非均匀梯度结构骨组织工程支架优化设计与制造技术研究

组织工程技术是修复骨缺损的重要方法之一。组织支架由于具有引导骨细胞附着和生长、承载载荷等作用是骨组织工程研究中的重要内容，其中支架的结构设计和优化计算是骨组织支架研究的重要方向。骨-支架系统的应力环境是影响骨重建时间和质量的主要因素，目前广泛采用的以均匀结构为基础的支架设计和优化技术不能对骨重建过程进行控制，无法得到骨重建的良好应力环境。.本项目提出以非均匀梯度结构支架为基础，建立支架降解和新骨生长与应力环境相关的数学模型，以此构建骨-支架系统的应力环境描述目标函数，以支架的承载载荷、孔隙率等机械和生物学性能为约束，以骨生长的最佳应力环境为目标，对支架的几何结构、尺寸等参数进行优化，得到最佳的支架结构和尺寸，使骨-支架系统能够在合理的时间内实现骨骼重建；然后，选用与骨骼具有相似机械特性的生物材料通过SLS快速成型制造；最后，通过细胞培养和动物实验验证所设计的支架的有效性。

骨组织工程支架由于具有引导骨细胞附着和生长、承载载荷等作用是骨组织工程研究中的重要内容，其中支架的结构设计和制造方法是骨组织支架研究的重要方向。骨-支架系统的应力环境是影响骨重建时间和质量的主要因素，本项目在支架结构设计中考虑应力因素的影响，建立了基于应力的支架降解模型和新骨生长模型，提出了改进的支架降解控制方程和骨成形控制方程，通过有限元模拟验证了这些模型的正确性,在此基础上对具有不同尺寸的孔隙支架进行了优化设计与分析；提出了一种修复骨缺损的具有个性化外形和复杂非均匀内部结构的支架的数字化设计方法，通过快速成型制造技术验证了该技术的有效性；研究了基于SLS快速成型制造技术的PCL生物支架直接成型和基于碏模的羟基磷灰石支架间接成型技术，得到了支架成型的控制参数；对通过对温度场和激光功率的控制来实现SLS技术制造非均匀梯度结构支架进行了深入研究，实现了非均匀结构支架的制造；最后，通过细胞培养和生物学检测以及动物实验验证了所设计和制造的支架的有效性；本项目的研究成果在复杂颌面外科手术、数字化牙种植和牙根尖精确切除手术等方面进行了推广应用，取得较好的临床效果。