本文是一篇机械论文，本文设计一种分区骨小梁结构，并建立分区骨小梁胫骨平台假体简化模型来研究其骨长入性能，期望改善胫骨平台假体的设计，为患者带来更好的术后恢复效果。
第一章 绪论
1.1 引言
骨在人体中主要起支撑与承受载荷的作用，而关节是人体骨骼的重要连接部位。在日常活动中，骨骼需要承受人体力学载荷，感受外部力学环境的变化，这便要求骨骼应具备足够的强度、硬度及敏感性，让骨骼在受到力学载荷后不发生变形。骨骼在完成力学功能的同时，还需要尽量减少能量的损耗，提高使用效率，即只在需要承受载荷的地方生长，而在不需要的地方对骨组织进行吸收来减轻骨的重量。骨骼作为一种“活”的复杂材料，需要一直不断地变化来适应人体的力学环境，骨的这种特性为金属骨小梁结构关节假体的出现提供了可能，骨小梁结构假体植入人体后，骨组织可以长入到骨小梁结构中形成有效固定，而且具有较高孔隙率及孔径的骨小梁结构将更有利于骨长入，从而使假体与骨组织的结合更加稳定。
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膝关节是人体承担重量最大的关节，同时也是最大的人体关节。膝关节结构上面是股骨，下面是胫骨，前方是髌骨等三块骨头，中间有半月板，然后由关节囊围成空腔，如图1.1所示。膝关节具有很高的灵活性，除了日常活动中的屈膝伸展等简单动作，有时还需完成一些大幅度高负载的动作，这使得膝关节在生活中受伤的几率大大增加。膝关节假体依据膝关节的构成和外观进行设计制造，第一例膝关节置换手术[1]成功后，随着研究人员和医疗人员的不懈努力，膝关节假体在设计、材料以及制造等方面都取得了很大的进步。
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1.2 课题的研究背景与意义
随着我国开始步入老龄化社会，各类疾病的发生率也迅速增多。膝关节部位的疾病是老年人群体中发生率较高的一类疾病，其中退行性膝关节炎是现在中老年人群体发病率较高一种疾病，而在年轻群体中也会出现该方面的疾病，患有该类疾病会使膝关节功能出现退化，病情严重的患者可能直接丧失行走的能力。该疾病的发病概率会随着年龄的增加不断升高，同时体重也是影响发病率的一个重要原因，有研究表明，60岁以上体重超重的人患有膝部骨关节炎的概率约为60%[6]，在这种背景下，促使人们对膝关节疾病方面的研究快速进步。当患者因为病情加重，严重影响生活质量时，大部分膝关节疾病患者会通过膝关节假体置换来进行治疗，膝关节假体置换手术在很大程度上可以缓解膝关节疾病带来的痛苦，并且可以很大程度上维持关节的灵活性，使患者的膝关节恢复正常生活的能力。随着该类手术的需求量快速增长，对胫骨平台假体的要求也越来越高。目前临床治疗结果显示，带有骨小梁结构的胫骨平台假体相较于传统胫骨平台假体具有更好的治疗效果，分区骨小梁结构假体的提出，对胫骨平台假体的设计具有重要指导意义。因此设计出一种带分区骨小梁结构的胫骨平台假体，能够有效改善胫骨松质骨与假体接触界面的应力集中现象，还可以使假体与松质骨之间的整合更理想[7]，通过骨长入来提高患者假体和骨的结合强度，从而提高假体的稳定性。所以设计具有多孔结构的分区骨小梁胫骨平台假体，对解决全膝关节置换手术中存在的问题具有重要的临床意义。
3D打印技术的发展促进了人们对晶格及其他多孔结构功能性的研究，晶格结构一般可分为周期性和随机性两种形式，这取决于它们的布局形式[8]。多孔结构已经被证明具备有效的刚度和强度，多孔材料很轻，但具有非常高的抗冲击与吸引的能力[9]，具有预定外部形状和内部结构的多孔、网状或晶格结构，只能通过3D打印技术才可以制造[10]，否则这些复杂的多孔结构很难通过其他制造工艺制造。3D打印技术在骨科医学中的广泛应用，很大程度上促进了膝关节假体的发展。常用于3D打印假体的材料主要有钛合金和锆铌合金[11,12]等金属材料，部分假体则会采用高分子聚合物[13]等作为打印材料。由于传统关节假体都为表面光滑或者带涂层的实心假体，假体置换后容易发生并发症，但如何在假体上构建类似于骨小梁的多孔结构长期困扰着研究人员[14,15]。随着3D打印技术的不断发展，可以轻松生产制造各种复杂的微孔结构，而且还可以根据需要对骨小梁结构模型的孔隙率、大小及弹性模量等各种参数进行修改[16]，使骨小梁结构的性能与患者的骨质更匹配，带来更好的置换效果[17]。因此3D打印技术为分区骨小梁结构的设计制造提供了可能，设计出适合胫骨平台假体的复杂多孔骨小梁结构，进而带来更好的骨长入效果，对于各类关节假体的研究也具有重要意义。
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第二章 骨小梁结构的设计与分析
2.1 引言
多孔金属材料具有很多传统的金属材料无法具备的优良特性，具有吸振能力好、比重小及透气性好等特点。多孔金属材料的这些特点为胫骨平台假体的优化提供了可能，在胫骨平台假体中加入金属多孔结构作为骨小梁，会刺激假体周围的骨长入，使患者获得更好的术后恢复效果。因此在本章中，将进行骨小梁胞元结构的设计，并对其几何结构参数和力学性能进行比较分析，选出一种适合用于胫骨平台假体的骨小梁胞元结构。
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常见的多孔结构包括四类：蜂窝结构、开孔泡沫结构、闭孔泡沫结构及晶格结构。蜂窝结构和闭孔泡沫结构的孔洞之间不互通且存在较多的封闭面，孔洞之间不互通，将无法实现骨细胞的长入，不适合用于骨小梁结构的设计；开孔泡沫结构和晶格结构的孔洞之间互通，较适用于骨小梁胞元结构的设计。
根据目前对骨小梁结构的研究[35,45]及开孔泡沫结构和晶格结构的特点，本文通过成型辅助3D打印软件Materialise Magics设计了8种具有对称特性的骨小梁胞元结构，如图2.1所示。这些结构的单元边长均为2.0mm，即每一种结构都恰好包裹在边长为2.0mm的正方体单元内。由图2.1可知，Cell2~Cell8结构均为中心对称结构，Cell1结构为面对称结构。从结构的特点来看，可以将Cell2和Cell3结构归为开孔泡沫结构，只有一个中心点位于结构中心，且这两种结构的各分支可由中心向空间外延伸；其它6种结构归为晶格结构，其中Cell6~Cell8结构有且只有一个对称点在结构的中心位置。
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2.2骨小梁胞元结构的有限元分析
骨科植入物中所使用的钛合金骨小梁结构不仅需要有符合标准的几何结构参数，也需要具有足够的力学性能[62]。本文将通过有限元分析软件ANSYS来分析骨小梁胞元结构的力学性能。有限元计算的流程如图2.2所示。
2.2.1 材料参数的确定
文中的骨小梁胞元结构均为钛合金材质，所以有限元分析中的材料参数将按钛合金来定义。考虑到测量方法不同会对材料的参数测定产生影响，故有限元分析中钛合金骨小梁结构的参数将通过查阅文献获得。Luo等[63]通过制备多孔钛合金晶格结构，如图2.3（a）所示，测得的弹性模量为83.2GPa；Li等[64]通过制备多孔钛合金支架，如图2.3（b）所示，测得的弹性模量为60GPa；Shima等对钛合金粉末展开研究，测得钛合金粉末弹性模量为87GPa；杨坤[65]在对3D打印医用钛合金骨科植入物的研究中认为其弹性模量为110GPa；张忠军等[66]通过对10个直径10mm，标距50mm的试样进行电测实验，测得钛合金的弹性模量为118.6GPa，泊松比为0.33；张兰[67]通过对18个直径为5mm，标距为25mm，长度为72mm的钛合金圆柱体拉伸试件，如图2.3（c）所示，进行拉伸实验测量钛合金的弹性模量为10GPa。特别提出的是，以上文献中所研究的均为3D打印钛合金的弹性模量。考虑到所用钛合金的组成成分与结构上的差异及下文实验样件的材料参数，本文最终确定进行有限元仿真分析时的弹性模量为110GPa，泊松比为0.342。
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第三章 分区骨小梁胫骨平台假体简化模型的设计与分析 ..............27
3.1 引言 ................................. 27
3.2 胫骨平台假体简化模型的设计 .............................. 27
3.3 分区骨小梁结构的设计 .................................... 30
第四章 分区骨小梁胫骨平台假体简化模型的骨重建模拟 ..............46
4.1 引言 ................................ 46
4.2 理论基础 ........................... 46
4.3 不同载荷下胫骨假体简化模型的有限元分析 .................. 46
第五章 3D打印分区骨小梁胫骨平台假体的疲劳实验 .................55
5.1 引言 ......................... 55
5.2 实验目的及原理 .................... 55
第六章 不同型号胫骨平台假体的压缩实验
6.2 实验目的与方法
6.2.1 实验目的
本章实验模型将采用4种3D打印聚乳酸(（Polylactice Acid: PLA）塑料胫骨平台假体，4种型号的胫骨平台假体如图6.1所示。根据《中华人民共和国塑料压缩性能实验方法》（GB/T 1041-92）中的要求对胫骨平台假体进行压缩实验，并对胫骨平台假体模型进行数值模拟计算来验证实验结果的准确性。根据实验与仿真结果，确定4种型号的胫骨平台假体抵抗弯曲变形能力的强弱，可以为分区骨小梁结构假体的设计提供一定的基础。
机械论文参考
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第七章 总结与展望
7.1 工作总结
文章通过查阅大量文献与资料，对国内外关于骨小梁结构、膝关节胫骨平台假体，以及骨长入等方面的研究与发展进行了较为全面的总结与分析。对国内外在这些领域的研究与进展有了较为清晰的认识，发现了目前国内外骨小梁胫骨平台假体在研发与设计中存在的部分问题；发现了骨小梁结构的孔隙率大小和孔径尺寸会对骨组织的生长产生重要影响；了解到目前临床中骨小梁胫骨平台假体的设计仍需要进行改善；认识到对骨功能适应性重建研究的重要性以及目前研究中存在的问题。上述这些研究中的问题都是目前亟待解决的问题，根据这些问题，本文设计一种分区骨小梁结构，并建立分区骨小梁胫骨平台假体简化模型来研究其骨长入性能，期望改善胫骨平台假体的设计，为患者带来更好的术后恢复效果。本文的主要研究内容及结果总结如下：
（1）设计了8种不同的骨小梁胞元结构与6种骨小梁多孔支架，对它们的几何结构参数进行比较分析，并通过有限元仿真计算对它们的力学性能进行比较分析。发现骨小梁胞元结构的形状、孔隙率及孔径对自身与骨小梁多孔支架的性能都有很大影响，骨小梁胞元结构与骨小梁多孔支架的承载能力都和孔隙率呈反比关系。通过综合分析，最终确定Cell6结构的综合性能最好，适合应用在骨小梁结构假体的设计中。
（2）采用4种不同尺寸的Cell6骨小梁胞元结构（1.75mm；2.0mm；2.25mm；2.5mm），设计了3种组配方式的分区骨小梁结构（2.25mm-2.0mm-2.5mm；2.0mm-1.75mm-2.5mm；2.0mm-2.0mm-2.0mm），并建立3组分区骨小梁胫骨平台假体简化模型，通过有限元分析对模型中胫骨松质骨与骨小梁接触界面的应变分布规律进行比较分析，最终确定2.25mm-2.0mm-2.5mm组配方式分区骨小梁更适用于膝关节假体的设计。
（3）通过生死单元的方法对胫骨平台假体简化模型在不同载荷下的骨重建结果进行模拟，预测了胫骨松质骨部分的骨组织在外部环境发生变化的时骨适应性重建的结果，研究结果对假体的优化与设计以及患者术后的运动康复有一定的指导意义。
参考文献（略）