3D打印钛合金骨小梁多孔结构的拉伸性能

文题释义：3D打印：3D打印技术开创了增材制造的生产方式,即依照3D设计蓝图可将金属粉末等原材料逐层堆积而制成最终产品,擅长构建形状结构复杂的产品与个体化定制,制作特异性假体或植入物,供植入以达到重建等目的,在骨科领域得到了广泛应用。 钛合金骨小梁：是以钛合金粉末为原材料,采用金属3D打印技术通过金属微粒逐层熔融叠加生成的一种类人体骨小梁三维空间网孔结构,其力学性能和生物学性能和人体的松质骨骨小梁极为相似,作为人工植入假体的表面结构,具有非常出色的骨长入效果。 背景：3D打印钛合金多孔结构以其良好的机械性能和生物相容性已经在骨科植入假体设计与临床应用方面得到了快速发展,与涂层假体相比,钛合金骨小梁结构具有骨长入快和骨长入好的优点。为了保证骨科植入物的安全,目前多采用实验方式确定骨小梁结构的拉伸、剪切疲劳和弯曲疲劳强度。 目的：通过力学实验和有限元数值模拟方法研究骨小梁多孔结构的力学性能。 方法：①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验：设计并制备3D打印钛合金骨小梁拉伸试件,骨小梁结构的丝径为0.28-0.35 mm、孔径为0.71 mm、孔隙率为73%。检测钛合金骨小梁结构的拉伸强度,分析其失效机制,同时分析不同打印位置对骨小梁拉伸强度的影响。②数值模拟实验：利用有限元方法建立包括骨小梁理论结构的拉伸试件实体模型,模拟骨小梁试件的拉伸破坏过程。 结果与结论：①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件的极限载荷分布在39.55-47.11 kN之间,等效极限拉伸应力分布在62.79-74.53 MPa之间,拉伸破坏的结果为网状结构断裂,说明钛合金骨小梁具有较高的拉伸强度;②3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验与数值模拟实验均显示,骨小梁试件受到拉伸破坏时的破坏形式为丝径断裂,不会在骨小梁与钛合金实体的结合面发生断裂;③数值模拟实验中骨小梁试件的拉伸破坏载荷低于3D打印钛合金骨小梁拉伸试件,造成该差异的原因主要为：3D打印骨小梁试件的丝径(280-350 μm之间)大于骨小梁的理论丝径(142 μm),而孔径(孔隙率75%)小于骨小梁的理论孔径(孔隙率96%)。 ORCID: 0000-0001-7000-2093(张兰) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

矩形微缺损关节软骨在压缩载荷损伤演化的数值分析

目的 研究软骨在压缩载荷作用下的损伤扩展行为和演变机制。方法 采用有限元方法建立微缺损的纤维增强多孔弹性的软骨模型,对压缩载荷作用下损伤演化过程进行模拟和参数研究,获得不同损伤扩展阶段软骨基体和纤维的应力、应变分布规律。结果 软骨损伤表层和损伤前沿的应变随压缩量的增大而显著增大,两者呈明显的正相关性;在软骨演化过程中同时存在向深层和左右两侧扩展的趋势;软骨中的裂纹和损伤优先沿着纤维切线方向延伸,随着损伤的加剧,软骨横向扩展度明显快于纵向扩展速度。结论 软骨损伤演化过程与纤维的分布有着密切的关系,基质和纤维的损伤相互促进,骨演化速度和程度在不同层区和不同阶段存在变化。研究结果可为软骨创伤性退变的预测及修复提供定性的参考,为临床解释损伤退变病理现象和治疗提供理论依据。     

新型人工腰椎间盘置换的三维有限元模型

背景：随着对腰椎生物力学研究的不断深入,相关非融合及动力内固定装置的不断完善和改进,以人工椎间盘置换为代表的脊柱非融合技术的出现给了脊柱外科医师新的选择,因此,设计合理的人工椎间盘显得尤为重要。目的：建立腰椎运动节段新型人工椎间盘置换的有限元模型,用于进一步的生物力学研究。方法：选取1名健康男性志愿者 L3-L4薄层 CT 扫描图像,结合人体解剖学数据,通过医学图像软件Mimics和工具软件 Geomagic Studio,应用逆向工程技术重建腰椎模型。结合硅胶人工椎间盘的三维模型,用有限元分析软件 ANSYS12.0转换成有限元模型。结果与结论：通过 CT 断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,成功建立腰椎运动节段的三维模型和人工椎间盘置换的有限元模型。该有限元模型共有691085个单元,1008913个节点,可以施加约束和载荷,用于脊柱生物力学及新型人工椎间盘的进一步研究。     

小儿先天性髋关节脱位的生物力学研究

目的：通过先天性髋关节脱位患儿在术中的活体测试,对先天性髋关节脱位的生物力学改变进行研究。方法：本研究采用生物力学电测法,并利用特种压力传感器,对先天性髋关节脱位患儿在术中进行髋关节多上咪多体位测定,同时进行术后等同测定进行比较性研究,测试结果使用ANSYS5．4有限元软件进行处理。结果：先天性髋关节脱位股骨头顶部及冠状面内30度高应力分布区,有限元分析股骨头冠状面30度及内侧股骨颈载荷变形较大。结论：小儿先天性髋关节脱位发展过程与股骨头颈载荷改变具有明显改变,早期的连衣挽具有蛙式支架治疗,可部分消除股骨头顶部及冠状面的内30度理性高应力区,使股骨头与臼部得到相对正常的载荷。晚期的Salter及Chiari截骨术可增加股骨头冠状面的外30度载荷,减少股骨颈内侧载荷。     

微创矫治漏斗胸后时间延展胸廓骨重塑的临床研究

目的探讨漏斗胸微创矫治后时间延展性胸廓骨自身重塑的变化与临床疗效。方法 34例漏斗胸患者,其中男性27例,女性7例;年龄11～39岁,平均年龄18.1岁。组1为大龄儿童组,年龄11～17岁,13例;其中对称型(Ⅰ型)9例,非对称型(Ⅱ型)4例;漏斗胸指数(HI)3.2～4.6。组2为成人组,年龄18～39岁,21例;其中Ⅰ型10例,Ⅱ型11例;HI3.2～5.7。全身麻醉下在两侧腋中线切口,胸腔镜辅助先将扩展钳穿过胸骨形成隧道,抬举扩展钳重塑胸廓成形后,再将制备好的支撑杆置入胸骨后翻转至弓背向前固定。术前和术后胸部CT扫描,胸廓三维重建,矢状位测量胸骨与胸椎体前缘的距离。并观察心脏位置和胸廓外形。结果组1置入1杆10例,2杆3例;组2置入1杆12例,2杆9例。2组中矫形前、术后7 d比较,置入1根矫形板胸骨体下端均向前移位,而胸骨柄和胸骨体上端则反向移位;90 d时胸骨柄、体再缓慢向前移位。组2置入2根矫形板时,术后7 d和90 d胸骨柄体连续向前移位;90 d时胸廓外形饱满,心脏移位恢复正常。结论漏斗胸微创矫形后胸廓骨具有自行重塑的功能,用1根矫形板比2根者胸廓骨自行重塑更明显。     

带锁髓内钉与锁定加压接骨板固定胫骨近端骨折的有限元分析

目的评估带锁髓内钉(interlocking intramedullary nail,IIN)与锁定加压接骨板(locking compression plate,LCP)固定胫骨近端骨折的生物力学稳定性,为临床治疗方案的选择提供指导。方法按胫骨近端不同位置模拟骨折将其分成A、B、C三组,使用两种不同内固定物分别对骨折模型进行固定并用有限元法分析胫骨骨折模型及内固定物在500N轴向压缩载荷下的位移和等效应力及分布情况。结果 3组模型中使用IIN固定的胫骨骨折模型及胫骨的最大轴向位移均比使用LCP的小;IIN及其固定的胫骨最大等效应力值均比LCP及固定的胫骨的小。且IIN应力分布较均匀,LCP应力集中在骨板与锁定连接处。结论 IIN抗压缩能力强且固定坚强可靠,应力分布较均匀,抗疲劳性好,其固定胫骨近端骨折稳定性优于LCP。     

漏斗胸微创矫形手术的生物力学研究进展

开展漏斗胸微创矫形手术的生物力学研究以及阐述矫形机制对于提高矫形手术水平、开展个性化手术治疗、发展新的矫形手术方法和扩展微创矫形手术的应用范围具有重要意义。漏斗胸微创矫形手术已经成功用于儿童的漏斗胸矫形,但是成人漏斗胸矫形手术的应用还未普及。面对漏斗胸矫形可能会加重脊柱侧弯的风险,医生被迫放弃手术,致使部分漏斗胸合并脊柱侧弯的患者终生不能得到治疗。总结漏斗胸微创矫形手术的生物力学研究进展,包括胸廓模型的三维重建、矫形模型的应用、矫形过程的数值模拟以及数值模拟结果在临床的应用。结合成人漏斗胸矫形数值模拟的特点提出解决方法,并针对漏斗胸的生物力学研究现状提出需要解决的问题,如计算模型需要考虑主要肌肉、椎间盘、前后纵韧带、椎体横凸棘间韧带和棘上韧带,验证数值计算结果的实验研究方法等。     

膝关节单髁置换界面应力失效分析

目的 分析骨水泥型胫骨假体平台界面应力,确定界面应力损伤区域,为临床单髁置换胫骨平台的应力失效问题提供参考。方法 通过人体动力学软件模拟完整周期的步态,获得膝关节的承力条件;利用医学影像及三维重建软件建立完整的膝关节模型并进行单髁置换;通过有限元法分析单髁置换后胫骨假体平台界面应力的分布规律。结果 步态下膝关节的力和角度随时间呈周期性变化,1.3 s为1个周期,膝关节合力峰值为760 N;界面最大剪切应力为11.82 MPa、最大拉应力6.849 MPa,均发生在假体-骨水泥界面的内侧前端拐角处;对于界面的最大应力,钛合金假体低于不锈钢假体。结论 假体的弹性模量减小可以降低界面最大主应力,从界面应力考虑,钛合金假体优于不锈钢假体;胫骨假体平台界面损伤区域主要在内侧前、后端拐角和外侧中端处,故提高该区域假体-骨水泥结合能力能防止单髁膝关节胫骨假体平台松动。研究结果对临床中单髁术后胫骨假体平台松动预防具有实际意义。     

Nuss手术矫正漏斗胸过程的数值模拟

目的 建立漏斗胸患者前胸廓三维实体模型,进行生物力学有限元分析,为Nuss手术提供可参考的依据,并提出可行的手术方案.方法 首先利用Mimics和GeomagicStudi0软件的三维造型功能,构建出漏斗胸患者前胸廓三维模型,包括患者前胸廓数据采集,生成点云数据,构建前胸廓三维实体造型;然后利用有限元分析软件ANSYS...     

关节软骨体外构建力学环境的研究进展

很多物理因素都影响软骨组织的生长和发育,其中力学因素起主要作用。软骨的生长、发育是力学调控的适应过程。当前采用多种力学条件应用于软骨生物反应器,如流体剪应力、液体压力、直接压缩等,或其中部分组合,但这些条件还没有构建出与活体软骨结构-功能相匹配的人工软骨。如果一种载荷能适合构建软骨,那么这种载荷首先能保证培养物内部信号分子、营养和废物的有效运输;其次,能对支架内种子细胞特定的力学刺激;第三,能促进培养物结构-功能的发展。本文回顾、分析当前多种力学条件的作用效果,其中流体剪应力、液体压力、拉伸、直接压缩或变形剪应力都是软骨受力状态的部分体现。作者认为滚压载荷是软骨培养的合适力学环境,它是当前多种力学条件的一个综合指标,对软骨培养物可以形成纵向的动态压缩和横向的动态变形剪应力,并且有利于细胞新陈代谢物质的运输,因此,滚压环境可能是人工软骨结构-功能构建的发展方向。