个体化组织工程骨支架仿生设计与优化

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1、１论文分类号２学校代码：０７０８：学号：１５０５０３７＿後＆斜技ＡｆＳＨＡＡＮＸＩＴＩＵＮＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆ＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文’ＴｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ个体化组织工程骨支架仿生设计与优化张佳雛指导教师姓名：杨立军教授学科名称：材料加工工程＾―■■■Ｗｍ／ｉｍ论文提交日期：２０１８年３月论文答辩日期：２０１８年５月学位授予单位：陕西科技大学１ＩＩ————ｍｗｍｍｍ申请工学硕士学位论文论文题目：个体化组织工程骨支架仿生设计与优化学科门类：工学

2、一级学科：材料科学与工程培养单位：机电工程学院硕士生：张佳导师：杨立军教授2018年5月BionicDesignandOptimizationofPersonalizedTissueEngineeringBoneScaffoldAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringScienceByJiaZhangSupervisor:Prof.LijunYangMay

3、2018个体化组织工程骨支架仿生设计与优化摘要组织工程骨支架是目前最理想的人体缺损骨替代物，对临床上治疗骨缺损疾病具有非常重要的经济价值和现实意义。但是目前使用的组织工程骨支架仍然存在仿形程度低、生物活性差、与待植入组织部位力学性能不匹配的问题。基于此，本文以人体承力骨为研究对象，应用仿生学的原理，根据天然承力骨内部微孔结构形貌特征，设计了具有渐变结构的微孔单胞模型。在此基础上，利用ADINA对其力学性能和渗透性能进行了分析研究，并提出两种将仿生骨内部微孔结构同骨实体外形结合的建模方法。主要研究工作如下：（1）针对目前仿生骨微孔结构设计中存在的孔隙结构单一、连通性差

4、的问题，应用仿生设计的原理，以天然承力骨内部微孔结构形貌特征为基础，设计了三种具有渐变结构的新型承力骨内部微孔单胞模型。在此基础上，以人体承力骨力学性能为指标，利用ADINA对单胞模型的设计参数进行了优化分析。结果表明：单胞模型的设计参数对其孔隙率和弹性模量均有一定的影响，且弹性模量值随着孔隙率的增大而减小。经优化的三种单胞模型均满足人体承力骨孔隙率（5%～90%）和弹性模量（10～30GPa）的需求，均可用于人体承力骨支架的设计。（2）在微孔单胞模型力学性能分析的基础上，利用计算流体动力学的方法对骨支架微孔结构内流体力学环境进行分析研究，得到了不同微孔单胞模型内压

5、力场和速度场分布。其次利用达西定律，得到了单胞微结构的比渗透率k值。结果表明：采用达西定律得到的单胞微结构渗透性能与模拟微孔内流体力学环境得到的结论具有很好的一致性。通过对不同单胞模型微孔内流体力学环境和比渗透率k的对比分析，发现开口杆状单胞模型具有最优的流体运输性能。（3）基于有限元形函数映射和构建实体几何理论，提出了两种将仿生骨内部微孔结构同骨实体外形结合的建模方法：第一，基于手工组装骨支架建模方法；第二，基于形函数和六面体网格划分骨支架建模方法。对于上述两种方法，均给出了具体的建模思路和实例，并就第二种骨支架建模方法，利用UG/opengrip语言开发了支架自

6、动生成程序。结果表明：基于形函数和六面体网格划分骨支架建模方法具有建模效率快、可控性好和仿形精度高的I优点，为组织工程骨支架仿生设计及快速成型制造奠定了基础。关键词：组织工程，骨支架，单胞模型，有限元法，计算流体动力学，仿形建模IIBionicDesignandOptimizationofPersonalizedTissueEngineeringBoneScaffoldABSTRACTTheengineeringbonescaffoldisthemostidealsubstituteforhumanbonedefectatpresent.Itisofgreateco

7、nomicandpracticalsignificanceforclinicaltreatmentofbonedefects.However,theproblemsoflowimitationdegree,poorbiologicalactivityandmismatchwiththemechanicalpropertiesofthetissuetobeimplantedstillexistintheuseofthetissueengineeringbonescaffoldatpresent.Therefore,basedontheprincipleofbion