPMS建模方法进行仿生骨支架结构设计

为了更好地拟合出人体骨细胞生存生长的多孔曲面环境,采用基于函数的极小三周期曲面(TPMS)建模方法,来进行仿生骨支架结构的设计。采用这种方法,能够通过调整函数的相关参数,实现对仿生骨支架孔径大小以及孔隙率大小的精准控制。选取了TPMS结构中的一种P曲面结构,通过与人体真实骨组织结构单元孔径大小以及孔隙率大小进行比对,选定了P曲面结构的参数值u,并确定了仿生骨支架合理的单元尺寸,最后通过有限元仿真软件对模型进行了力学分析及评估,结果表明,设计的支架结构具有更匹配人体骨结构的力学性能,对指导构建人工骨支架结构具有重要意义。     

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。     

再生骨支架内部结构性能的综合评价

在分析影响再生骨支架内部微观结构性能因素的基础上,构建了支架内部结构性能的综合评价指标体系。根据各项评价指标对支架的生物活性、力学强度、降解速度等性能的影响程度,建立支架内部结构性能的层次分析模型;基于层次分析法(AHP)理论和计算方法,确定各项评价指标在内部结构性能综合评价中的权重值。基于灰色关联度分析的评价理论,构建支架内部结构性能的综合评价模型;计算各项评价指标的灰色关联度值,以此综合评判支架内部结构性能的优劣,保证再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。     

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。     

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。     

基于离散单元法多孔陶瓷微球骨支架的微观结构分析

人工骨支架的孔隙率是评价体液在人工骨内部循环和细胞生长能力的重要参数,利用离散单元法分析模拟人工骨支架制备过程中HA微球的堆积过程,实现了对堆积内部微观情况的预测。本文以PFC3D软件为平台对HA石微球人工骨支架的微观结构进行了模拟仿真,从而通过改变HA微球和可速溶性小球的数量比及半径值,实现孔隙率可控,得出配位数为6时,HA微球人工骨支架的孔隙率为0．59,在满足力学性能的条件下,与人骨组织的孔隙率最为接近。     

生物凝胶微孔挤出胀大的有限元模拟与三维打印成形

由于挤出胀大现象的存在,在室温条件下通过三维打印技术(Three-dimensional printing,3DP)成形的凝胶组织工程支架与输入的目标支架原始模型相比,内部微观孔隙结构精度与孔隙率明显降低。针对这一问题,采用流体计算软件Polyflow对明胶-海藻酸钠共混体系交联形成的生物凝胶材料在挤出成形过程中通过喷头直径过渡段时流线的收缩与离开喷头后的挤出胀大现象进行有限元模拟,着重分析凝胶黏度与供料压力对挤出胀大的影响规律,并通过试验验证模拟的合理性。提出将挤出胀大引起的尺寸变形误差引入支架模型的设计过程。通过数值模拟与试验结果的对比,合理调整模型中纤维间距,利用得到的最佳工艺参数进行凝胶组织工程支架的三维打印成形。结果表明,支架内部的微观孔隙结构精度和孔隙率与理想支架要求近似吻合。通过对生物凝胶挤出胀大的模拟分析,可为凝胶组织工程支架的精确打印成形提供理论依据和技术指导。     

Regularized phase tomography enables study of mineralized and unmineralized tissue in porous bone scaffold

Regularized phase tomography was used to image non‐calcified fibrous matrix in in vitro cell‐cultivated porous bone scaffold samples. 3D micro‐architecture of bone and bone scaffold has previously been studied by micro‐computed tomography, synchrotron radiation (SR) micro‐computed tomography and microdiffraction. However, neither of these techniques can resolve the low‐calcified immature pre‐bone fibrous structures. Skelite porous scaffold discs were seeded with osteoblasts, a combination of osteoblast and pre‐osteoclasts and, as controls, with pre‐osteoclasts only, and then cultivated for 8 weeks. They were subsequently imaged using SR propagation‐based phase contrast imaging. Reconstructions using a regularized holographic phase tomography approach were compared to standard (absorption) SR micro‐computed tomography, which show that quantitative analysis, such as volume and thickness measurements, of both the calcified fraction and the immature bone matrix in the reconstructed volumes is enabled. Indications of the effect of this type of culture on Skelite, such as change in mineralization and deposit of mature bone on the walls of the scaffold, are found. The results are verified with a histological study.     

Fabrication of porous beta-tricalcium phosphate with microchannel and customized geometry based on gel-casting and rapid prototyping

The tissue engineering scaffolds with three-dimensional porous structure are regarded to be beneficial to facilitate a sufficient supply of nutrients and enable cell ingrowth in bone reconstruction. However, the pores in scaffolds tend to be blocked by the cell ingrowth and result in a restraint of nutrient supply in the further side of the scaffold. An indirect approach of combining the rapid prototyping and gel-casting technique is introduced in this study to fabricate beta-tricalcium phosphate (beta-TCP) scaffolds which not only have interconnected porous structure, but also have a microchannel network inside. The scaffold was designed with customized geometry that matches the defect area, and a double-scale (micropores-microchannel) porous structure inside that is beneficial for cell ingrowth. The scaffolds fabricated have an open, uniform, and interconnected porous architecture with a pore size of 200-400 microm, and posses an internal channel network with a diameter of 600 microm. The porosity was controllable. The compressive yield strength was 4.5 MPa with a porosity of 70 per cent. X-ray diffraction analysis shows that these fabrication processes do not change the crystal structure and chemical composition of beta-TCP. With this technique, it was also possible to fabricate porous scaffolds with desired pore size, porosity, and microchannel, as well as customized geometries by other bioceramics.     

基于形函数控制的组织工程骨架孔隙结构实体建模方法

组织工程支架在组织工程研究中起着重要作用,它不仅为特定的细胞提供结构支撑作用,而且能引导组织再生和控制组织结构。从几何建模的角度,寻找一种通用的组织工程骨架实体建模方法：采用有限元中六面体单元对实体模型进行网格剖分;利用有限元中的八结点六面体形函数将参数域中的基本孔隙单元映射为空间域中各种不规则孔隙几何单元。利用布尔并运算构建实体的造孔单元。再与整个实体轮廓模型(CT/MRI)进行逻辑差运算,就可以得到组织工程骨架模型。研究表明：通过有限元单元剖分方法,有效地解决了组织工程骨架孔隙体元的分布计算等技术问题,相对随机几何方法,具有很好的技术操作性和高效性。通过剖分单元约束和孔隙体元变形构型方法的应用,可大大提高骨组织孔隙形状的自然性。     

人骨微孔结构三维有限元力学优化分析

本研究通过对人工骨及人工骨微孔理论的借鉴，利用三维建模技术和有限元分析技术，找到力学性能和自然骨相似的微孔结构。其方法为：利用Pro／E三维软件对三种微孔结构单元体进行建模，导入ADINA8．3．1中进行应力和应变分析。其结果：通过比较，开口球状网络模型在骨屈服力作用下，应力应变最小，满足人骨所需要的力学性能。这为下一步梯度孔和激光烧结成型人工骨研究奠定基础。     

生物轻质高强结构及其在吸能结构中的仿生应用

在长期进化过程中，自然界中的多种动物、植物形成了独特的轻质、高强结构，以此来抵抗外界的复杂冲击载荷，保护自身完整，满足生存需要。生物轻质高强结构的优越性，启发了科研和工程人员采用结构仿生学的方法来对管状和板状两大类吸能结构进行设计优化和改进。对竹子、茎秆/树干、羽轴、骨骼四类管状生物结构和甲虫鞘翅、贝壳、柚子皮、龟壳四类板状生物结构进行综述，阐述了分层、多孔、螺旋、中空等多种结构与轻质高强特性之间的关系。在此基础上，对比和分析了相应的结构元素在单胞管、多胞管、嵌套管、波纹管等管状吸能结构和蜂窝夹芯板、复合材料板、混合结构板等板状吸能机构中起到的作用。进一步对当前仿生吸能领域存在的结构复杂、质量大、缺乏普适性的机理和过渡“桥梁”等问题做出了分析；最后对仿生吸能技术的形式简单化、结构轻量化、理论通用化、“形神兼备”化发展趋势做出展望。     

Characterization of compressive deformation behavior of multi-layer porous composite materials for articular tissue engineering

Regeneration of articular layered tissues consisting of cartilage and cancellous bone has been a critical issue in orthopedics. Tissue engineering technology for such large-scale damaged layered tissue may be developed by using layered scaffold with stem cells. In this study, therefore, a novel multi-layer scaffold consisting of a porous poly (?-caprolactone) (PCL) layer for cartilage regeneration and a porous composite layer of poly (L-lactic acid) (PLLA) and hydroxyapatite (HAp) for bone regeneration was developed. The microstructure of the scaffold was characterized by a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). Compression tests were also performed to understand the stress-strain behavior. FE-SEM observation clearly showed that an interlayer exists between the PCL and the composite layers. The compressive stress-strain relation is characterized by a stepwise behavior including the first and the second steps. The first modulus corresponding to the first step is mainly related to the deformation of the PCL layer; on the other hand, the second modulus is related to both solidified PCL layer and the composite layer and increases with increase of HAp content of the composite layer. It is also found that the classical mechanics theory and three-dimensional finite element model can predict the first modulus reasonably well.     

孔隙率可控的多孔羟基磷灰石生物陶瓷的制备

采用凝胶成型法制备用作骨移植和药物传递的多孔羟基磷灰石(HA)生物医用陶瓷,通过改变工艺参数制得了孔隙率和孔径可控、内部连通的三维网状开孔结构的HA,对其孔隙率、孔径及生物相容性进行了分析.结果表明:通过改变循环浸渍次数可以控制调节孔隙率在45%～92%之间;通过改变母体模板和浆料涂层的厚度可以控制孔径;制得的HA具有良好的生物相容性,具有这种特点的孔洞结构有利于骨细胞的生长.     

欠驱动柔性胸鳍仿生设计及仿真

为了进一步提高咽颌运动模式鱼类胸鳍仿生机构的性能,以实际鱼类胸鳍的结构和驱动控制机理为基础,采用欠驱动技术设计了一套新型的柔性胸鳍仿生机构,建立其运动学和动力学模型,并采用Matlab对其性能进行了仿真分析。从仿真结果来看,所建立的新型柔性胸鳍仿生机构及其运动学、动力学模型是合理、有效的。它不但能够较好的模拟胸鳍的各种操纵运动,而且减少了驱动装置的数量,降低了系统的复杂性。从而为深入研究鱼类胸鳍的推进机理和新型水下操纵工具的设计提供了一定的基础和保障。