面向骨植入体3D打印的多孔结构构建研究

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1、帽灣：１０２肪嶋ＵＤＣ．７：６２１学号：１４９０１１ｔｆｉ博士学位论文面向骨植入体３Ｄ打印的多孔结构构建研究研究生姓名：施建平导师姓名：王兴松教授审请学位養别工学博士拳泣搜予雄位．东南大学一级学斜名称机械工程２０论文＿日期１８年０６月１１日二级学科名称机械电子工程学檀授予日期２０１８年月日．．魯辦番显会主席顾忠伟教授评阅人２〇１８〇６月１１年：日博士学位论文面向骨植入体3D打印的多孔结构构建研究专业名称：机械电子工程研究生姓名：施建平导师

2、姓名：王兴松教授本论文获国家自然基金项目（61273243,51705259），江苏省重点研发计划项目（BE2016010）等资助。POROUSSTRUCTUREMODELINGANDPERFORMANCERESEARCHFOR3DPRINTINGBONEIMPLANTSADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYShiJianpingSupervisedbyProf.WangXingsongSch

3、oolofMechanicalEngineeringSoutheastUniversityMay.2018东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研宄成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过？的研宄成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料６与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：：—日期东南大学学位论文使用授权声明东南大学

4、、中国科学技术信息研宄所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印。本人电子文档的、缩印或其他复制手段保存论文一，可内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名东南大学博士学位论文摘要应用传统设计制造

5、方法制备的植入体零件普遍存在刚度较大和自重较重的问题，零件植入后与宿主骨之间会产生应力遮挡效应，这会引起植入体松动，直接导致零件植入寿命减短或手术失败。本文基于3D打印技术能够突破传统制造工艺限制的特点，以面向零件功能型设计为指导思想，对多孔结构植入体零件的建模方法进行研究。首先以动物骨组织为研究对象分析研究其组织结构形态特点，以获取相关骨组织特性参数，为多孔植入体模型的三维模型构建提供必要的依据；随后利用实体建模的模型构建思路，基于计算机辅助设计技术并利用相关建模软件构建出具有梯度结构的多孔植入体模型，实现植入体零件模型力学

6、特性的分级梯度调控；再利用参数化模型构建的思想，基于隐式曲面函数的模型构建方法进行多孔结构模型的构建，设计出具有线性变化特征的仿生骨结构多孔植入体单元模型，通过参数调控，实现多孔植入体零件模型的力学特性线性调控。最后通过动物植入实验，考察多孔植入体零件的骨整合效果。主要的研究内容及成果如下：（1）通过对动物骨组织医学影像数据的处理分析，利用三维反求模型构建技术和有限元仿真分析技术定量分析了股骨头内部区域的骨小梁形态参数与力学参数，从测量和分析结果中发现骨小梁三维形态参数和力学参数均表现出显著的区域性差异。分析结果表明骨组织内沿

7、主要承重方向的松质骨主要由板状骨小梁构成，而沿非主要承重方向的松质骨主要由杆状骨小梁构成，这些特征决定了骨块沿不同的载荷方向表现出各向异性的力学性能。这种力学性能的区域差异性、各向异性特性以及骨小梁显微形态结构的区域差异性都是影响骨性能的重要因素，对这几类参数分析的结果可以作为参与仿生多孔结构骨植入体设计的重要参考数据。（2）通过实体建模模型构建方法，将分层级梯度变化多孔结构引入植入零件构建中，通过参数调控，使得与宿主骨组织相接触的多孔植入体表层表观弹性模量与骨组织相接近，植入体的主体结构仍然为实体结构以确保必要的机械力学支撑

8、，在实体与表层多孔间添加过渡的多孔层，形成梯度结构以减少应力突变。利用这种梯度多孔结构一方面可以有效减少植入体与骨组织之间的应力遮挡效应，另一方面植入体中的多孔结构可以为骨组织的长入提供特定的微环境，促进骨组织长入，实现生物固定的目的。（3）基于隐式曲面函数的模型构建方法，设