人工股骨支架的計(jì)算機(jī)輔助仿生設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、人工骨仿生支架是用于修復(fù)人體骨骼缺損后的功能和形態(tài)的替代物，根據(jù)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的要求，骨仿生支架應(yīng)具有與缺損骨高度一致的外部形態(tài)，利于與其它部位更好的配合，同時(shí)支架內(nèi)部應(yīng)具有與自然骨相似的非均勻分布的梯度三維聯(lián)通孔隙結(jié)構(gòu)，以滿足機(jī)械性能和生物活性的需求。
　　 本文以成人股骨為研究對象，首先，基于CT掃描斷層圖像的信息，利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件和逆向工程軟件完成了成人股骨仿生外形的個(gè)體化設(shè)計(jì)，誤差在-0.01651-0.01792mm，

2、滿足了仿生的要求。
　　 其次，通過對成人股骨外部形態(tài)以及生物功能的研究，在前期優(yōu)化的人工骨單晶胞模型的基礎(chǔ)上（中心開球孔，四周為圓柱孔的正六面體結(jié)構(gòu)），通過對單晶胞模型的參數(shù)控制，設(shè)計(jì)了14個(gè)具有梯度孔隙率的人工股骨梯度微結(jié)構(gòu)模型。通過有限元軟件ANSYSWorkbench對其進(jìn)行力學(xué)分析，研究了模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)對彈性模量及孔隙率的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明:當(dāng)固定模型聯(lián)通孔徑，隨著中心球半徑增大，孔隙率隨之增加;當(dāng)中心球半徑固定時(shí)

3、，隨著聯(lián)通孔徑的增大，孔隙率也呈現(xiàn)遞增趨勢。14個(gè)模型的彈性模量范圍為10.107-20.610GPa，孔隙率的范圍為21.8％-41.2％，最后以人體自然股骨的彈性模量范圍及保證良好連通性的孔隙率要求為指標(biāo)，選定了適用于人體股骨替代物的三個(gè)模型。
　　 第三，應(yīng)用Fluent對人工股骨梯度微結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行兩相流的組織液滲透及細(xì)胞的生長分析，結(jié)果表明:組織液能夠很好的滲透到人工股骨支架的各個(gè)部位，細(xì)胞在支架內(nèi)部均勻附著、生長。中心

4、球半徑對系統(tǒng)壓力影響很小，較大的連通孔徑比較適合細(xì)胞的增殖與粘附，因此在人工股骨支架的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量選擇連通孔徑大的微結(jié)構(gòu)模型，通過調(diào)節(jié)中心球半徑來滿足所要求的支架孔隙率和力學(xué)性能。結(jié)合力學(xué)性能和流體性能分析研究，優(yōu)化出既滿足生物力學(xué)的要求，又能保證良好的連通性并且利于成骨進(jìn)行的支架模型，具體參數(shù)為:中心球半徑恒定為0.37，由內(nèi)到外三層晶胞的連通孔徑為0.50，0.45，0.42。
　　 第四，基于有限元形函數(shù)映射理論與布爾運(yùn)

5、算方法，結(jié)合GRIP語言提出了一種仿形精度較高，通用性較強(qiáng)的支架建模方法。首先，基于映射法對已建立的股骨實(shí)體模型進(jìn)行三維六面體網(wǎng)格剖分，得到一系列不規(guī)則六面體單元。其次，基于各個(gè)不規(guī)則六面體單元的八節(jié)點(diǎn)控制，利用有限元中的等參單元和形函數(shù)映射原理，生成一系列不規(guī)則的孔隙單元，并將其進(jìn)行布爾和運(yùn)算，得到支架的孔隙模型。最后，將股骨實(shí)體模型與孔隙模型進(jìn)行布爾差運(yùn)算，得到具有光滑輪廓以及近似于自然孔隙的人工股骨支架模型。
　　 最后，