面向3d打印的骨骼仿生多孔结构设计与分析(附件)
采用3D打印技术打印出的人工骨代替人体坏骨的方法，在现代医学领域的影响可谓是十分显著。它不但解决了人工骨诱导制造方面的问题，还有相当高的学术意义。但是3D打印的人工骨成本十分高昂，并不能面向所有患有骨骼疾病的患者提供，所以就需要在不影响人工骨表面质量的前提下减少成本，也就是要减少3D打印所需要的材料，当然，要保证骨骼的力学性能符合人体的负载能力。而多孔结构就恰恰满足了我们的优化要求。本文将对两种不同排列方式的多孔结构进行力学性能分析，选出一个性能更为良好的多孔结构，并将其通过3D打印技术打印出来。关键词 3D打印，人工骨，多孔结构，逆向建模，有限元分析
目 录
1 绪论 1
1.1 3D打印概述 1
1.2 人工骨概述 1
1.3 多孔结构概述 2
2 多孔结构胫骨实体三维模型建模 5
2.1 胫骨实体三维模型建模 6
2.2 多孔结构实体三维建模 11
2.3 生成多孔结构 17
3 有限元分析 18
3.1 Ansys Workbench软件介绍 18
3.2 有限元分析过程 19
3.3 有限元分析结果 22
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
本课题结合临床对骨肿瘤修复体设计加工时对人工骨假体设计合理的内部仿生支架结构，使其具备一定的生物活性，有助于骨细胞的粘附、迁移并最终沉积形成新骨的诉求，在人工骨及假体的设计基础上，设计孔隙率、连通性符合生物医学规律的骨骼仿生多孔结构，从而保证设计的人工骨具有良好的生物性能、机械性能、可制造性以及经济型，与此同时，还节省了3D打印人工骨的材料，减少了原材料的消耗。
1.1 3D打印概述
3D打印(3DP)是一种快速成型技术，该技术起源于20世纪90年代中期。它的工作原理与普通打印技术基本相同，主要是一种以三维模型文件为输入，以可固化、可粘合等材料为原材料，利用纸层叠与光固化等技术的最新快速成型装置[13]。
近年来，人们对3D打印技术的兴趣日益浓厚，他 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
们能够通过数字化的表现形成有型的固体模型。典型的，通过连续堆叠粉末状材料的横截面层来构建物理印刷物体。
3D打印在各个领域都有其独特的地位，在应用领域上，主要包括模具制造业、修复机械零件、医疗人体器官替代及航空航天工业等。
现在3D打印技术在医疗领域的发展速度可谓一般，尽管距离人体器官打印技术的成熟还有一段漫长的距离，而且还要不断面临社会伦理道德的非议与技术上的挑战，但随着3D打印技术的不断发展，在细胞打印与生物打印方向上技术的进步，可以通过3D打印完成构建可控制的3D支架结构以及打印材料的革新，这些让3D打印技术正在医学再生领域与组织工程领域展现属于它独特的魅力。
1.2 人工骨概述
1.2.1 人工骨简介
人工骨（Artifical Bone）是指能够对骨组织缺损进行修复或代替人体骨骼的人工生物材料。简单来说，人工骨就时采用人工技术合成的生物材料制备而成的代替人体骨骼起到支架作用并能够植入到人体内的人造骨组织[5]。
在科技飞速发展的今天，疾病，仍然是我们所要面对众多困难所需要突破的难点之一。而在骨科领域，由于骨髓炎、骨肿瘤或者遭受意外严重创伤等各种原因而导致的骨缺损问题更是十分常见，像这些由于严重损伤或各种骨骼疾病等导致的骨缺损如果得不到及时且有效的治疗，往往会导致严重伤残甚至是截肢，这些一直是骨骼再生修复领域的国际性医学难题，因此，通过移植人工骨来修复骨缺损成为医学重点。
1.2.2 人工骨国内研究进展
在21世纪初，我国在3D打印技术领域的研发才开始加大力度，而直到2000年左右在医学领域的研究才真正开展起来。清华大学、西安交通大学和上海交通大学等机构在是生物医学的3D打印领域都取得了突破性的贡献[1]，这为我国的3D打印技术在医学领域的研究奠下了殷实的基础并指明了方向。
在人口众多的中国，医学领域的无论是病者数量、手术例数还是手术技术方面相比于西方发达国家都毫不逊色，但是在骨科医疗器械，尤其是植入体方面则落后他们一大截。而3D打印技术的出现及发展，并逐渐在骨科领域取得不小的进展，也许是中国骨科植入体方面赶上西方发达国家的一个机会。让人欣喜的是，中国在3D打印人工骨领域已取得了突出性的成果。
2000年，被称为“中国3D打印第一人”的清华大学教授颜永年同中国人民解放军空军军医大学的胡蕴玉教授合作，利用多喷头喷射技术成功将多孔的人工骨支架制备完成，并且通过对这个人工骨的一系列实验证明，此人工骨具备一定的降解能力并且可以对新骨的生成起到诱导作用。
1.2.3 人工骨国外研究进展
相比于中国，在3D打印人工骨制造方面，国外的起步时间比较早。早在20世纪90年代初，外国就有很多著名学术专家对3D打印技术在医疗生物领域的应用进行了初步的研究。
早在1994年，学者Baker等人就利用SL成型工艺技术，通过对病患者的骨缺损部位进行CT影像扫描，成功制造出代替人体颅骨的人工假体。该项成果将SL技术成功的应用到了医学领域，是发展制造人体假骨的一大步。
1.3 多孔结构概述
3D打印技术在近些年的发展速度可谓是迅速，但是3D打印技术中的一个比较显著的问题尚还没有特别好的解决方法，那就是3D打印的成本问题一直居高不下。虽然是随着近几年3D技术的不断发展，3D打印的成本问题得到了些许下降，但是目前的3D打印成本一般都是由打印物品的单位体积所消耗的打印材料的费用来表示，并且材料的价格单位是元/????????3。由此可以知道，3D打印的成本是与打印所需要的材料直接挂钩，成正比关系的。因此，为了能够降低在3D打印人工骨时的打印成本，那么就必须要减少打印所消耗的材料，也就是使打印物体的实体体积变小，当然是在打印物体的表面质量不受影响的情况下。所以，对需要打印物体的内部结构进行优化处理，这不失为降低成本的最简单的方法了[413]。
多孔结构在我们日常生活中并不少见，在自然界中更是存在很多的多孔结构，比如蜂窝结构、桁架结构以及泡沫结构等，像这些多孔结构在具有一定强度和表面质量的情况下，同时还拥有比较轻的重量。下面将简单的介绍下这些结构。
目 录
1 绪论 1
1.1 3D打印概述 1
1.2 人工骨概述 1
1.3 多孔结构概述 2
2 多孔结构胫骨实体三维模型建模 5
2.1 胫骨实体三维模型建模 6
2.2 多孔结构实体三维建模 11
2.3 生成多孔结构 17
3 有限元分析 18
3.1 Ansys Workbench软件介绍 18
3.2 有限元分析过程 19
3.3 有限元分析结果 22
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
本课题结合临床对骨肿瘤修复体设计加工时对人工骨假体设计合理的内部仿生支架结构，使其具备一定的生物活性，有助于骨细胞的粘附、迁移并最终沉积形成新骨的诉求，在人工骨及假体的设计基础上，设计孔隙率、连通性符合生物医学规律的骨骼仿生多孔结构，从而保证设计的人工骨具有良好的生物性能、机械性能、可制造性以及经济型，与此同时，还节省了3D打印人工骨的材料，减少了原材料的消耗。
1.1 3D打印概述
3D打印(3DP)是一种快速成型技术，该技术起源于20世纪90年代中期。它的工作原理与普通打印技术基本相同，主要是一种以三维模型文件为输入，以可固化、可粘合等材料为原材料，利用纸层叠与光固化等技术的最新快速成型装置[13]。
近年来，人们对3D打印技术的兴趣日益浓厚，他 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
们能够通过数字化的表现形成有型的固体模型。典型的，通过连续堆叠粉末状材料的横截面层来构建物理印刷物体。
3D打印在各个领域都有其独特的地位，在应用领域上，主要包括模具制造业、修复机械零件、医疗人体器官替代及航空航天工业等。
现在3D打印技术在医疗领域的发展速度可谓一般，尽管距离人体器官打印技术的成熟还有一段漫长的距离，而且还要不断面临社会伦理道德的非议与技术上的挑战，但随着3D打印技术的不断发展，在细胞打印与生物打印方向上技术的进步，可以通过3D打印完成构建可控制的3D支架结构以及打印材料的革新，这些让3D打印技术正在医学再生领域与组织工程领域展现属于它独特的魅力。
1.2 人工骨概述
1.2.1 人工骨简介
人工骨（Artifical Bone）是指能够对骨组织缺损进行修复或代替人体骨骼的人工生物材料。简单来说，人工骨就时采用人工技术合成的生物材料制备而成的代替人体骨骼起到支架作用并能够植入到人体内的人造骨组织[5]。
在科技飞速发展的今天，疾病，仍然是我们所要面对众多困难所需要突破的难点之一。而在骨科领域，由于骨髓炎、骨肿瘤或者遭受意外严重创伤等各种原因而导致的骨缺损问题更是十分常见，像这些由于严重损伤或各种骨骼疾病等导致的骨缺损如果得不到及时且有效的治疗，往往会导致严重伤残甚至是截肢，这些一直是骨骼再生修复领域的国际性医学难题，因此，通过移植人工骨来修复骨缺损成为医学重点。
1.2.2 人工骨国内研究进展
在21世纪初，我国在3D打印技术领域的研发才开始加大力度，而直到2000年左右在医学领域的研究才真正开展起来。清华大学、西安交通大学和上海交通大学等机构在是生物医学的3D打印领域都取得了突破性的贡献[1]，这为我国的3D打印技术在医学领域的研究奠下了殷实的基础并指明了方向。
在人口众多的中国，医学领域的无论是病者数量、手术例数还是手术技术方面相比于西方发达国家都毫不逊色，但是在骨科医疗器械，尤其是植入体方面则落后他们一大截。而3D打印技术的出现及发展，并逐渐在骨科领域取得不小的进展，也许是中国骨科植入体方面赶上西方发达国家的一个机会。让人欣喜的是，中国在3D打印人工骨领域已取得了突出性的成果。
2000年，被称为“中国3D打印第一人”的清华大学教授颜永年同中国人民解放军空军军医大学的胡蕴玉教授合作，利用多喷头喷射技术成功将多孔的人工骨支架制备完成，并且通过对这个人工骨的一系列实验证明，此人工骨具备一定的降解能力并且可以对新骨的生成起到诱导作用。
1.2.3 人工骨国外研究进展
相比于中国，在3D打印人工骨制造方面，国外的起步时间比较早。早在20世纪90年代初，外国就有很多著名学术专家对3D打印技术在医疗生物领域的应用进行了初步的研究。
早在1994年，学者Baker等人就利用SL成型工艺技术，通过对病患者的骨缺损部位进行CT影像扫描，成功制造出代替人体颅骨的人工假体。该项成果将SL技术成功的应用到了医学领域，是发展制造人体假骨的一大步。
1.3 多孔结构概述
3D打印技术在近些年的发展速度可谓是迅速，但是3D打印技术中的一个比较显著的问题尚还没有特别好的解决方法，那就是3D打印的成本问题一直居高不下。虽然是随着近几年3D技术的不断发展，3D打印的成本问题得到了些许下降，但是目前的3D打印成本一般都是由打印物品的单位体积所消耗的打印材料的费用来表示，并且材料的价格单位是元/????????3。由此可以知道，3D打印的成本是与打印所需要的材料直接挂钩，成正比关系的。因此，为了能够降低在3D打印人工骨时的打印成本，那么就必须要减少打印所消耗的材料，也就是使打印物体的实体体积变小，当然是在打印物体的表面质量不受影响的情况下。所以，对需要打印物体的内部结构进行优化处理，这不失为降低成本的最简单的方法了[413]。
多孔结构在我们日常生活中并不少见，在自然界中更是存在很多的多孔结构，比如蜂窝结构、桁架结构以及泡沫结构等，像这些多孔结构在具有一定强度和表面质量的情况下，同时还拥有比较轻的重量。下面将简单的介绍下这些结构。
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