摘要：为建立具有良好生物学性能的骨支架结构,本文基于螺旋(G)型、菱形(D)型三周期极小曲面(TPMS),设计了两种新型梯度TPMS支架:双向线性渐变G型(L-G型)支架、D型/G型融合(N-G型)支架,并通过压缩仿真获得了两种支架的结构力学性能参数。然后,本文通过计算流体动力学(CFD)仿真获得了支架内流体的流动性能参数,并由达西定律计算出两种支架的渗透率。基于组织分化理论,本研究预测了两种支架的组织分化面积。研究结果显示,L-G型支架较N-G型支架的承载能力更强,而N-G型支架在渗透率及软骨组织分化面积等生物学性能方面更优。L-G型和N-G型支架的建模过程为骨支架的设计提供了一种新思路,文中的仿真分析也可为支架植入人体后的骨整合预测提供参考。

摘要：目的骨质疏松性骨缺损患者随年龄增长,骨再生抑制剂逐渐积累,缺损面积变大且程度不一。研究者们对骨质疏松性骨缺损进行骨再生研究时,往往缺乏对不同骨质状态的针对性,为此本研究根据骨缺损程度来个性化设计植入体结构。方法以不同月龄和骨质状态的大鼠椎体松质骨为例,根据20、30及38周龄未进行卵巢去除手术和30及38周龄卵巢去除手术大鼠椎体松质骨影像,计算其微观结构,力学性能及质量传输特性参数。然后针对30和38周龄卵巢去除椎体松质骨,通过NSGA-Ⅱ算法分别对Schoen Gyroid及Schoen I-WP支架进行多目标优化,得到高比表面积,高屈服强度和高渗透率的支架结构。最后通过复杂比例因子评估方法,分别对30OVX组和38OVX组优化出来的支架综合性能进行评估得到适合每组卵巢去除椎体松质骨的最优支架。结果及结论相比未进行卵巢去除手术大鼠,卵巢去除大鼠椎体松质骨结构严重退化,力学性能下降,发生骨质疏松性骨缺损,且随月龄增加,该负面影响逐渐加剧。多目标优化出来的4个支架均满足力学和生物学要求,但不管是30OVX组还是38OVX组,均为Schoen I-WP支架的综合性能优于Schoen Gyroid支架。本研究提出的优化设计方法框架适用于不同年龄段、骨骼部位及骨质状态骨缺损,对骨缺损修复的个性化治疗具有应用潜力。

摘要：目的临床上对于大尺寸骨缺损的修复主要以植入骨支架为主。多孔支架在结构形态、承载能力、使用耐久性及渗透性方面与人体骨的匹配度仍然有限,可提高空间巨大。为此,设计制造了高强度-高渗透性TPMS支架,并探讨TPMS支架的结构与其承载能力和渗透性的关系。方法针对骨结构不规则且各向异性的特性,设计制造了仿生正交各向异性TPMS支架,以及与骨结构形态和力学性能相当的Voronoi-晶格支架。为提高多孔支架的使用耐久性,对制造的TPMS支架进行了化学抛光与热处理,从提高表面质量,减少制造缺陷的角度提高其抗疲劳性能。结果与结论设计的AD型TPMS结构的力学性能优势明显,渗透率高,比表面积大,可满足承力骨部位的强度、渗透性要求,并可为细胞生长提供足够空间;设计的正交各向异性支架AP、AG型TPMS结构在3个正交方向上展现出不同的力学性能与渗透性能,其中AG在3个正交方向上的弹性模量比值与人体骨接近,仿生优势明显,且其渗透率高,承载能力强适宜植入人体;电解抛光与热等静压可明显提高支架的表面质量,减少内部缺陷,提高支架的抗疲劳性能,且相比于以拉伸变形主导的结构,以弯曲变形主导的结构将收到更好的效果。