面向骨植入体3D打印的多孔结构构建研究
发布时间：2023-10-29 17:22
应用传统设计制造方法制备的植入体零件普遍存在刚度较大和自重较重的问题,零件植入后与宿主骨之间会产生应力遮挡效应,这会引起植入体松动,直接导致零件植入寿命减短或手术失败。本文基于3D打印技术能够突破传统制造工艺限制的特点,以面向零件功能型设计为指导思想,对多孔结构植入体零件的建模方法进行研究。首先以动物骨组织为研究对象分析研究其组织结构形态特点,以获取相关骨组织特性参数,为多孔植入体模型的三维模型构建提供必要的依据;随后利用实体建模的模型构建思路,基于计算机辅助设计技术并利用相关建模软件构建出具有梯度结构的多孔植入体模型,实现植入体零件模型力学特性的分级梯度调控;再利用参数化模型构建的思想,基于隐式曲面函数的模型构建方法进行多孔结构模型的构建,设计出具有线性变化特征的仿生骨结构多孔植入体单元模型,通过参数调控,实现多孔植入体零件模型的力学特性线性调控。最后通过动物植入实验,考察多孔植入体零件的骨整合效果。主要的研究内容及成果如下:(1)通过对动物骨组织医学影像数据的处理分析,利用三维反求模型构建技术和有限元仿真分析技术定量分析了股骨头内部区域的骨小梁形态参数与力学参数,从测量和分析结果中...
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.1.1 课题背景
1.1.2 课题研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 骨缺损三维建模研究现状
1.2.2 多孔结构模型设计方法现状
1.2.3 多孔植入体制造研究现状
1.3 主要研究内容
1.3.1 课题依托
1.3.2 研究目标
1.3.3 研究思路
1.4 全文组织结构
第二章 骨组织生物形态特征分析
2.1 骨组织的解剖结构和功能
2.1.1 骨骼的功能
2.1.2 骨骼的构造
2.1.3 骨组织的构成
2.1.4 皮质骨与松质骨结构特点
2.1.5 关节软骨
2.2 骨组织几何结构形态特征
2.2.1 骨组织CT图像处理
2.2.2 骨组织形态特征表征及分析
2.3 骨组织生物力学特征
2.3.1 皮质骨力学特征
2.3.2 松质骨力学特征
2.4 骨组织生物力学仿真建模与分析
2.4.1 区域模型单元提取
2.4.2 骨组织特性仿真参数
2.4.3 骨组织单元特征分析
2.5 本章小结
第三章 基于实体建模的梯度多孔结构骨植入体构建研究
3.1 实体建模理论
3.1.1 三维实体建模的表示方式
3.1.2 三维实体建模基础
3.2 单元结构建模
3.2.1 单元结构设计
3.2.2 单元结构参数表征
3.3 梯度多孔微结构建模
3.3.1 多孔结构构建
3.3.2 梯度多孔微结构构建
3.4 梯度多孔微结构的打印成型
3.4.1 打印材料及设备
3.4.2 多孔模型打印
3.5 梯度多孔微结构的形态分析
3.6 梯度多孔微结构的力学性能测试
3.6.1 FEA仿真测试
3.6.2 机械性能测试
3.7 本章小结
第四章 基于TPMS的参数化线性多孔结构构建研究
4.1 隐式曲面
4.1.1 隐式曲面的表达
4.1.2 曲面的数学变换
4.2 TPMS曲面单元构建
4.2.1 曲面构建
4.2.2 典型TPMS曲面
4.2.3 TPMS单元可视化
4.3 仿生线性多孔结构构建
4.3.1 仿生多孔结构构建
4.3.2 线性渐变结构
4.4 仿生多孔微结构的打印成型
4.4.1 打印材料及设备
4.4.2 多孔结构模型打印成型
4.5 仿生多孔微结构性能评价
4.5.1 仿生多孔微结构形态特征
4.5.2 力学FEA仿真测试
4.5.3 机械性能测试
4.6 本章小结
第五章 多孔结构骨植入体实验研究
5.1 多孔结构支架的植入实验
5.1.1 多孔微结构零件植入试件的设计制造
5.1.2 多孔微结构零件植入前处理
5.1.3 多孔微结构零件动物植入实验
5.1.4 多孔微结构零件植入后效果观察分析
5.1.5 多孔结构植入体骨整合的效果分析
5.2 多孔结构人工髋关节植入体的设计与制造研究
5.2.1 多孔髋关节的设计准则
5.2.2 多孔髋关节的设计方法
5.2.3 多孔髋关节的打印成型
5.3 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 论文创新点
6.3 研究展望
致谢
参考文献
作者简介
本文编号：3858520
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.1.1 课题背景
1.1.2 课题研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 骨缺损三维建模研究现状
1.2.2 多孔结构模型设计方法现状
1.2.3 多孔植入体制造研究现状
1.3 主要研究内容
1.3.1 课题依托
1.3.2 研究目标
1.3.3 研究思路
1.4 全文组织结构
第二章 骨组织生物形态特征分析
2.1 骨组织的解剖结构和功能
2.1.1 骨骼的功能
2.1.2 骨骼的构造
2.1.3 骨组织的构成
2.1.4 皮质骨与松质骨结构特点
2.1.5 关节软骨
2.2 骨组织几何结构形态特征
2.2.1 骨组织CT图像处理
2.2.2 骨组织形态特征表征及分析
2.3 骨组织生物力学特征
2.3.1 皮质骨力学特征
2.3.2 松质骨力学特征
2.4 骨组织生物力学仿真建模与分析
2.4.1 区域模型单元提取
2.4.2 骨组织特性仿真参数
2.4.3 骨组织单元特征分析
2.5 本章小结
第三章 基于实体建模的梯度多孔结构骨植入体构建研究
3.1 实体建模理论
3.1.1 三维实体建模的表示方式
3.1.2 三维实体建模基础
3.2 单元结构建模
3.2.1 单元结构设计
3.2.2 单元结构参数表征
3.3 梯度多孔微结构建模
3.3.1 多孔结构构建
3.3.2 梯度多孔微结构构建
3.4 梯度多孔微结构的打印成型
3.4.1 打印材料及设备
3.4.2 多孔模型打印
3.5 梯度多孔微结构的形态分析
3.6 梯度多孔微结构的力学性能测试
3.6.1 FEA仿真测试
3.6.2 机械性能测试
3.7 本章小结
第四章 基于TPMS的参数化线性多孔结构构建研究
4.1 隐式曲面
4.1.1 隐式曲面的表达
4.1.2 曲面的数学变换
4.2 TPMS曲面单元构建
4.2.1 曲面构建
4.2.2 典型TPMS曲面
4.2.3 TPMS单元可视化
4.3 仿生线性多孔结构构建
4.3.1 仿生多孔结构构建
4.3.2 线性渐变结构
4.4 仿生多孔微结构的打印成型
4.4.1 打印材料及设备
4.4.2 多孔结构模型打印成型
4.5 仿生多孔微结构性能评价
4.5.1 仿生多孔微结构形态特征
4.5.2 力学FEA仿真测试
4.5.3 机械性能测试
4.6 本章小结
第五章 多孔结构骨植入体实验研究
5.1 多孔结构支架的植入实验
5.1.1 多孔微结构零件植入试件的设计制造
5.1.2 多孔微结构零件植入前处理
5.1.3 多孔微结构零件动物植入实验
5.1.4 多孔微结构零件植入后效果观察分析
5.1.5 多孔结构植入体骨整合的效果分析
5.2 多孔结构人工髋关节植入体的设计与制造研究
5.2.1 多孔髋关节的设计准则
5.2.2 多孔髋关节的设计方法
5.2.3 多孔髋关节的打印成型
5.3 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 论文创新点
6.3 研究展望
致谢
参考文献
作者简介
本文编号：3858520
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