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.     

复合胫骨半关节结构优化设计与制造工艺

应用解剖学建模技术对钛合金／多孔生物陶瓷复合胫骨人工半关节假体进行了个体匹配性设计，通过有限元技术对所构建的复合型人工关节进行结构优化，然后利用快速成型技术制造最优模型的树脂模具，并分别通过离心铸造和粉末烧结技术来实现复合型胫骨人工半关节假体的定制化制造．研究结果显示，提出的结构优化设计方法在保证假体个体匹配性和机械强度的条件下，使钛合金型假体的体积减少了51．7％，使复合型假体能够保持最大的生物活性，而以快速成型技术为基础的定制化制造方法可实现假体的快速且精确制造．临床应用表明，通过该方法设计制造的复合型胫骨人工半关节假体可恢复受损关节的功能，因此具有广泛的医学应用前景．     

利用模型分解的曲面分层五轴挤出打印装置及工艺

针对传统平面熔融沉积成型(FDM)只能在平面内排布丝材,导致零件力学性能差、表面粗糙度高、浪费材料等问题,研究了曲面分层五轴挤出打印装置及工艺。首先,以球面并联机器人作为双轴转动成型平台,结合经典的并联臂型三维挤出打印机,搭建曲面分层五轴挤出打印设备;然后,以底层曲面为基准,将零件的三维模型分解为按照打印顺序排列的曲面,每层曲面再分解为按宽度铺满曲面的丝材路径;之后,按照坐标变换公式和位姿反解公式在下位机控制软件Marlin固件中编写轨迹规划函数,解释并执行零件路径规划文件进行曲面分层五轴三维打印。通过对零件进行力学试验,相同零件的五轴挤出打印比三轴挤出打印,最大破坏力由(189.37±8.7) N提高到了(445.54±52.57) N,材料消耗减少了46%。因此,低成本、高精度的五轴三维打印设备能够打印高强度、高刚度、无支撑、表面粗糙度低的零件,在曲面结构打印、无支撑结构打印以及复合材料连续打印等方面有重要的应用前景。     

肝组织工程支架的微制造工艺

通过模拟自然肝脏的内部微结构，对肝组织工程支架进行仿生设计，构建了有利于人工肝向自然肝转化的肝支架孔洞与管道系统．结合光固化和微压印工艺制造了肝支架的硅橡胶模具，通过微复型工艺成型出生物可降解的壳聚糖／明胶复合肝支架．实验表明，普通光固化和掩膜光固化工艺可以实现最小尺度为200μm的微结构制造，精密光固化工艺不仅可以在同一模具上制造出具有良好复型精度和边缘特征的肝细胞孔洞（200-300μm）和血管管道（100-200μm），而且还可以制造出具有半通透功能的微管道（13．1～30μm）．因此，提出的微制造方法能成型出复杂的肝组织工程支架系统，可保证多种肝脏细胞的有序分布，并且为组织工程肝脏支架材料微观结构的模拟提供了参考．     

蚕丝蛋白/明胶多孔肝组织支架的制备及性能研究

采用冷冻干燥法制备了蚕丝蛋白/明胶多孔支架,并分别在-20℃和-70℃预冻,以观察支架的微孔结构,测量支架的孔隙率、溶胀吸水性及力学性能,研究HepG2细胞在支架中的生长增殖情况.结果表明:随预冻温度降低,支架的孔径减小且微孔分布更加均匀,孔隙率及力学性能均得到提高.细胞培养结果显示:随预冻温度降低,支架的细胞贴壁率减...     

三维微流道支架直接压印成形方法

针对软质生物材料支架内部三维微结构成形难题,提出了结合分层制造、微压印与冷冻干燥技术的三维微流道支架直接压印成形方法.通过开发自动化成形设备,实现了材料溶液填充、微结构压印、结构预冻、层间黏结等工艺过程的可控化,从而解决了传统手工操作所造成的结构重复性差、成形效率低等问题.研究了模具表面等离子处理、亲水物质添加、改变溶液填充方式等工艺对自动化成形过程中微结构复型性能的影响.结果表明,向材料溶液中添加微量亲水物质并辅助溶液填充引导,可实现软质水溶性天然生物材料内部复杂微流道结构的精确三维压印成形.通过工艺装备保证了成形过程的自动化和稳定性,从而实现了支架微结构制造的可重复性与可控性.