硕士论文陶瓷金属复合人工骨仿生结构设计基础研究.doc

硕士研究生学位论文新 疆 大 学论文题目(中文)：陶瓷-金属复合人工骨仿生结构设计基础研究论文题目(外文)：Basic research of ceramic-metal composite bionic scaffold for bone tissue engineering研究生姓名： 学科、专业： 机械制造及其自动化学 位 类 别: 工 学 硕 士研 究 方 向： CAD/CAM及先进制造技术导师姓名职称： 论文答辩日期 年 月 日 学位授予日期 年 月 日摘要骨组织工程支架是构建组织工程活性骨的前提，其结构和生理机能决定了大段仿生人工骨的成骨性能。因此支架不仅要具备与所替代部位的骨骼外形相匹配，而且要具备三维贯通的微结构为组织的长入、再生、营养输送和代谢提供通道，同时更要具备足够的强度去承受宿主组织环境中的压力为新长的组织提供暂时的力学支撑，这也是大段仿生人工骨的研究难点。针对该难点，本文利用不同材料具有的不同的生物性能和力学性能，提出使用陶瓷材料制备仿生人工骨的微结构，钛合金材料制备仿生人工骨的轮廓结构，并且利用流体力学对仿生人工骨微结构进行了优化选取，利用力学实验对仿生人工骨结构进行力学验证。同时采用快速成形技术制备仿生骨支架负型，对仿生骨支架的成形工艺进行了初步研究。对股骨在复杂受力下应力分析研究的基础上，对股骨进行了数值模拟分析。应用Mimics软件将股骨CT数据以DICOM格式导入，生成股骨三维模型，对模型进行面网格划分、物理材料赋值，应用ANSYS软件实现三维模型体网格划分，并根据股骨骨折机制，设置股骨头传递关节力的大小和作用点位置，以用来模拟股骨在正常活动和突发状况下的形变和应力分布，得出股骨骨折的应力特征和应力趋势。数值仿真结果与股骨骨折机制相符合，为股骨缺损修复研究提供了基础。通过对假体置换后股骨距受力规律的研究，建立出六种不同密度的支架结构，并分别对这几种结构进行受力分析，选择可承受最大受力的支架结构，然后根据股骨距的尺寸特征，建立适合的支架结构进行受力分析，与股骨距路径受力曲线进行比较。并以此支架结构建立仿生人工骨支架，通过逐步减小支架密度的方式，达到与股骨距应力趋势相符的目的。在对自然骨微孔结构研究的基础上，建立了六个具有三维贯通的正交型微孔道人工骨模型，其中孔径为的支架4个，孔径为的支架2个。由Wolff定律可知骨细胞的增殖与所受的剪切力密切相关，结合N-S方程对本次设计的六个仿生人工骨微结构进行优劣评价，将六种微结构放入相同的流场环境中分析，将数值分析结果进行对比，并与利于骨细胞增殖的剪切力范围对比，结果表明仿生骨微结构孔隙率对于剪切力的影响不大，相反微结构孔径的大小对剪切力起主导作用。在对人工骨仿生支架负型制造法研究的基础上，建立了两种带有微孔道的仿生人工骨支架负型，即正交型和轮辐型。结合快速成形技术建立支架负型的实体模型，并向其中填充生物材料，烧结后得到具有生物活性的人工骨支架。对不同填充法和不同处理方式下，人工骨支架的烧结效果进行分析讨论，得出支架烧结后碎裂的原因，对仿生人工骨支架的成型工艺进行了初步研究。关 键 词： 仿生人工骨 股骨数值分析 支架结构 微结构 成型工艺论文类型：应用基础AbstractBone tissue engineering scaffold is the precondition of constructing active bone, its structure and physiological function determines the long bionic artificial bone osteogenesis performance. So scaffold should not only match the replaced bone shape, but also have 3D microstructure to provide channels for tissue ingrowth, regeneration, nutrition metabolism, at the same time have sufficient strength to withstand the environment of host organization pressure for new tissue grow provides temporary mechanical support, this is the pivotal key for bionic artificial bone research. Aimed at the difficulty, according to the different material with biological properties and mechanical properties，this paper put forward using the bionic human bone microstructure of ceramic materials preparation, the titanium alloy material preparation bionic structure of artificial bone, make use of fluid mechanics to optimize bionic human bone microstructure, and mechanics experimental validation of bionic artificial bone structure mechanics. At the same time use the rapid prototyping technology to study the preparation of biomimetic bone scaffold technology.The femur CT data import in the Mimics software by DICOM format, generate femur 3D model, to surface meshing the model, and assign the physical material. ANSYS software is applied to implement 3D mesh model, according to the femoral fracture mechanism, set the femoral head joint the size of the force and the point position, simulate the femur deformation and stress distribution under normal and emergency, obtain the stress characteristics and stress trend of femoral fractures. The results of numerical simulation in conformity with the femoral fracture mechanism, provides the basis for study of femoral defect repair.After prosthetic replacement, study of the regularity from calcar, create six different density of the scaffold structure, respectively for the several kinds of structure stress analysis, choice of support structure can withstand maximum stress, based on the size of the calcar characteristics, establish a suitable support structure stress analysis, comparing with femur stress path curve, using the framework building bionic artificial bone scaffolds, gradually reduce the stand density, achieve the goal of conform to the calcar stress trend.On the basis of natural bone microporous structure research, set up six type with 3D through orthogonal microchannel model of the artificial bone, The pore size of bracket is four, aperture of bracket is two. By Wolff law, bone cells proliferation is closely related to shear force, in combination with navier-stokes equation to evaluate six bionic human bone microstructure, put the six kinds of microstructure in the same flow field environment to analyze, compare the numerical analysis results, compared with the shearing force scope of bone cell proliferation. The results show that porosity has little influence for shear force, instead microstructure aperture size on the shear stress play a leading role. Based on the the research of artificial bone bionic scaffold type manufacturing method. set up two kinds of bionic artificial bone scaffold with microchannel type, the orthogonal and spokes. Combined with 3D light curing rapid prototyping technology, set up Support negative-mold of entity model, fill in biological materials, after sintered obtain bioactive artificial bone scaffolds. For different packing and different processing modes, analysis of artificial bone scaffold sintering effect, Get reason for stent fracture after sintering, preliminary studied the forming technique of bionic artificial bone scaffolds.Keywords: Biomimetic artificial bone, Femur numerical analysis, Scaffold structure, Microstructure, Forming processDissertation Type: Applied Fundamentals目录摘要IAbstractIII目录V1 绪论11.1 研究背景及课题意义11.2 仿生人工骨的发展21.2.1 现有仿生人工骨结构21.2.2 现有仿生人工骨材料51.2.3现有仿生人工骨制作工艺81.3论文研究内容91.3.1主要研究内容91.3.2 总体技术路线101.3.3 论文章节安排112 股骨损伤数值模拟研究122.1 骨的基本结构122.2股骨三维有限元模型的建立132.2.1 股骨医学图像三维重建132.2.2 股骨三维模型优化162.2.3 股骨模型材料属性172.3 股骨数值模拟仿真182.3.1边界条件及载荷的设置192.3.2 股骨变形和应力分析202.4本章小结233. 人工骨仿生结构的设计研究253.1髋假体植入后的股骨模拟分析253.1.1 人工髋假体的简化设计253.1.2 髋关节置换后股骨距受力研究273.2 人工骨仿生结构设计研究293.3 建立人工骨仿生结构323.4 本章小结334. 人工骨仿生微结构的设计研究344.1仿生微结构的设计准则344.2 纳维-斯托克斯方程(N-S方程)354.3仿生微结构的流体力学分析414.3.1 流体分析模型建立414.3.2结果分析及优劣评价424.4建立人工骨仿生微结构444.5本章小结445 仿生人工骨支架成型工艺研究465.1 支架制备技术路线465.2支架规则微管道结构设计465.2支架负型快速成型制造技术485.3 人工骨仿生支架成型工艺研究505.3.1实验前期准备505.3.2支架成型工艺研究505.4 人工骨支架力学性能初步研究585.5分析与讨论606 结论与展望626.1 结论626.2 展望63参考文献64攻读硕士期间发表的论文67致谢68学位论文独创声明书69学位论文知识产权权属声明691 绪论1.1 研究背景及课题意义骨缺损是骨科临床常见的问题之一，尤其是大范围骨缺损的修复不能完全依靠骨骼的自我愈合能力来完成，临床上通常采用骨移植方法，骨移植有利于骨的愈合，可用于骨缺损的重建或修复。骨移植材料目前临床主要采用自体骨移植、异体骨移植及异种骨移植，虽然都有一定的临床应用效果，但也各自存在着一定的缺点。自体骨来源有限，难以实现大量骨的移植。异体骨移植，有潜在的疾病传播与并发感染的危险，而且大段骨移植后与宿主骨整合过程缓慢不彻底，易发生疲劳骨折。异种骨移植由于存在宗教、伦理道德和免疫排斥等影响未得到广泛使用1-2。鉴于以上材料的局限性，仿生人工骨成为治疗骨缺损新的骨移植选择。骨组织工程学是20世纪80年代提出的一门交叉性学科3。骨组织工程技术的发展为骨折不愈合、大段骨缺损及骨肿瘤引起的骨折提供了一种前景广阔的修复方法，基本原理为：将经过体外培养的特定组织细胞吸附于生物材料支架上，构成由细胞和生物材料组成的三维空间复合体，之后植入体内，经过一段时间，随着细胞的增殖和材料的降解吸收，形成具有特定形态、结构的组织工程骨4。种子细胞、支架和可溶性调节因子是组织工程研究的三大要素。其中支架的研究是骨组织工程中最基础的问题。骨组织工程要求支架能够提供一个仿生力学微环境，以利于细胞的粘附和增殖5。支架的材料和结构设计对细胞的种植和生长有重要的影响。骨组织工程中的支架材料作为种子细胞的细胞外基质替代物和再生组织的框架，其特性直接影响到细胞的存活、传输、增殖和代谢，也是影响构建骨组织成败的关键因素。复合材料是由两种或两种以上不同的组分或相（大于原子的尺度）组成的固体材料，能在很大程度上改善单一材料的机械性能和生物相容、降解性6。而且骨组织工程的支架功能要求其材料的构成体系复杂化，这就加大了开发新型生物材料的难度，因此设计构造出能够满足骨组织工程所需结构和性能良好的支架复合材料是当今研究的热点。但是目前关于复合材料的研究主要集中在生物性能方面，在材料层面如何加强支架的机械性能又不忽略生物性能还有待于进一步的研究。由骨组织工程的基本原理可以得知，骨组织工程支架应该提供足够的强度去承受宿主组织环境中的压力为新长的组织提供暂时的力学支撑，但又要求有三维贯通的孔隙结构和高孔隙率，为组织的长入、再生、营养输送和代谢提供通道7-10。目前关于支架结构的研究主要集中在两方面，一方面支架的微孔是随机生成的，孔隙率不高，有一定的强度。但是微结构得不到精细的控制，使得支架内部孔间连通程度和连通孔道的扭曲程度达不到支架结构的设计要求，这就直接影响到细胞在支架中的传输、增殖和代谢；另一方面支架的微孔是可控的，但是只在材料层面考虑了支架的强度问题，这种方法是可行的，但是对于材料的选择和制备方法产生了更高的要求。因此组织工程骨的强度与其可控孔隙结构的矛盾要求是支架结构设计的难点所在，具有潜在的研究价值。1.2 仿生人工骨的发展仿生人工骨结构的研究主要依据其植入人体体内后是否可以产生两方面影响，即机械性能和生物性能。其中，机械性能指仿生人工骨的结构性支撑和与宿主应力的匹配等方面的性能。生物性能主要通过成骨作用、诱成骨作用和骨传导三种机制实现。理想的仿生人工骨材料应具有生物活性和可降解性，此外，还要有骨结合性。也就是说，具有生物活性的材料可与骨骼进行物质交换；具有降解性的材料可逐渐被骨骼替代；具有骨结合性的材料可传递骨骼受力，起到力学支撑，避免因材料力学强度过高造成应力集中，引发骨吸收现象。1.2.1 现有仿生人工骨结构仿生人工骨结构可分为外轮廓结构和微结构两部分，人工骨外轮廓结构以仿照骨骼外部形态设计，实现缺损部位的填充，人工骨微结构即多孔结构，依据骨骼内部存在的复杂微结构系统发展而来，对于用于修复大段骨缺损的人工骨支架而言，多孔结构体系是骨的生长和再生的必备条件。 现有仿生人工骨结构的研究主要是实现人工骨仿形，即高度的外形个体匹配性，是以医学辅助软件、CAD、快速成形技术为基础研究，设计制造流程如图1-1。图1-1 人工骨结构设计制造流程仿生人工骨微结构是指具有一定孔隙率的三维多孔体系结构，为组织的长入、再生、营养输送和代谢提供通道。人工骨微结构主要研究内容分为不可控多孔结构和可控多孔结构，这种结构的区分与支架的制作方法有密切的关系。在不可控多孔结构的仿生人工骨支架中，在早期的组织工程的对细胞外基质研究中纤维支架（如图1-2a）是其替代物之一，随着技术的发展又产生了多孔泡沫或海绵支架。韩国科技学院的Yoon Sung Nam 和Tae Gwan Park采用相分离技术制备的仿生骨支架12，如图1-2b所示。加泰罗尼亚科技大学的A. Almirall等人采用气体发泡法制备的仿生骨支架13，如图1-2c所示。 a b c图1-2 不可控多孔结构的仿生人工骨支架随着快速成形技术的发展，许多组织工程学家采用直接从人工骨孔隙结构入手，与仿生学相结合，生成与人体骨相似的可控多孔结构人工骨支架。最早的可控多孔结构人工骨支架是由Van Cleynenbreugel等提出的网格结构，即用均质的网格结构取代骨小梁的自然结构14。在此基础上在此基础上L. Moroni等人设计出四种不同的搭接结构15，如图1-3a所示。Kalita等人提出了轮辐连通结构和蛛网连通结构，并且设计了从中心到边缘的不同的孔隙率的连通结构16，如图1-3b所示。连岑利用计算机辅助技术设计出具有渐变性孔隙率特性的同心圆仿生人工骨微结构，并使用立体光固化快速成形制造出仿生人工骨模型17，如图1-3c所示。Lin Liulan等人利用计算机建模技术建立微球堆积模型，通过控制微球直径达到控制仿生人工骨的孔隙率18。M.A. Wettergreena等人根据建筑支架的原理，利用CAD和有限元技术设计出的支架结构19 ，如图1-3d所示。Hongyun Huang等人提出多元四面体单元的支架结构20，如图1-3e所示。不可控多孔结构的仿生人工骨支架的制造多是从材料的组成成分的角度去研究，没考虑支架的生物传输代谢机能，不利于组织液渗透和骨细胞增殖。可控多孔结构的仿生人工骨支架是通过计算机辅助设计软件设计，采用快速成型技术制备原理，保证了细胞在支架中的传输、增殖和代谢，但只在在材料层面考虑了支架的强度问题，没有考虑到支架结构的力学性能。 Hollister 等人基于均质理论优化设计的微观可控结构，采用快速成形技术之中的三维打印技术(3DP)制造的仿生人工骨，具有松质骨强度21，如图1-3f所示。虽然这种方法将支架材料和结构的力学性能联系起来的，适用于多孔材料人工骨的制备，是仿生人工骨结构计算模型和设计方法的发展方向。但是目前这种设计仅处于初步研究的阶段，其结构对仿生人工骨修复骨缺损的能力还在研究之中。 a b c d e f图1-3 可控多孔结构的仿生人工骨支架1.2.2 现有仿生人工骨材料骨移植材料目前主要采用自体骨移植、异体骨移植及异种骨移植，虽然都有一定的临床应用效果，但也有各自的缺点。20世纪80年代末，科学家开始探索采用生物医学材料作为骨移植来源22。生物医学材料是指以增进或恢复生物系统功能为目的，参与生物系统生理机能，在生物系统内进行疾病诊断、治疗、修复或替换生物体组织和器官的材料，需要兼顾力学性能和生物性能。根据材料性能分类，可分为金属材料、无机材料和高分子材料。（1）金属材料金属材料是最早应用于生物医学修复的，而且广泛应用于临床。目前临床主要应用的医用金属材料有不锈钢、钴基合金、钛合金等几大类，此外还有贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。金属原子通过正金属离子和价电子的相互作用结合在晶格中。因为价电子和金属离子之间没有紧密的结合，这些非定域电子能在固体中自由的移动，此结合方式为金属键。因为电子在金属内可以自由移动，相邻金属原子之间的结合力较弱，所以金属容易变形。这将导致磨损。当金属植入体内后，与相同或更高硬度物质之间的微动摩擦导致了金属的磨损，磨损碎屑的聚集与假体的无菌松动和植入失败有关。合金可以提高金属的机械、化学和物理性能，在矫形外科使用的大多数金属都是合金，如钛合金。40年代初，Bothe通过研究医用金属与骨之间的反应，将钛引入生物医学领域的范畴。60年代，Branemark研究了口腔钛合金，使得钛作为一种外科植入材料得到了极其广泛的运用和发展。70年代到80年代钛合金被广泛用作外科修复材料，如髋关节23。但是由于钛合金存在潜在“应力屏蔽”现象，会导致植入材料周围出现骨吸收，最终造成植入失败。因此改善纯钛及其合金的生物相容性成为解决这一问题的方法。目前改善纯钛及其合金的生物相容性有一下两种途径，一种是通过不同工艺在纯钛及其合金表面涂覆上羟基磷灰石及生物玻璃制成的涂层，另一种是在纯钛及其合金中混入生物活性材料这种活性相，形成一种微观复合材料24，这是一条值得探索的新途径。表1-1 常用金属材料汇总表名称应用范围优点缺点不锈钢（铁基合金）接骨板、螺钉、髓内钉良好的机械特性易腐蚀、发生应力遮挡钴基合金承重耐磨内植物优良的机械性能、良好的生物特性、耐磨、耐腐蚀、易铸造表面空隙使局部应力提高，导致疲劳骨折钛和钛基合金骨折内固定器械和人工关节部件优良的生物相容性、高抗腐蚀性和抗疲劳性、密度低、强度高硬度较低、抗剪切和耐磨损性较差（2） 生物陶瓷生物陶瓷是指用来实现特定生物特性或者生理功能的陶瓷材料。陶瓷由金属和非金属元素复合形成，陶瓷通常是氧化物、氮化物或碳化物。陶瓷分为有惰性和活性两种类型。惰性生物陶瓷在生物器官内是稳定和生物相容的，同时具有耐磨、耐腐蚀、高强度、低摩擦系数的特征，可以被制成相匹配的人工股骨头和髋臼。活性生物陶瓷按性能分为以下两种：活性陶瓷以羟基磷灰石为代表；生物降解性陶瓷以磷酸三钙为代表。这类材料组成中含有能够参与人体正常代谢的钙、磷等元素，或含有能与人体组织发生键合的羟基等基团。生物活性陶瓷可以作为身体组成渗入或取代的支架，但是生物活性陶瓷在吸收的过程中强度严重下降，尤其是可被完全吸收的生物陶瓷，所以，必须认真考虑陶瓷材料的强度保持问题，使身体组织同生物活性陶瓷在愈合的中间阶段不至于破裂25。表1-2 常用生物陶瓷材料汇总表名称应用范围优点缺点氧化铝承重耐磨内植物硬度高、耐磨损能力强、良好生物相容性易引起宿主炎症和折断，不可降解氧化锆人工关节承重部位高强度、高硬度、高韧性和高耐磨性不可降解羟基磷灰石（HA）骨缺损的填充，喷涂假体表面极好的生物相容性和化学稳定性强度低，不适于承重磷酸三钙人工骨，生物骨水泥良好生物可降解性，生物相容性和无毒性抗弯强度低，脆性大（3）聚合物 聚合物内的非金属原子通过共价键相结合，但没有金属材料内的游离电子。也就是说，碳、氮和氧等原子对额外的电子具有亲和力，能够吸引并共享这些电子，因此在共价结合的各元素中，每一个电子和相邻的两个原子结合在一起。材料中只含有非金属元素并且元素之间通过电子共享形成巨大的分子，通常称为大分子。这些大分子通常含有大量的重复单位，也称之为聚合物。聚合物在组成上与人体内的自然组织如胶原有很大的相似性。它的特性使其能与其他物质直接结合在一起。聚合物的制备过程中，添加抗氧化剂、抗褪色剂和增塑剂能促进聚合反应的进行并提高材料的可加工性。部分添加物具有毒性，因此除极少数情况下，目前还得不到纯医用级别的聚合物。Vacanti第一次将PGA、PLA用于软骨细胞体外培养基质的材料，通过组织工程方法获得新生软骨从而取得成功。此后，组织工程各类组织的细胞外基质材料广泛使用PLA、PGA及其相关的共聚物，取得了初步成功，显示出了良好的成骨效应。但在仍有不少缺点出现在应用过程中，例如：(1)亲水性差，细胞吸附力较弱等。 (2)引起无菌性炎症反应。使用高分子量PLA可以延迟这一反应。解决这一问题的根本策略是开发出一款在降解过程中不释放或缓慢释放酸性降解产物的新型聚合物。(3)机械强度不足。Devin等将羟基磷灰石与PLGA共聚物组成多孔复合基质材料，实验表明随HA比例的增加，复合材料的抗压弹性模量也在相应的增加。目前，美国修斯顿MDAnderson癌症中心正在研制一种能够在人体内降解的可注射聚合体，以用于实现缺损骨的修复、移植和再生26。表1-3 常用聚合物材料汇总表名称应用范围优点缺点聚乳酸（PLA）骨折内固定物体内可降解热稳定性差甲壳素骨缺损支架材料（多与其它材料复合）体内可降解加工困难（4）复合材料复合材料是有两种或两种以上不同的组分或相（大于原子的尺度）组成的固体材料。称之为“复合”，是因为这些材料在大于原子的尺度上可以分为不同的相，其物理性能如弹性模量与同质材料相比有明显的改变。增强塑料（如纤维玻璃）和骨组织都能称之为复合材料，但是合金不属于此类。复合材料的性能取决于各组成相的形状、体积比和相之间的界面。大多数复合生物材料的机械性能和生物相容性得到了改善。复合材料的强度一般通过材料内部缺损区内精细纤维的填充得到提高。陈富林等研制出钛网-珊瑚复合支架，并通过实验，而且证明了钛网虽然在体内不能降解却更有利于恢复缺损的骨组织27。龚立等制备了-TCP陶瓷/明胶复合材料，有效提高了支架强度，符合组织工程结构特征要求28。1.2.3现有仿生人工骨制作工艺仿生骨支架的制造方法很多，根据不同的制造工艺，传统工艺方法主要有成孔剂析孔法/发泡成孔法、热致相分离、纤维编织技术，随着材料成分研究的深入，出现了溶解铸造法、微粒过滤法等。但是这些方法仅限于骨骼外部形态的仿生设计，并没考虑生理机能和物理机能的仿生，忽略了孔的尺寸、形状、孔隙率的大小和促进成骨的各种成骨因子分布特性，不利于骨细胞增殖和营养物质的输送，而且存在有毒有机溶液的使用和制造工艺缺乏灵活性，因此人工骨的设计及其成型工艺急需进一步的发展。随着德国科学家发明快速成型(Rapid Prototyping，RP)制造工艺后，许多组织工程学家采用直接从人工骨孔隙的结构入手，与仿生学相结合，从而生成与人体骨相似的可控仿生人工骨支架。快速成形技术是基于离散堆积成形思想的新型成形技术，它采用材料累加的制造原理，通过计算机处理CAD数据模型，快速制造出三维实体模型。其基本过程是首先对零件的CAD数据进行分层处理，得到零件的二维截面数据，然后根据每一层的截面数据，以特定的成型工艺制作出与该层截面形状一致的一层薄片，这样不断重复操作，逐层累加，直至生长出整个零件的实体模型。目前较成熟的快速成形技术有立体光固化快速成形（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积成形（FDM）、分层实体制造（LOM）、三维印刷（3DP）等。利用不同的快速成形技术都可以成功制成仿生骨支架，但是其加工精度、生物性能、物理性能及内部孔特性等各不相同，不同成形方法性能如表1-4所示。表1-4 不同快速成形制备技术的性能SLASLSFDMLOM3DP材料形式液态粉体固态固态粉体成形精度高低高低低成形原理激光光固化激光烧结热熔融激光切割粘结生物降解性无有有有有生物相容性有有有有有孔隙率高高高低高连通性好好好但简单一般好物理性能强度差抗压、较脆抗压、强度高抗压、较脆强度差后处理需复杂后处理需简单后处理需复杂后处理需复杂后处理需简单后处理快速成型技术最大的优势是直接由数字驱动，不受形状复杂程度的限制，直接成形三维实体。二十一世纪初始弗劳恩霍夫学会的亚琛激光技术研究所科学家迈纳斯，首次根据CT图像成功获得患者所需修复骨骼的断层数据集，经由计算机图像处理技术重建三维实体，通过过离散获得快速成型机的STL文件，最后通过激光束熔化金属粉末，精确铸造出人造骨骼29。L. Moroni等人三维纤维沉积技术（3D fiber deposition）设计出四种不同的正交搭接结构30。Samar Jyoti Kalita等人利用熔融沉积方法提出了轮辐连通结构和蛛网连通结构，并且制作出从中心到边缘的不同的孔隙率的连通结构31。快速成型技术与仿生学的结合为复杂可控多孔结构人工骨支架的设计提供了巨大的发展潜力。1.3论文研究内容1.3.1主要研究内容（1）股骨损伤数值模拟研究 结合mimics和CAD技术重建股骨三维有限元模型，利用有限元法模拟正常活动和突发状况时股骨的变形和应力分布状况。 （2）仿生人工骨结构的设计研究 通过研究髋关节置换后股骨的受力，结合力学分析设计出支架宏结构，使支架的宏观结构力学特性符合髋关节置换后股骨受力规律，减少应力遮挡的发生。（3）仿生人工骨微结构的设计研究 设计正交连通孔隙微结构仿生人工骨，通过对其流场力学的分析，找出适合细胞生长的孔隙率和孔隙大小的支架微结构。（4）仿生人工骨成型工艺研究 建立两种带有微孔道的仿生人工骨支架负型，结合快速成形技术建立支架负型的实体模型，填充生物材料，烧结得到具有生物活性的人工骨支架。对不同填充法和不同处理方式下的仿生人工骨支架成型工艺进行初步研究。1.3.2 总体技术路线1.3.3 论文章节安排第一章：绪论第二章：股骨损伤数值模拟研究第三章：人工骨仿生结构的设计研究第四章：人工骨仿生微结构的设计研究第五章：仿生人工骨成型工艺研究第六章：结论与展望2 股骨损伤数值模拟研究2.1 骨的基本结构骨是人体重要的受力件，与软骨构成骨骼系统，具有以下功能：支持功能，代谢功能，保护重要脏器和脊髓，组成造血免疫系统功能。骨是一种有活力的组织，既有一定的硬度，也有某种程度的弹性。骨在宏观结构层次上可分为皮质骨和松质骨（图1-1），二者的细胞成分和基质成分相同，均有板层骨构成。皮质骨主要位于长骨干，松质骨主要在扁骨、椎骨和长骨两端产生。松质骨由不规则棒状或板片状骨小梁相互连接组成，形成的网状框架为多孔隙结构，其间充满骨髓、血管、结缔组织及脂肪等。皮质骨根据其骨板排列方式，可区分为四种：即外环骨板、内环骨板、间骨板以及哈佛系统。外环骨板分布于骨干骨皮质的外周，约十几层，其表面由骨外膜包被；内环骨板位于皮质的髓腔侧，其内表面有一层骨内膜包被，内外骨板间有横向走行的伏克曼管（Volkmann canal）,骨膜的血管、神经由伏克曼管进出，伏克曼管与纵行的哈佛系统（Haversian system）的中央管相互连接。11图2-1 骨骼结构2.2股骨三维有限元模型的建立20世纪70年代以来，医学成像得到了很大的发展，尤其是随着计算机断层扫描（CT），核磁共振成像（MRI），超声（US）等技术的产生发展，二维人体内部器官医学数字图像技术得到了广泛应用。但是存在一些不足，二维断层图像只是表达了人体或器官某一截面的解剖信息，尤其在放射治疗过程中，会造成对病变区域定位的准确度降低，甚至失真。三维重建技术在2O世纪80年代开始应用于医学，结合计算机图像处理技术，对生物组织结构影像的连续图像进行处理，进而获得三维图像，并可以进行定量测量的一种形态学研究技术。三维重建技术可以提供人体内部结构的数字化三维模型，为不规则形态的股骨三维建模提供了技术支持32，使其成为建立股骨三维模型的主要使用方法。同时有限元数值模拟技术在医学领域的应用，实现了三角面片几何三维模型到有限元网格模型的转变，是股骨三维有限元模型建立的重要手段。三维股骨有限元模型建立的技术流程如图2-2所示。图2-2 三维股骨有限元模型建立的技术流程2.2.1 股骨医学图像三维重建 医学图像重构软件Mimics是比利时乐文天主教大学的快速成型服务局的Materialise主持开发的医学断层影像快速成型接口软件，其定位准确，致力于架设一座沟通医学与工程的桥梁。由于人体解剖结构的复杂性，医学三维模型重建一直是难点，Mimics是一套高度整合的3D图像生成及编辑处理