激光选区熔化成形多孔金属及其复合材料骨植入体研究 (1)

《激光选区熔化成形多孔金属及其复合材料骨植入体研究 (1)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、分类号学号D201477243学校代码10487密级博士学位论文激光选区熔化成形多孔金属及其复合材料骨植入体研究学位申请人：韩昌骏学科专业：材料加工工程指导教师：魏青松教授答辩日期：2018年1月25日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringStudyontheporousmetalsandtheircompositesfabricatedbyselectivelas

2、ermeltingforboneimplantsPh.D.Candidate：ChangjunHanMajor：MaterialsProcessingEngineeringSupervisor：Prof.QingsongWeiHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan430074,P.R.Chinath25,January,2018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究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他

3、个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:饷级日期:2()1?年3月二日学位论文版权使用搜权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本论文属

4、于不保密V。(请在以上方框内打"--J")学位论文作者签名:最各自竣指导教师签名:τít:三纠3日期:2018年3月主日日期:'20，2年1月工日华中科技大学博士学位论文摘要人体骨肌系统的常见疾病包括骨关节退行性变、脊柱退行性变、四肢创伤、骨缺损、骨质疏松及骨肿瘤等。骨植入体是骨肌系统治疗的方式之一，其主要功能是全部或部分替代关节、骨骼、软骨或肌肉骨骼系统。目前临床应用的植入体主要采用传统机加工、模具成形等方法进行标准化制造，然而人体骨骼具有个性化的外形特征，造成了标准化的植入体与个性化的骨骼不匹配的局面，从而影响治疗效

5、果。激光选区熔化（Selectivelasermelting,SLM）技术在直接制造精细复杂结构零件方面具有巨大优势，特别适合金属骨植入体的个性化成形。然而，目前骨植入体在应用中面临着金属材料与骨组织之间模量不匹配、界面结合力低、骨整合能力差的问题，同时结构上存在内部孔隙梯度可控与拓扑性能优化的需求。因此，本论文针对金属骨植入体应用中材料与结构制备上面临的问题，主要展开了结构优化、结构表面涂层改性、金属基复合材料、梯度材料和梯度结构制备等五个方面的研究。具体研究工作如下：针对金属与骨组织之间由模量不匹配产生的应力遮蔽效应

6、，以及人骨在结构上对植入体拓扑性能优化的需求，提出基于单元阵列的多孔结构单元拓扑优化方法。通过有限元模拟和实验结合的方式，研究了多类型单元拓扑对SLM制备Co-Cr多孔结构力学性能的影响。通过单轴压缩模拟获得了多类型单元拓扑的应力分布，发现不同单元拓扑呈现出不同的应力集中程度和区域，其中倾斜承载支柱提供抗弯作用而水平梁起到加固作用，能显著减小应力集中程度；制备的多类型Co-Cr多孔结构的模量和强度范围分别为7.18-16.57GPa和271.53-1279.52MPa，满足皮质骨和松质骨的要求；细胞初步反应表明细胞可以在

7、SLM制备的Co-Cr多孔结构表面粘附和伸展，细胞之间存在信息交流。针对金属多孔植入体表面积大，易于发生术后感染等问题，提出一种具有抗菌载药功能涂层的多孔结构制备方法。采用在上一章里经过拓扑优化后的Co-Cr多孔结构，在其表面构建了丝素蛋白/庆大霉素（Silkfibroin/gentamicin,SFGM）功能涂层，以促进骨更快更好的长入孔隙和预防术后感染。通过优化涂层构建工艺，在多孔结构内外表面获得了相对完整的、连续的、均匀的保形涂层，其平均厚度为2.30μm。构I华中科技大学博士学位论文建涂层过程中在多孔结构表面发生

8、了阳极电化学腐蚀，然而腐蚀作用程度较小，结构的压缩和疲劳性能并没有损失。其弹性模量达到2.58GPa，匹配股骨中松质骨的模量。有涂层的多孔结构表面的细胞初期反应优于无涂层的结构表面，Co和Cr离子释放更少，细胞毒性更小，在一周内能通过局部缓释抗生素来有效抑制细菌的黏附和生长。针对生物相容涂层与金属材料之间力学性能存在