大尺寸关节支架的3D打印及应用

人工关节假体的置换与长期植入后的失效问题将造成关节组织不可恢复的损失,小块可降解骨软骨关节支架具有恢复病变关节的力学环境和诱导新生组织生长的能力,为大尺寸关节病变缺损修复提供了新的治疗策略.大面积深层病变软骨关节病变位置的生理结构与力学环境的分析,以及多材料复合关节支架的仿生制造与手术方案是治疗方案开发的难点.本文提出一种新型多材料关节支架的仿生设计与制造技术和植入方法.以诱导组织生长为导向,选择聚乙二醇凝胶(polyethyleneglyco,PEG)、β-磷酸三钙陶瓷(β-tricalcium phosphate,β-TCP)、聚乳酸(polylactide,PLA)等生物材料开发新型支架;以羊膝关节为研究对象,通过反求工程、有限元分析和3D打印技术,利用有限的影像学数据信息,建立膝关节模型和易病变软骨区域;基于支架生理结构特征与关节缺损区机械承载能力的映射关系,建立大块仿生骨软骨支架的结构与稳定性固定结构.实验证明该支架在置换初期较好地恢复了缺损关节的力学环境.所提出的方法和支架有望为大面积骨软骨缺损的修复提供一种新的治疗方案.     

钛框架/CPC/BMP复合人工骨的钙磷碳变化规律

为了解决磷酸钙骨水泥(CPC)/骨形态发生蛋白(BMP)植入体强度低的缺陷,提出一种钛框架/CPC/BMP复合结构的植入体,参考犬桡骨半月形断面及尺寸,利用计算机辅助设计与加工方法完成了相似形状的钛框架设计与制造,并将糊状CPC填充晾干后植入犬桡骨部位.通过动物实验,分析研究了钙磷碳的变化规律,得出了植入体钙磷碳变化模型.研究表明:植入体内的碳含量按二次抛物线增长,钙和磷的含量按线性规律递减,钙磷比则保持稳定;钛框架上有孔处的钙磷碳变化效率明显高于无孔处的变化效率.研究结果不仅为设计钛框架的形状提供了依据,而且证实了这种植入体的钛框架在不明显影响降解速度的条件下具有较好的支撑作用,因此扩大了CPC的临床应用范围.     

自适应优化控制的人工髋关节磨损三坐标测量及评估方法

针对目前三坐标测量在人工髋关节磨损评估上重复测量误差较大和准确性不高的突出问题,提出了一种自适应优化控制的人工髋关节三坐标测量及磨损评估方法。该方法包括臼杯表面采样点云分布的磨损自适应设计,测量点触测矢量的优化控制以及构建相同体积计算区域,并使用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)髋臼杯对该方法进行了验证。研究结果表明:与非相同体积计算区域方法相比,在低于原来一半的测量成本下,体积评估重复性偏差减小了49.3%;与随机的触测矢量方法相比,在同样的点密度下,体积评估精度提高了32.4%~46.7%;该方法的磨损评估结果与称量法对照,表现出了有效的相关性(R2=0.922 8);与称量法相比,该方法表现出磨损分布统计分析能力,为人工关节磨损分析和研究提供了更多的信息。     

自然骨微管的三维仿生重建及两相流分析

采用MATLAB、Mimics和PROE软件对观察骨组织切片获得的骨组织微观数据进行了三维重建和辅助设计，获得了骨微管的三维结构．通过对骨微管结构的细胞及细胞悬液的两相流分析，得出了结构中细胞浓度的分布．骨微管重建结构与根据能量守恒定律设计的骨微管结构比较的结果表明，骨微管结构的孔隙率较高，管道间距较均匀，比表面积更大，但由于该结构的细胞体积分数（1．635％～2．131％）不如按照能量守恒定律设计的骨微管内细胞体积分数（1．960％～2．050％）均匀，因此在设计人工骨支架时应优先考虑体外培养所需的流场环境，并在此基础上保证流道间距尽可能均匀、比表面积尽可能大，以确保材料降解的同步性和充分性．     

基于电场驱动喷射微3D打印和辊轮辅助热压印制造嵌入式金属网格柔性透明导电薄膜

针对现有技术难以实现高性能嵌入式金属网格柔性透明导电薄膜低成本、快速制造的难题,提出了一种基于电场驱动喷射微3D打印和辊轮辅助热压印制造嵌入式金属网格柔性透明导电薄膜新方法,阐述了结合电场驱动喷射微3D打印和辊轮辅助热压印工艺制备透明导电薄膜的基本原理和工艺流程;通过实验揭示了主要工艺参数(打印电压、打印速度、打印气压、压印温度和压印力)对制备嵌入式金属网格柔性透明导电薄膜精度和质量的影响及规律;利用课题组自主研发的电场驱动喷射沉积微纳3D打印机和复合纳米压印光刻机,并结合优化的工艺参数,实现了图案面积70 mm×70 mm、线宽20μm、周期1000μm的嵌入式正方形金属网格柔性透明导电薄膜制造,其方阻为3.62Ω/sq,可见光波段550 nm处的透过率为92.3%,表面粗糙度值为18.81 nm,金属网格与基材的接触等级可达5B, 1000次弯折实验后方阻变化率小于8%.     

快速成型机中的树脂液面刮平装置研究

在快速造型中，待树脂淹过已固化层并稳定后，才能进行扫描。由于树脂的粘性较大，流动性差以及固化层表面张力的作用，如果完全靠树脂的自然流动达到液面静止，时间较长，本文设计了一种刮平装置，能够使液面尽快稳定下来，时间显著缩短，并提高了成型效率及成型精度     

韧带-骨支架仿生界面设计与制造方法

针对当前软质韧带支架与硬质骨组织通过机械固定进行韧带修复存在的应力集中与疲劳断裂问题,提出了具有仿生界面的韧带-骨支架设计与制造方法。研究了自然韧带-骨界面的微观结构,通过工程简化设计了具有仿生界面的韧带-骨复合支架,提出了韧带-骨支架仿生界面的分层制造方法,从材料、力学及微观结构方面对所制备的韧带-骨支架仿生界面进行了分析评价。结果表明,所提出的分层制造方法可在软质韧带纤维支架与硬质陶瓷骨支架之间精确制造出所设计的仿生界面,其在材料成分、力学性能及微观结构上呈现分区变化特性。后期通过骨支架与自体骨融合生长以及仿生界面的多组织再生,有望实现韧带纤维支架与自体骨骨道的生理愈合及可靠固定,从而为临床韧带修复提供一种新思路。     

肝组织工程支架的仿生设计与有限元分析

为了解决细胞在细胞支架复合培养中难以植入的问题,提出了一种卷裹型支架.将平面多孔支架采用卷裹的方式成型,使细胞在整个支架内部形成螺旋状三维分布,支架表面的管道结构可使培养液在支架内部渗透,从而提高物质交换效率.提出了一种具有仿生参数的流道设计方案,从肝脏血管铸型中提取血管的形状数据,作为仿生学依据进行流道设计,具体为树状多层分支结构.用此流道结构仿生了动脉、静脉的血液循环功能,并利用多孔材料仿生了毛细血管的渗透功能.建立了不同形状参数的流场分析模型,进行流体与多孔材料的渗流分析.结果表明,仿生设计方案的流场分布最为均匀,且平均流速较高,间接表明营养物质的输送效率最高.该支架能够使细胞呈三维分布,并扩大培养液在支架内的有效分布范围,更好地维持细胞的存活、增殖和迁移,为向组织化方向发展奠定了一定的基础.     

具有钛框架增强结构的人工骨的降解规律

为了解决磷酸钙骨水泥(CPC)复合骨形态发生蛋白(BMP)植入体强度低的缺陷，提出一种钛框架／CPC／BMP复合结构的人工骨，并通过长达半年的动物实验及后续分析研究其降解规律，得出了这种植入体降解的动力学模型．研究表明：在植入动物体内后，CPC的孔隙率按对数规律递增，靠近植入体表面的孔隙     

基于信息继承的快速分层处理算法研究

分析了现有STL（STereoLithography)模型分层处理算法的优缺点，并在此基础上提出了一种基于信息继承的加快分层处理速度的算法。该算法根据三角形面片的最小z坐标建立了分层关系矩阵，利用该分层关系矩阵可大大提高搜索与分层平面相交的三角形面片的搜索效率，从而提高了分层算法的效率。该算法不但吸取了现有分层处理算法的优点，而且在计算第I层的轮廓线时，继承和充分利用了第I－1层已经有的几何邻接关系，加快了轮廓线的生成速度。实际应用表明，该算法高效，稳定，可靠。