多孔仿生骨单元植入物三维打印成型系统开发及实验研究

摘要

理想的人工骨植入物，不仅要求外形与患者的骨缺损部位相符合，还应具有良好的力学性能及合适的生物仿生结构。采用传统加工方法制备人工骨植入物存在耗时长、内部孔隙结构加工困难、无法满足患者个性化需求等问题。利用3D打印技术制备人工骨植入物，不仅有利于实现复杂结构的人工骨植入物快速成型，同时能够精确控制孔隙结构、尺寸及分布，有利于促进骨细胞生长，加快骨修复过程。本课题针对目前骨修复过程中，存在修复植入体结构单一、多孔仿生结构难以加工等问题，通过对多孔结构进行力学仿真分析以及对三维印刷(Three Dimensional Printing，3DP)打印工艺的研究，提出一种改进的生物陶瓷多孔骨单元三维打印成型系统，主要研究内容如下:
　　选取兔骨小梁缺损部位为研究对象，对其进行图像分割、特征提取，建立骨小梁缺损部位的三维模型。在获取骨小梁缺损部位外轮廓的基础上，通过对植入环境中骨单元的生物力学性能要求进行分析，构建包括“疏松”型、“密质”型、“双层”型和“三层”型在内的四种多孔骨单元内部三维空间构架。再利用布尔运算，建立多孔骨植入物的三维模型。最后，利用有限元分析软件，研究上述多孔骨单元结构特征对其生物力学性能的影响规律。有限元分析结果表明“三层”型结构不仅构造与人体骨骼更为相似，力学性能也更加优越。
　　其次，研究了一种改进的基于3DP工艺的多孔生物陶瓷快速成型方法，并搭建面向骨修复的3DP快速成型实验平台，完成机械结构、运动控制系统及软件设计等。在此基础上，完成多孔骨单元植入物制备并通过相应性能测试，探讨骨单元植入物成型过程中系统参量、模型结构以及烧结工艺对成型骨单元微观外貌和力学性能的影响规律。
　　此研究内容可以为基于3DP工艺的高质量仿生骨骼打印制造的实现提供理论依据，对人工骨骼临床修复有重要的理论和实验意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 三维打印技术概述

1．1．1 三维打印技术的原理

1．1．2 三维打印技术的发展

1．1．3 三维打印技术的分类

1．2 基于生物陶瓷的多孔骨单元植入物制备方法

1．2．1 生物陶瓷及其制备方法概述

1．2．2 3D打印制备多孔骨单元植入物的国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容与研究意义

1．3．1 本文研究意义及目的

1．3．2 本文主要研究内容

第2章 多孔骨单元建模、有限元分析及数据处理

2．1 多孔骨单元植入物三维模型建模

2．1．1 Mimics软件介绍

2．1．2 多孔骨单元植入物建模方法

2．1．3 多孔骨单元植入物建模过程

2．2 多孔骨单元植入物有限元分析

2．2．1 Comsol Multiphysics软件介绍

2．2．2 多孔骨单元材料力学分析原理

2．2．3 多孔骨单元材料力学分析过程

2．3 多孔骨单元植入物三维模型数据处理

2．3．1 STL文件格式简介

2．3．2 多孔骨单元植入物三维模型切片处理

2．4 本章小结

第3章 多孔骨单元三维印刷成型平台设计及搭建

3．1 三维印刷成型技术概述

3．1．1 三维印刷成型的基本原理

3．1．2 三维粉末印刷成型工艺过程及特点

3．2 三维印刷成型平台总体设计

3．3 三维印刷成型平台机械系统设计

3．3．1 水平方向机械结构设计

3．3．2 垂直方向机械结构设计

3．3．3 滚粉机构的设计

3．4 三维印刷成型平台控制系统设计

3．4．1 控制系统概述

3．4．2 控制系统硬件模块设计

3．4．3 控制系统软件模块设计

3．4．4 三维印刷成型平台控制系统调试

3．5 本章小结

第4章 多孔骨单元植入物性能测试及实验研究

4．1 材料选择与制备

4．1．1 羟基磷灰石介绍

4．1．2 粘结剂的选择

4．1．3 增韧物质的选择

4．1．4 多孔骨单元植入物制备过程

4．2 烧结强化工艺

4．2．1 烧结工艺的选择

4．2．2 参数设定

4．2．3 烧结过程

4．2．4 烧结强化结果

4．3 多孔骨单元植入物力学性能测试与分析

4．3．1 多孔骨单元植入物力学性能测试装置

4．3．2 力学性能测试实验一

4．3．2 力学性能测试实验二

4．3．3 力学性能测试实验三

4．3．4 实验分析总结

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术研究成果

致谢