隨著先進(jìn)的計算機輔助設(shè)計(CAD)和三維打印技術(shù)(3DP)的快速發(fā)展,使得設(shè)計、制造具有復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架成為可能。本文將典型的三周期極小化曲面(TPMS)結(jié)構(gòu)與梯度漸變結(jié)構(gòu)變化、拓?fù)鋬?yōu)化緊密結(jié)合,建立以力學(xué)性能優(yōu)化為目標(biāo)的多孔支架設(shè)計方法。同時,基于3DP技術(shù)實現(xiàn)了支架可控構(gòu)建,并對支架進(jìn)行力學(xué)性能測試。本文主要的研究工作如下:(1)多孔支架外輪廓和微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。應(yīng)用基于CT的逆向建模技術(shù)構(gòu)建骨骼外輪廓模型;采用TPMS函數(shù)構(gòu)建P、G、D三種典型的支架微觀結(jié)構(gòu),并實現(xiàn)單模型函數(shù)漸變和多模型復(fù)合函數(shù)漸變。研究表明:三種典型規(guī)則結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力與等效應(yīng)變的值均與加載力成正比,與孔隙率成反比,其彈性模量范圍為1.1-6GPa,滿足彈性模量的要求。有限元分析結(jié)果顯示D結(jié)構(gòu)模型在相同載荷條件下具有最小的應(yīng)力應(yīng)變,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。因此,將D結(jié)構(gòu)模型與之前構(gòu)建的外輪廓模型進(jìn)行布爾運算,獲得了TPMS股骨狀支架模型,其最大等效應(yīng)力23.452MPa、等效應(yīng)變2.56×10^-3mm/mm,彈性模量4.5GPa,孔隙率為60%,網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)符合自然骨結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)強度要求。...

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 引言
    1.2 骨組織工程支架及其設(shè)計
        1.2.1 自然骨微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)
        1.2.2 仿生支架要求
        1.2.3 仿生骨支架國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.3 三維打印技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
        1.3.1 三維打印技術(shù)簡介
        1.3.2 三維打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究
    1.4 主要研究內(nèi)容
        1.4.1 課題來源
        1.4.2 本文的主要研究內(nèi)容
第二章 多孔支架模型優(yōu)化設(shè)計方法
    2.1 引言
    2.2 骨重建理論
    2.3 多孔支架的建模原則與方法
        2.3.1 外輪廓的建模與控制
        2.3.2 微觀結(jié)構(gòu)的建模與控制
    2.4 有限元分析在支架設(shè)計中的應(yīng)用
    2.5 本章小結(jié)
第三章 多孔支架結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及有限元分析
    3.1 引言
    3.2 支架外部輪廓的構(gòu)建
        3.2.1 CT圖像數(shù)據(jù)處理
        3.2.2 Mimics軟件獲得輪廓信息
        3.2.3 片體實體化
    3.3 支架微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計
        3.3.1 基于TPMS函數(shù)規(guī)律模型的設(shè)計
        3.3.2 基于TPMS函數(shù)漸變模型的設(shè)計
    3.4 支架結(jié)構(gòu)的有限元分析
        3.4.1 最大等效應(yīng)力及最大等效應(yīng)變分布
        3.4.2 模型的彈性模量
        3.4.3 單一漸變結(jié)構(gòu)模型的孔隙率變化
    3.5 基于TPMS函數(shù)的多孔支架仿生優(yōu)化設(shè)計
    3.6 本章小結(jié)
第四章 多孔支架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計
    4.1 引言
    4.2 拓?fù)鋬?yōu)化理論和原理
    4.3 基于Hyperwork對支架拓?fù)鋬?yōu)化
        4.3.1 模型的導(dǎo)入以及幾何清理
        4.3.2 定義模型的材料與屬性
        4.3.3 網(wǎng)格劃分
        4.3.4 支架結(jié)構(gòu)性能分析
    4.4 優(yōu)化對比
    4.5 本章小結(jié)
第五章 多孔支架的可控構(gòu)建及性能測試
    5.1 引言
    5.2 光固化成型工藝介紹
    5.3 多孔支架力學(xué)行為和性能的模擬研究
        5.3.1 多孔支架的制備
        5.3.2 分析方式
        5.3.3 力學(xué)性能測試分析
    5.4 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 全文總結(jié)
    6.2 研究展望
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀學(xué)位期間所取得的相關(guān)科研成果
附錄一 mathematic繪圖程序



本文編號：3806224