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  • 分區骨小梁脛骨平臺骨長入性能的數值模擬與疲勞實驗

    論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:碩博論文網 點擊次數:
    論文字數:46966 論文編號:sb2022071415330849070 日期:2022-08-12 來源:碩博論文網

    本文是一篇機械論文,本文設計一種分區骨小梁結構,并建立分區骨小梁脛骨平臺假體簡化模型來研究其骨長入性能,期望改善脛骨平臺假體的設計,為患者帶來更好的術后恢復效果。
    第一章 緒論
    1.1 引言
    骨在人體中主要起支撐與承受載荷的作用,而關節是人體骨骼的重要連接部位。在日?;顒又?,骨骼需要承受人體力學載荷,感受外部力學環境的變化,這便要求骨骼應具備足夠的強度、硬度及敏感性,讓骨骼在受到力學載荷后不發生變形。骨骼在完成力學功能的同時,還需要盡量減少能量的損耗,提高使用效率,即只在需要承受載荷的地方生長,而在不需要的地方對骨組織進行吸收來減輕骨的重量。骨骼作為一種“活”的復雜材料,需要一直不斷地變化來適應人體的力學環境,骨的這種特性為金屬骨小梁結構關節假體的出現提供了可能,骨小梁結構假體植入人體后,骨組織可以長入到骨小梁結構中形成有效固定,而且具有較高孔隙率及孔徑的骨小梁結構將更有利于骨長入,從而使假體與骨組織的結合更加穩定。

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    膝關節是人體承擔重量最大的關節,同時也是最大的人體關節。膝關節結構上面是股骨,下面是脛骨,前方是髕骨等三塊骨頭,中間有半月板,然后由關節囊圍成空腔,如圖1.1所示。膝關節具有很高的靈活性,除了日?;顒又械那ド煺沟群唵蝿幼?,有時還需完成一些大幅度高負載的動作,這使得膝關節在生活中受傷的幾率大大增加。膝關節假體依據膝關節的構成和外觀進行設計制造,第一例膝關節置換手術[1]成功后,隨著研究人員和醫療人員的不懈努力,膝關節假體在設計、材料以及制造等方面都取得了很大的進步。
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    1.2 課題的研究背景與意義
    隨著我國開始步入老齡化社會,各類疾病的發生率也迅速增多。膝關節部位的疾病是老年人群體中發生率較高的一類疾病,其中退行性膝關節炎是現在中老年人群體發病率較高一種疾病,而在年輕群體中也會出現該方面的疾病,患有該類疾病會使膝關節功能出現退化,病情嚴重的患者可能直接喪失行走的能力。該疾病的發病概率會隨著年齡的增加不斷升高,同時體重也是影響發病率的一個重要原因,有研究表明,60歲以上體重超重的人患有膝部骨關節炎的概率約為60%[6],在這種背景下,促使人們對膝關節疾病方面的研究快速進步。當患者因為病情加重,嚴重影響生活質量時,大部分膝關節疾病患者會通過膝關節假體置換來進行治療,膝關節假體置換手術在很大程度上可以緩解膝關節疾病帶來的痛苦,并且可以很大程度上維持關節的靈活性,使患者的膝關節恢復正常生活的能力。隨著該類手術的需求量快速增長,對脛骨平臺假體的要求也越來越高。目前臨床治療結果顯示,帶有骨小梁結構的脛骨平臺假體相較于傳統脛骨平臺假體具有更好的治療效果,分區骨小梁結構假體的提出,對脛骨平臺假體的設計具有重要指導意義。因此設計出一種帶分區骨小梁結構的脛骨平臺假體,能夠有效改善脛骨松質骨與假體接觸界面的應力集中現象,還可以使假體與松質骨之間的整合更理想[7],通過骨長入來提高患者假體和骨的結合強度,從而提高假體的穩定性。所以設計具有多孔結構的分區骨小梁脛骨平臺假體,對解決全膝關節置換手術中存在的問題具有重要的臨床意義。
    3D打印技術的發展促進了人們對晶格及其他多孔結構功能性的研究,晶格結構一般可分為周期性和隨機性兩種形式,這取決于它們的布局形式[8]。多孔結構已經被證明具備有效的剛度和強度,多孔材料很輕,但具有非常高的抗沖擊與吸引的能力[9],具有預定外部形狀和內部結構的多孔、網狀或晶格結構,只能通過3D打印技術才可以制造[10],否則這些復雜的多孔結構很難通過其他制造工藝制造。3D打印技術在骨科醫學中的廣泛應用,很大程度上促進了膝關節假體的發展。常用于3D打印假體的材料主要有鈦合金和鋯鈮合金[11,12]等金屬材料,部分假體則會采用高分子聚合物[13]等作為打印材料。由于傳統關節假體都為表面光滑或者帶涂層的實心假體,假體置換后容易發生并發癥,但如何在假體上構建類似于骨小梁的多孔結構長期困擾著研究人員[14,15]。隨著3D打印技術的不斷發展,可以輕松生產制造各種復雜的微孔結構,而且還可以根據需要對骨小梁結構模型的孔隙率、大小及彈性模量等各種參數進行修改[16],使骨小梁結構的性能與患者的骨質更匹配,帶來更好的置換效果[17]。因此3D打印技術為分區骨小梁結構的設計制造提供了可能,設計出適合脛骨平臺假體的復雜多孔骨小梁結構,進而帶來更好的骨長入效果,對于各類關節假體的研究也具有重要意義。
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    第二章 骨小梁結構的設計與分析
    2.1 引言
    多孔金屬材料具有很多傳統的金屬材料無法具備的優良特性,具有吸振能力好、比重小及透氣性好等特點。多孔金屬材料的這些特點為脛骨平臺假體的優化提供了可能,在脛骨平臺假體中加入金屬多孔結構作為骨小梁,會刺激假體周圍的骨長入,使患者獲得更好的術后恢復效果。因此在本章中,將進行骨小梁胞元結構的設計,并對其幾何結構參數和力學性能進行比較分析,選出一種適合用于脛骨平臺假體的骨小梁胞元結構。

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    常見的多孔結構包括四類:蜂窩結構、開孔泡沫結構、閉孔泡沫結構及晶格結構。蜂窩結構和閉孔泡沫結構的孔洞之間不互通且存在較多的封閉面,孔洞之間不互通,將無法實現骨細胞的長入,不適合用于骨小梁結構的設計;開孔泡沫結構和晶格結構的孔洞之間互通,較適用于骨小梁胞元結構的設計。 
    根據目前對骨小梁結構的研究[35,45]及開孔泡沫結構和晶格結構的特點,本文通過成型輔助3D打印軟件Materialise Magics設計了8種具有對稱特性的骨小梁胞元結構,如圖2.1所示。這些結構的單元邊長均為2.0mm,即每一種結構都恰好包裹在邊長為2.0mm的正方體單元內。由圖2.1可知,Cell2~Cell8結構均為中心對稱結構,Cell1結構為面對稱結構。從結構的特點來看,可以將Cell2和Cell3結構歸為開孔泡沫結構,只有一個中心點位于結構中心,且這兩種結構的各分支可由中心向空間外延伸;其它6種結構歸為晶格結構,其中Cell6~Cell8結構有且只有一個對稱點在結構的中心位置。
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    2.2骨小梁胞元結構的有限元分析
    骨科植入物中所使用的鈦合金骨小梁結構不僅需要有符合標準的幾何結構參數,也需要具有足夠的力學性能[62]。本文將通過有限元分析軟件ANSYS來分析骨小梁胞元結構的力學性能。有限元計算的流程如圖2.2所示。
    2.2.1 材料參數的確定
    文中的骨小梁胞元結構均為鈦合金材質,所以有限元分析中的材料參數將按鈦合金來定義??紤]到測量方法不同會對材料的參數測定產生影響,故有限元分析中鈦合金骨小梁結構的參數將通過查閱文獻獲得。Luo等[63]通過制備多孔鈦合金晶格結構,如圖2.3(a)所示,測得的彈性模量為83.2GPa;Li等[64]通過制備多孔鈦合金支架,如圖2.3(b)所示,測得的彈性模量為60GPa;Shima等對鈦合金粉末展開研究,測得鈦合金粉末彈性模量為87GPa;楊坤[65]在對3D打印醫用鈦合金骨科植入物的研究中認為其彈性模量為110GPa;張忠軍等[66]通過對10個直徑10mm,標距50mm的試樣進行電測實驗,測得鈦合金的彈性模量為118.6GPa,泊松比為0.33;張蘭[67]通過對18個直徑為5mm,標距為25mm,長度為72mm的鈦合金圓柱體拉伸試件,如圖2.3(c)所示,進行拉伸實驗測量鈦合金的彈性模量為10GPa。特別提出的是,以上文獻中所研究的均為3D打印鈦合金的彈性模量??紤]到所用鈦合金的組成成分與結構上的差異及下文實驗樣件的材料參數,本文最終確定進行有限元仿真分析時的彈性模量為110GPa,泊松比為0.342。
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    第三章 分區骨小梁脛骨平臺假體簡化模型的設計與分析 ..............27
    3.1 引言 ................................. 27
    3.2 脛骨平臺假體簡化模型的設計 .............................. 27
    3.3 分區骨小梁結構的設計 .................................... 30
    第四章 分區骨小梁脛骨平臺假體簡化模型的骨重建模擬 ..............46
    4.1 引言 ................................ 46
    4.2 理論基礎 ........................... 46
    4.3 不同載荷下脛骨假體簡化模型的有限元分析 .................. 46
    第五章 3D打印分區骨小梁脛骨平臺假體的疲勞實驗 .................55
    5.1 引言 ......................... 55
    5.2 實驗目的及原理 .................... 55
    第六章 不同型號脛骨平臺假體的壓縮實驗
    6.2 實驗目的與方法
    6.2.1 實驗目的
    本章實驗模型將采用4種3D打印聚乳酸((Polylactice Acid: PLA)塑料脛骨平臺假體,4種型號的脛骨平臺假體如圖6.1所示。根據《中華人民共和國塑料壓縮性能實驗方法》(GB/T 1041-92)中的要求對脛骨平臺假體進行壓縮實驗,并對脛骨平臺假體模型進行數值模擬計算來驗證實驗結果的準確性。根據實驗與仿真結果,確定4種型號的脛骨平臺假體抵抗彎曲變形能力的強弱,可以為分區骨小梁結構假體的設計提供一定的基礎。

    機械論文參考
    機械論文參考

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    第七章 總結與展望
    7.1 工作總結
    文章通過查閱大量文獻與資料,對國內外關于骨小梁結構、膝關節脛骨平臺假體,以及骨長入等方面的研究與發展進行了較為全面的總結與分析。對國內外在這些領域的研究與進展有了較為清晰的認識,發現了目前國內外骨小梁脛骨平臺假體在研發與設計中存在的部分問題;發現了骨小梁結構的孔隙率大小和孔徑尺寸會對骨組織的生長產生重要影響;了解到目前臨床中骨小梁脛骨平臺假體的設計仍需要進行改善;認識到對骨功能適應性重建研究的重要性以及目前研究中存在的問題。上述這些研究中的問題都是目前亟待解決的問題,根據這些問題,本文設計一種分區骨小梁結構,并建立分區骨小梁脛骨平臺假體簡化模型來研究其骨長入性能,期望改善脛骨平臺假體的設計,為患者帶來更好的術后恢復效果。本文的主要研究內容及結果總結如下:
    (1)設計了8種不同的骨小梁胞元結構與6種骨小梁多孔支架,對它們的幾何結構參數進行比較分析,并通過有限元仿真計算對它們的力學性能進行比較分析。發現骨小梁胞元結構的形狀、孔隙率及孔徑對自身與骨小梁多孔支架的性能都有很大影響,骨小梁胞元結構與骨小梁多孔支架的承載能力都和孔隙率呈反比關系。通過綜合分析,最終確定Cell6結構的綜合性能最好,適合應用在骨小梁結構假體的設計中。
    (2)采用4種不同尺寸的Cell6骨小梁胞元結構(1.75mm;2.0mm;2.25mm;2.5mm),設計了3種組配方式的分區骨小梁結構(2.25mm-2.0mm-2.5mm;2.0mm-1.75mm-2.5mm;2.0mm-2.0mm-2.0mm),并建立3組分區骨小梁脛骨平臺假體簡化模型,通過有限元分析對模型中脛骨松質骨與骨小梁接觸界面的應變分布規律進行比較分析,最終確定2.25mm-2.0mm-2.5mm組配方式分區骨小梁更適用于膝關節假體的設計。
    (3)通過生死單元的方法對脛骨平臺假體簡化模型在不同載荷下的骨重建結果進行模擬,預測了脛骨松質骨部分的骨組織在外部環境發生變化的時骨適應性重建的結果,研究結果對假體的優化與設計以及患者術后的運動康復有一定的指導意義。
    參考文獻(略)


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