面向骨植入體3D打印的多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)建研究

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1、帽灣：１０２肪嶋ＵＤＣ．７：６２１學(xué)號(hào)：１４９０１１ｔｆｉ博士學(xué)位論文面向骨植入體３Ｄ打印的多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)建研究研究生姓名：施建平導(dǎo)師姓名：王興松教授審請(qǐng)學(xué)位養(yǎng)別工學(xué)博士拳泣搜予雄位．東南大學(xué)一級(jí)學(xué)斜名稱機(jī)械工程２０論文＿日期１８年０６月１１日二級(jí)學(xué)科名稱機(jī)械電子工程學(xué)檀授予日期２０１８年月日．．魯辦番顯會(huì)主席顧忠偉教授評(píng)閱人２〇１８〇６月１１年：日博士學(xué)位論文面向骨植入體3D打印的多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)建研究?專業(yè)名稱：機(jī)械電子工程研究生姓名：施建平導(dǎo)師

2、姓名：王興松教授?本論文獲國家自然基金項(xiàng)目（61273243,51705259），江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（BE2016010）等資助。POROUSSTRUCTUREMODELINGANDPERFORMANCERESEARCHFOR3DPRINTINGBONEIMPLANTSADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYShiJianpingSupervisedbyProf.WangXingsongSch

3、oolofMechanicalEngineeringSoutheastUniversityMay.2018東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研宄工作及取得的研宄成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過？的研宄成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料６與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名：：—日期東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明東南大學(xué)

4、、中國科學(xué)技術(shù)信息研宄所、國家圖書館、《中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）》電子雜志社有限公司、萬方數(shù)據(jù)電子出版社、北京萬方數(shù)據(jù)股份有限公司有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印。本人電子文檔的、縮印或其他復(fù)制手段保存論文一，可內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱以公布（包括以電子信息形式刊登）論文的全部內(nèi)容或中、英文摘要等部分內(nèi)容。論文的公布（包括以電子信息形式刊登）授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。研究生簽名：導(dǎo)師簽名東南大學(xué)博士學(xué)位論文摘要應(yīng)用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造

5、方法制備的植入體零件普遍存在剛度較大和自重較重的問題，零件植入后與宿主骨之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)，這會(huì)引起植入體松動(dòng)，直接導(dǎo)致零件植入壽命減短或手術(shù)失敗。本文基于3D打印技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)制造工藝限制的特點(diǎn)，以面向零件功能型設(shè)計(jì)為指導(dǎo)思想，對(duì)多孔結(jié)構(gòu)植入體零件的建模方法進(jìn)行研究。首先以動(dòng)物骨組織為研究對(duì)象分析研究其組織結(jié)構(gòu)形態(tài)特點(diǎn)，以獲取相關(guān)骨組織特性參數(shù)，為多孔植入體模型的三維模型構(gòu)建提供必要的依據(jù)；隨后利用實(shí)體建模的模型構(gòu)建思路，基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)并利用相關(guān)建模軟件構(gòu)建出具有梯度結(jié)構(gòu)的多孔植入體模型，實(shí)現(xiàn)植入體零件模型力學(xué)

6、特性的分級(jí)梯度調(diào)控；再利用參數(shù)化模型構(gòu)建的思想，基于隱式曲面函數(shù)的模型構(gòu)建方法進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，設(shè)計(jì)出具有線性變化特征的仿生骨結(jié)構(gòu)多孔植入體單元模型，通過參數(shù)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)多孔植入體零件模型的力學(xué)特性線性調(diào)控。最后通過動(dòng)物植入實(shí)驗(yàn)，考察多孔植入體零件的骨整合效果。主要的研究內(nèi)容及成果如下：（1）通過對(duì)動(dòng)物骨組織醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的處理分析，利用三維反求模型構(gòu)建技術(shù)和有限元仿真分析技術(shù)定量分析了股骨頭內(nèi)部區(qū)域的骨小梁形態(tài)參數(shù)與力學(xué)參數(shù)，從測(cè)量和分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)骨小梁三維形態(tài)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)均表現(xiàn)出顯著的區(qū)域性差異。分析結(jié)果表明骨組織內(nèi)沿

7、主要承重方向的松質(zhì)骨主要由板狀骨小梁構(gòu)成，而沿非主要承重方向的松質(zhì)骨主要由桿狀骨小梁構(gòu)成，這些特征決定了骨塊沿不同的載荷方向表現(xiàn)出各向異性的力學(xué)性能。這種力學(xué)性能的區(qū)域差異性、各向異性特性以及骨小梁顯微形態(tài)結(jié)構(gòu)的區(qū)域差異性都是影響骨性能的重要因素，對(duì)這幾類參數(shù)分析的結(jié)果可以作為參與仿生多孔結(jié)構(gòu)骨植入體設(shè)計(jì)的重要參考數(shù)據(jù)。（2）通過實(shí)體建模模型構(gòu)建方法，將分層級(jí)梯度變化多孔結(jié)構(gòu)引入植入零件構(gòu)建中，通過參數(shù)調(diào)控，使得與宿主骨組織相接觸的多孔植入體表層表觀彈性模量與骨組織相接近，植入體的主體結(jié)構(gòu)仍然為實(shí)體結(jié)構(gòu)以確保必要的機(jī)械力學(xué)支撐

8、，在實(shí)體與表層多孔間添加過渡的多孔層，形成梯度結(jié)構(gòu)以減少應(yīng)力突變。利用這種梯度多孔結(jié)構(gòu)一方面可以有效減少植入體與骨組織之間的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，另一方面植入體中的多孔結(jié)構(gòu)可以為骨組織的長入提供特定的微環(huán)境，促進(jìn)骨組織長入，實(shí)現(xiàn)生物固定的目的。（3）基于隱式曲面函數(shù)的模型構(gòu)建方法，設(shè)