摘要：While total knee replacement is successful, hemiarthroplasty is necessary for some young, obese and active patients who are especially not suitable for unicompartmental or total knee prostheses. Hemiarthroplasty also provides an opportunity for children with bone tumors. The design ofhemiarthroplasty should be patient-specific to reduce contact stress and friction as well as instability, compared to conventional hemi-knee prosthesis. A novel bipolar hemi-knee prosthesis with two flexion stages was developed according to a healthy male＇s knee morphological profile. The motion mode of the bipolar hemi-knee prosthesis was observed through roentgenoscopy in vitro experiment. The biomechanical properties in one gait cycle were evaluated though finite element simulation. The bipolar hemi-knee prosthesis was found to produce knee flexion at two stages through X-ray images. The first stage is the motion from upright posture to a specified 60~ flexion, followed by the second stage of motion subsequently to deep flexion. The finite element simulation results also show that the designed hemi-knee prosthesis has the ability to reduce stresses on the joint contact surfaces. Therefore, it is possible for the bipolar hemi-knee prosthesis to provide better biotribological performances because it can reduce stresses and potentially wear on the opposing contacting surface during a gait cycle, orovidin~ a t^romisin~ treatment strate^v in future Joint renair znd renlneement

摘要：建立一种双动人工半膝关节假体的设计方法,用于年轻病人因恶性骨肿瘤造成的股骨远端大段骨缺损的保肢手术治疗。借助于有限元分析与快速成形技术,研究并快速而有效地解决假体结构设计优化、生物力学分析、稳定性评估等技术难点,形成一种以定制化仿生大范围股骨髁部、滑动轴套系统、韧带附丽孔道为特点的附丽型定制化双动半膝关节假体。临床应用证明置换术后假体与周围组织匹配性良好,患者在完成深屈曲运动时可观察到假体的双滑动过程。该假体的研究为单侧膝关节损伤患者,特别是青少年患者术后骨生长的生物学重建及后期关节功能的良好恢复提供了有效的治疗方法。该研究也从功能化设计、性能分析与临床功能评估等方面为人工关节的研制与发展提出新的思路与方法。

摘要：研究光固化成形复合材料支架的材料界面分层问题。以关节软骨下骨板为仿生对象，提出骨软骨复合材料支架的界面结构仿生设计与优化方法。在构建关节软骨下骨板表面孔隙结构模型（面孔隙率为6．7土0．71％，孔隙分布夹角为40°-50°或80-90°）的基础上，建立PEGDA／β-TCP软骨复合支架的仿生界面结构模型和有限元分析模型。结合多目标优化方法确定影响骨体孔隙成形性及其与软骨层分层的关键参数为孔隙直径、结构单元（三边形、四边形、六边形）、孔隙间距（边长）、面孔隙率；确定具有四边形结构单元，面孔隙率为5％-15％，孔隙尺寸为不小于400μm的界面结构具有良好的骨体孔隙结构成形性和较好的界面材料结合能力。该方法为复合材料支架仿生结构设计与制造一体化的研究提供新的评估与预测手段。

摘要：针对关节面上大面积骨软骨缺损修复过程中软骨形态恢复和力学环境恢复困难的问题，设计并制造一种新型聚乙二醇（Polyethylene glycol, PEG）/聚乳酸（Polylactide, PLA）/β-磷酸三钙（β-Tricalcium phosphate,β-TCP）仿生多材料复合增强骨软骨支架。基于CT扫描数据重建的羊膝关节模型上进行仿生多材料骨软骨支架的结构设计，包括多孔定制结构和固定桩及仿生结构；以光固化成形技术与真空灌注工艺相结合制造了的多材料复合增强骨软骨支架，确定灌注温度220℃，真空度–0.08～–0.10 Pa。形貌观测表明真空灌注法能使PLA完全充满整个次级管道，力学试验发现复合材料支架的压缩强度（21.25 MPa ±1.15 MPa）是单管道多孔生物陶瓷支架（9.76 MPa±0.64 MPa）的2.17倍， PLA固定桩的剪切强度（16.24 MPa±1.85 MPa）是陶瓷固定桩（0.87 MPa±0.14 MPa）的18.7倍。因此，复合PLA的骨软骨支架具有显著的力学增强和固定能力，有望为大面积骨软骨缺损的修复提供新的治疗手段。

摘要：针对多孔生物陶瓷骨支架力学强度差的问题,结合生物可降解镁合金良好的力学性能,提出了一种制备双管道镁合金/生物陶瓷复合增强骨支架的方法。首先设计具有互不连通双管道的支架结构,然后利用光固化快速成型结合凝胶注模法制备具有双管道的生物陶瓷支架,再利用低压铸造法向双管道生物陶瓷支架的次级管道中灌注熔化的AZ31镁合金,镁合金固化后即得到镁合金/生物陶瓷复合骨支架。支架压缩实验测得单管道生物陶瓷支架的压缩强度为(9.76±0.64)MPa,而镁合金/生物陶瓷复合骨支架的压缩强度为(17.25±0.88)MPa。镁合金/生物陶瓷复合骨支架具有明显的力学增强能力。

摘要：人工关节假体的置换与长期植入后的失效问题将造成关节组织不可恢复的损失,小块可降解骨软骨关节支架具有恢复病变关节的力学环境和诱导新生组织生长的能力,为大尺寸关节病变缺损修复提供了新的治疗策略.大面积深层病变软骨关节病变位置的生理结构与力学环境的分析,以及多材料复合关节支架的仿生制造与手术方案是治疗方案开发的难点.本文提出一种新型多材料关节支架的仿生设计与制造技术和植入方法.以诱导组织生长为导向,选择聚乙二醇凝胶(polyethyleneglyco,PEG)、β-磷酸三钙陶瓷(β-tricalcium phosphate,β-TCP)、聚乳酸(polylactide,PLA)等生物材料开发新型支架;以羊膝关节为研究对象,通过反求工程、有限元分析和3D打印技术,利用有限的影像学数据信息,建立膝关节模型和易病变软骨区域;基于支架生理结构特征与关节缺损区机械承载能力的映射关系,建立大块仿生骨软骨支架的结构与稳定性固定结构.实验证明该支架在置换初期较好地恢复了缺损关节的力学环境.所提出的方法和支架有望为大面积骨软骨缺损的修复提供一种新的治疗方案.

摘要：目的研究基于3-D打印技术制备双管道聚乳酸(polylactic acid,PLA)/β-磷酸三钙(β-tricalcium phosphate,β-TCP)生物陶瓷复合材料支架(简称双管道复合支架)的方法,通过在陶瓷结构中灌注PLA提高支架强度,解决多孔生物陶瓷支架力学强度差的问题。方法首先设计具有互不连通初、次级双管道结构的支架,其中初级管道用于细胞附着、组织长入及营养物质代谢,次级管道灌注PLA来提高支架力学性能;然后采用3-D打印和凝胶注模法制造双管道复合支架。并制备标准样本,进行支架界面形貌、孔隙率、力学性能等检测,并与单管道多孔β-TCP生物陶瓷支架(简称单管道支架)进行比较。结果形貌观察发现,双管道复合支架次级管道内充满PLA,且PLA渗入至β-TCP生物陶瓷的微观孔隙内,形成了明显且致密的界面层。有限元分析结果显示双管道复合支架的压缩强度小于单管道支架,但力学压缩实验示其最大压缩强度(21.25±1.15)MPa显著高于单管道支架(9.76±0.64)MPa。结论基于3-D打印技术制造的双管道复合支架具有可控的多孔结构,力学性能明显增强,为实现骨支架多孔结构与支架承载强度的统一提供了新思路。

摘要：针对一代双动半膝关节定制化程度不高,缺少有效的韧带附丽系统等问题,设计出具有有效韧带附丽的二代双动半膝关节假体,并提出半膝关节韧带附丽概念。通过计算机软件技术设计路线,在一代双动半膝关节假体的原理基础上,进行韧带附丽装置设计和高度个体化仿生设计。利用快速成型技术制造的树脂假体模型进行在此韧带附丽装置下韧带附丽点的选择、韧带的走行与规律,及假体初始安装角度等探索性实验。二代双动半膝关节假体能够有效进行关节韧带重建,并保持良好的稳定性和运动功能。实验表明,选取接近生理状态下的韧带附丽点,并使用LARS韧带进行韧带重建时,双动半膝关节假体的最佳初始固定角度是关节屈曲105°的状态,此时胫骨前向松弛度为(5.96±0.05)mm,后向松弛度(5.00±0.03)mm。二代双动半膝关节假体设计较一代更为合理有效。韧带附丽装置和附丽概念为膝关节韧带重建提供新的思路和方法。