模拟体内应力作用的骨支架降解和骨重建仿真研究

论文摘要

目前对骨组织工程学的研究主要通过实验研究和数值模拟的方法进行。由于骨再生过程持续时间周期很长,基于体内试验的方法开展相关研究难于进行,且花费巨大。随着计算机计算能力的提高和新的数学理论的不断出现,利用数值模拟技术对骨组织工程进行相关研究的工作逐步深入。本论文主要通过计算机仿真的手段对体内应力作用下的骨支架降解和骨重建的过程进行模拟研究。主要工作和成果如下：（1）构建了考虑应力影响因素的骨支架降解公式,利用多孔固体结构与性能理论建立起骨支架的弹性模量和支架壁厚之间的关系式,描述骨支架胞元的降解,得出每次降解骨支架的壁厚的变化量。（2）利用应变能密度理论模拟伴随骨支架降解过程的骨再生过程。以参考应变能密度理论为基础,在计算应变能时综合考虑降解过程中新骨的生成对骨-支架系统的力学性能的影响,骨支架降解和新骨重建是两个独立,又相互影响的过程。（3）应用有限元软件和子程序来模拟骨支架降解和骨再生的过程。利用骨支架胞元的变化刻画整体支架的变化,把有限元软件中的六面体单元和骨支架胞元相结合,以单元的力学性能的变化过程解释整个降解过程的发生。选取不同骨支架的初始孔径分别对上述过程进行计算,结果表明,随着孔径在一定范围内的增大,骨重建的情况越理想。本论文建立的骨支架降解模型考虑了应力的影响,能够为受较大应力作用下的支架降解的情况做更清晰的描述。此外,论文中提出的以力学性能变化来刻画几何变化的仿真方法,在模拟过程中简化了大量的计算工作,可为以后相关的研究提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 骨组织工程及其研究现状
• 1.3 骨支架降解模型研究状况
• 1.3.1 骨支架降解模型介绍
• 1.3.2 支架降解模型考虑应力影响的必要性
• 1.4 骨重建的研究和发展
• 1.4.1 骨重建的基本概念
• 1.4.2 骨重建的基本理论和发展进程
• 1.5 本文的研究内容和意义
• 1.5.1 本文的研究内容
• 1.5.2 本文的研究意义
• 1.6 论文框架
• 第2章 骨组织工程支架降解模型
• 2.1 概述
• 2.2 生物可降解性聚合物支架材料降解率公式的建立
• 2.2.1 常态下的材料降解
• 2.2.2 应力影响下溶解率变化
• 2.3 支架模型胞元定义和胞元降解过程分析
• 2.3.1 支架模型胞元定义
• 2.3.2 支架胞元降解过程分析
• 2.4 支架降解变化在有限元分析过程中的实现
• 2.4.1 用户子程序UMAT介绍
• 2.4.2 支架降解在有限元分析过程中的实现
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于应变能密度理论的骨重建
• 3.1 概述
• 3.2 骨骼的参考应变能理论
• 3.3 骨重建在有限元分析过程中的实现
• 3.4 本章小结
• 第4章 骨支架降解和重建过程的有限元仿真计算
• 4.1 有限元法基础
• 4.1.1 有限单元法
• 4.1.2 有限元分析软件的介绍
• 4.2 股骨和骨支架的有限元模型
• 4.2.1 三维几何模型的构建
• 4.2.2 材料的赋值
• 4.2.3 单元网格划分
• 4.2.4 载荷和边界条件
• 4.3 有限元模型求解
• 4.4 本章小结
• 第5章 结果与讨论
• 5.1 应力分布和降解速率之间关系的分析
• 5.2 不同孔径支架对骨重建影响的分析
• 5.2.1 单一降解模型和综合骨重建模型的比较
• 5.2.2 不同孔径支架对骨重建影响的对比分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果