具有间孔结构人工骨的CAD设计与制作研究

摘要

目的：
　　1.采用计算机辅助设计（CAD）、三维有限元分析（FEA）等方法，建立不同孔径、孔间距、孔排列方式的人工骨三维数字化模型，探讨不同间孔结构人工骨模型的力学性能，筛选出具有最佳力学性能的间孔结构；
　　2.使用增量制造技术（RP）中的立体光固化工艺，制作出具有间孔结构人工骨的光敏树脂阴模模型，并采用真空灌注、高温烧结等方式制作出具有间孔结构的生物活性玻璃人工骨及含有中药骨碎补的载药人工骨，为临床修复大段骨缺损提供新的研究基础；
　　3.采用具有间孔结构的骨缺损修复体，修复肿瘤切除后遗留的大段骨缺损，观察并评估修复效果，讨论计算机辅助设计制作具有间孔结构的骨修复体在临床中的应用价值。
　　方法：
　　1.使用计算机辅助设计软件UGS NX7.5建立骨管模型及骨板数字化模型，并模拟6种不同孔径、各5种不同孔间距均匀平行排列的间孔结构及均匀交错排列的间孔结构，使用有限元分析软件ABAQUS6.11，导入骨管及骨板数字化模型，适当网格划分后加载生理载荷进行有限元分析，记录各模型的最大von mises应力，使用正常人股骨纵向压缩的屈服应力作为评价标准，筛选出最佳的孔径、孔间距及排列方式；
　　2.采用计算机辅助设计具有间孔结构人工骨的阴模模型，使用增量制造技术中的立体光固化工艺，以光敏树脂为原料制作出阴模实体模型，使用硝酸钙、磷酸三乙酯等无机盐为原料以熔融法制作生物活性玻璃粉体，制成浆料后真空灌入人工骨阴模模型内，高温烧结制作出具有特定间孔结构的生物活性玻璃人工骨，或在浆料中混合中药骨碎补的水提取液后制作出载药人工骨；
　　3.回顾性研究肿瘤切除术后遗留大段骨缺损的患者1例，术前采用计算机辅助技术，将CT/MRI扫描获取的二维图像数据进行三维重建，分析确定肿瘤的切除范围、CAD设计制作肿瘤切除引导模板、异体骨修剪模板、计算机模拟骨缺损修复重建，术中按照辅助模板的引导，精确进行肿瘤的切除、具有间孔结构修复体的制作以及骨缺损的修复，术后对患者进行临床观察、影像学评价及功能评价。
　　结果：
　　1.根据既定评价标准，对于骨管模型筛选出的最佳力学性能“孔径/孔间距”配对为：“4.5 mm/3.6 mm”、“4.0 mm/3.2 mm”、“3.5 mm/2.8 mm”、“3.0 mm/2.4mm”、“2.5 mm/2.0 mm”、“2.0 mm/1.6 mm”，孔间距为0.8倍的孔径大小，观察应力云图分布发现，应力集中现象均发生在内层皮质两孔相邻处，各模型最大von mises应力点均出现在该区域；对于骨板模型，最佳力学性能“孔径/孔间距”配对为：“4.5 mm/1.8 mm”、“4.0 mm/1.6 mm”、“3.5 mm/1.4 mm”、“3.0 mm/1.2 mm”、“2.5 mm/1.0 mm”、“2.0 mm/0.8 mm”，孔间距为0.4倍的孔径大小，观察应力云图发现，应力集中现象发生在横向两孔相邻的骨质薄弱处。对于同种孔径、孔间距条件下，均匀交错间孔结构的力学性能优于均匀平行间孔结构。
　　2.采用RP技术精确的制作出了间孔结构人工骨阴模；采用真空灌注、高温烧结等工艺，以钙盐、磷盐、硅酸盐等无机盐为原料制作出了孔隙率高、连通性能好的具有间孔结构的生物活性玻璃人工骨，经XRD、FTIR、SEM等分析证实，制作出的人工骨为生物活性玻璃成分；
　　3.患者按照术前预先的设计，精确、顺利的完成了肿瘤切除、骨缺损重建，术后X-ray检查提示修复效果满意，术后3个月异体骨和宿主骨交界区开始出现骨痂，术后12个月未出现明显的异体骨吸收，术后3个月、6个月、12个月的Enneking评分分别为14分、24分、26分，组织学检查发现交界区有骨质融合。
　　结论：
　　1.具有一定间孔结构的骨管或骨板模型，其力学强度仍可以满足生理需求，均匀交错间孔结构的力学性能优于均匀平行间孔结构，对于大段的长管骨骨缺损修复体，推荐的间孔结构为均匀交错排列，相邻两孔的间距为0.8倍的孔径最佳，对与板状骨的骨缺损修复体，推荐以0.4倍的孔径设计孔间距。
　　2.采用CAD/CAM技术、RP技术、真空灌注、高温烧结可以制作任意精细形状的人工骨及载药人工骨，且人工骨内部的孔隙率高、连通性好，可以用于大段骨缺损的个性化精确修复；
　　3.采用具有间孔结构的骨缺损修复体，可以促进新骨形成以及交界区的融合，并且可以明显减少异体骨的吸收。

目录

声明

引言

第一部分具有间孔结构骨管/骨板模型的有限元分析

1.1 前言

1.2 实验材料

1.3 实验方法

1.4 结果

1.5 讨论

第二部分具有间孔结构生物活性玻璃人工骨的制作

2.1 前言

2.2 实验材料

2.3 实验方法

2.4 结果

2.5 讨论

第三部分计算机辅助设计制作具有间孔结构骨缺损修复体的临床应用

3.1前言

3.2材料与方法

3.3 结果

3.4 讨论

结语

参考文献

附录一

附录二

参与科研情况

致谢