钛合金-生物活性陶瓷复合人工骨的微结构仿生设计与快速制造

组织工程化人工骨是骨缺损修复领域的一个研究热点，而大段承重活性人工骨的研究又是其中一个难点。本项目以钛合金-生物活性陶瓷复合人工骨支架的仿生拓扑优化设计与快速制造为研究对象，对其中的关键科学问题进行研究，具体内容包括：通过对人体骨微结构与生物力学性能的研究，建立具有仿生特性、微结构可控的复合人工骨支架模型，探索复合人工骨结构的仿生拓扑优化设计新理论；构建复合人工骨支架快速成形制造平台，研究钛合金与β-TCP（β-磷酸三钙）复合成形制备人工骨支架的新方法，并揭示材料结合方式与界面对支架生物与力学性能的影响规律；研究复合支架中的钛合金网架分布和微观结构对β-TCP的降解与骨化过程的影响，以及这一过程对人工骨力学与生物性能的影响规律。本项目旨在探索大段承重复合人工骨支架的优化设计新理论与制造新方法，实现生物陶瓷基质材料降解速率与骨组织生长速率相匹配的同时，使人工骨支架的结构具有最佳力学性能。

本项目对钛合金-生物陶瓷复合结构的组织工程化人工骨支架的微结构设计与3D打印制备等方面的关键科学问题进行了研究，主要结论如下：.对微结构对支架力学性能的影响进行了研究。分析了陶瓷支架的微流道直径、形式、分布尺寸、间距、宏观孔隙率等设计参数对其力学性能的影响规律。随着支架宏观孔隙率的增加，最大等效应力与总变形呈增加趋势；孔间距增大，最佳应变比随之增大。随着Z向孔间距的增大，最大等效应力和总变形也呈增加趋势，最佳应变比变化不大；在正交微流道支架中，X、Y向孔径减小，最大等效应力和最大总变形减小，最佳应变比增大；Z向孔径增大使最大等效应力减小，最大总变形和最佳应变比增加；细化轮辐形微流道可使支架的变形和应力趋于均布，且细化区域应力较小；适当的剪切应力有利于微流道中的细胞增殖，微流道的孔径的大小是影响剪切应力的重要因素。.复合结构支架的力学性能与其中钛合金部分的立柱受力面积有密切的关系，生物陶瓷部分的承载能力低，主要为细胞的生长提供微环境。增加钛合金支架的立柱列数和直径、横梁层数能提高支架的抗压能力，而横梁直径的影响较小。增加层数可使支架微单元的长径比减小，使支架稳定性提高。随着钛合金支架立柱受力面积的增加，生物陶瓷部分的最大等效应力和总变形减小。支架的力学性能最终应与人骨的生物力学参数相匹配，只有弹性模量及其强度极限与人体股骨的强度极限相近的支架才可以被采用。复合结构人工骨支架的制备过程中，温度控制是确保成形质量的关键因素。.研究了股骨干缺损修复时人工骨支架的仿生拓扑优化设计。分析了正常股骨的受力特点，并以此为依据通过拓扑优化的方法对支架结构进行了设计。除了在外形上与植入部位相一致外，还根据植入部位的原始受力情况设计了支架结构，使其与植入部位周围的骨组织的力学性能相匹配，实现了力学仿生。根据拓扑优化的等值面图重构了复合结构支架中的钛合金支架。.对股骨骨折的锁定接骨板系统进行了生物力学研究。螺钉数量与分布对股骨-接骨板系统的固定稳定性有影响，距断面最近的两个螺钉对系统稳定性起关键作用。接骨板工作长度越短，系统的稳定性越强，但同时会导致应力增加，接骨板断裂的风险增加。.支架的细胞相容性实验与细胞毒性实验证明出细胞可以在制备的人工骨支架上生长，并且进行了增殖，说明支架有利于细胞的生长和增殖。将在3D打印方面的部分研究成果应用于合作单位的辅助手术中，取得了良好的结果。