复合结构人工骨支架微结构的设计研究

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1、硕士研究生学位论文新疆大学论文题目(中文)：复合结构人工骨支架微结构的设计研究论文题目(外文)：Researchonthedesignofscaffoldsmicrostructureforcompositestructureartificialbone研究生姓名：王娟学科、专业：机械工程研究方向：机械制造及其自动化导师姓名职称：乌日开西·艾依提教授论文答辩日期2015年05月29日学位授予日期2015年06月日新疆大学硕士研究生学位论文摘要组织工程骨支架的结构决定着仿生人工骨的成骨性能，因此支架不仅需要三维微孔结构且需要有足够的强度。针对支架需要足够的孔隙率和足够的强

2、度的需求，本文进行了研究。利用有限元分析软件，对人工骨支架的微孔结构对支架应力、应变和变形的影响，进行了数值模拟研究。同时利用力学压缩实验对人工骨支架结构的力学性能进行验证分析。对单一材料生物陶瓷β-磷酸三钙（β-TCP）人工骨支架内部的微孔结构进行优化设计。利用ANYSY软件建立支架微孔结构的三维模型，三维模型赋予其边界条件、载荷条件、材料参数，进行网格划分。然后定义变化参数及参数范围，对其进行优化分析，计算得到模型的最大等效应力及最大总变形与孔隙率的关系，并分析比较不同孔径、孔间距结构对支架最大等效应力、最大总变形、内部应变的影响。支架孔隙率和最佳应变比越大，最大等

3、效应力、最大总变形越小，支架生物性能和力学性能越好。分析得到了微孔各个参数对支架孔隙率、最大等效应力、最大总变形以及内部应变的影响规律，这些结果为支架的结构设计和优化提供了有意义的参考价值。为复合结构中钛合金TC4支架结构的分布作前期研究，对钛合金支架进行了优化设计。建立钛合金支架各个方向不同层数和不同直径的钛合金支架模型，对其进行有限元分析，提取支架的最大等效应力和最大总变形。同时利用激光选区熔化技术（SelectiveLaserMelting，SLM）制备钛合金支架结构，利用力学实验对模拟仿真的结果进行验证。结果显示增加Z轴方向钛合金直径和X轴方向钛合金层数时，更有

4、利于提高支架的力学性能。对生物陶瓷-钛合金复合结构人工骨支架的内部结构的进行了设计，并对复合结构中钛合金支架结构的分布和直径对支架力学性能的影响进行了研究与分析。利用ANYSY软件建立钛合金的分布和直径的不同的复合支架结构有限元模I新疆大学硕士研究生学位论文型，计算支架最大等效应力、最大总变形。本章计算结果显示复合结构中钛合金支架结构的受力面积越大，支架最大等效应力、最大总变形越小，支架生物性能和力学性能越好。分析得到了钛合金支架结构各个参数对支架最大等效应力、最大总变形的影响规律，这些结果为支架的结构设计和优化提供了有意义的参考价值。关键词：组织工程支架；微孔结构；优

5、化设计；3D打印II新疆大学硕士研究生学位论文AbstractThestructureofbonetissueengineeringscaffolddeterminestheosteogenesisperformanceoftheartificialbone,thereforescaffoldsnotonlyrequires3Dmicrostructuresandmusthavesufficientstrength.Aimedatthedifficulties,thispaperconductedanumericalsimulationresearch,studying

6、theeffectofthemicroporousstructureoftheartificialbonescaffoldsonthestress,strainanddeformationbyusingfiniteelementanalysissoftware.Atthesametime,themechanicalcompressionexperimentofartificialbonescaffoldsstructurewasusedtoanalyzethemechanicalperformance.Themicroporousstructurewasoptimize

7、ddesignedfortheartificialbonescaffoldsofbiologicalceramicβ-tricalciumphosphate(β-TCP).Thethree-dimensionalmodelsofscaffoldswithmicroporousstructureswereestablishedbyusingANYSYSsoftware,andgaveittheboundaryconditions,loadingconditions,materialparameters,andthenmeshedit.The