喉软骨损伤修复的数值模拟及实验研究

摘要

喉是人体最为复杂和重要的器官之一，它和人的正常呼吸、吞咽、发声等生理功能息息相关。人的喉部位于呼吸道的最前端﹐与外部环境直接接触，因此，喉会受各种内外环境的影响而遭到破坏。而甲状软骨又是喉软骨当中最大、最完整的一块，对维持喉的正常生理功能起到支撑和保护的作用。然而软骨独特的组织和解剖结构导致其再生能力极其有限，一旦遭到破坏，光靠软骨自身的修复将十分困难。近年来，随着组织工程和增材制造技术在生物医学领域的广泛应用，人们逐渐探索出一条将增材制造技术和组织工程技术相结合来修复损伤组织的方法。
　　本文分为甲状软骨成形术的数值模拟和壳聚糖/羟基磷灰石（CHA）、弹性聚氨酯（TPU）支架的成型制备两个部分。前半部分先介绍了组织工程和增材制造技术，然后再对甲状软骨的损伤修复进行了有限元分析；后半部分则主要阐述了熔融堆积技术制备弹性聚氨酯支架以及低温成型技术制备壳聚糖/羟基磷灰石复合支架的过程；并在最后使用成型的组织支架进行了甲状软骨损伤修复的前期动物实验。
　　在第一部分，本文首先通过Mimics医学图像处理软件，对获取到的喉CT进行图像的预处理工作，建立起甲状软骨的三角网格模型。接下来对甲状软骨的三维模型进行逆向处理。在逆向工程软件Geomagic Studio中完成对甲状软骨模型的曲面拟合，建立起NURBS曲面实体模型。以甲状软骨成形术的手术过程为参考，通过CAD模块的布尔运算，生成相应的损伤模型和支架。最后再导入到大型有限元分析软件 ANSYS中进行有限元分析，模拟植入不同材质的支架对喉软骨生物力学性能的影响。结果发现，支架在术后的固定过程中起到传递和分散软骨支撑力的作用，并且弹性模量的不同，传递的效果也不一样。
　　在文章的第二部分，利用熔融沉积技术制备出弹性聚氨酯（TPU）支架，使用低温成形技术制备壳聚糖/羟基磷灰石（CHA）复合支架，结尾还进行了甲状软骨修复的前期动物实验。将15只新西兰大白兔（雌雄各半，体重2~2.5Kg）随机分成3组，每组4只，第一组在软骨缺损处植入弹性TPU支架，第二组在缺损部位植入3:2的CHA(Chitosan:HA)支架，第三组在缺损部位植入1:1的CHA(Chitosan:HA)支架，剩下的3只作为对照组，并取其中1只作损伤处理，术后不进行修复，剩下两只正常饲养。术后一周，未见动物体对支架产生排斥反应，恢复情况正常。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 组织工程概述

1.2 增材制造技术

1.3 逆向工程简介

1.4 喉软骨数值模拟和损伤修复的国内外研究现状

1.5 本文研究意义及主要内容

第2章 甲状软骨三维模型的构建

2.1 甲状软骨解剖结构和组织构成

2.2 甲状软骨CT图像的处理

2.3甲状软骨模型的逆向重建

2.4 本章小结

第3章 甲状软骨成形术的有限元分析

3.1ANSYS仿真分析

3.2接触分析

3.3Meshing网格划分

3.4本章小结

第4章 甲状软骨成形术的生物力学研究

4.1修复材料确定

4.2材料的添加

4.3载荷边界条件的设定

4.4生物力学结果分析

4.5本章小结

第5章 甲状软骨修复动物实验

5.1组织支架的制取

5.2组织支架修复甲状软骨损伤的动物实验

5.3 一周修复结果

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录