工程论文哪里有？本文研究成果表明，通过合理调控TPMS结构的体积分数及梯度分布，可以在满足机械性能需求的同时，营造出有利于骨组织生长的微环境，从而提高植入物的生物活性和长期稳定性。这对于解决传统均质植入物因弹性模量过高而引发的应力屏蔽及骨质吸收问题具有重要意义。
第1章绪论
1.3国内外研究现状
随着生物医学工程的迅猛发展，仿生学在医疗器械设计中扮演着越来越重要的角色。仿生骨结构的构建旨在模仿天然骨骼的微观结构，以实现与人体骨组织的良好匹配，促进骨愈合和植入物的长期稳定性。传统的骨科植入物多采用均质材料，缺乏与骨组织的相似性，导致应力遮挡效应和骨质流失等问题。因此，设计具有仿生特性的多孔结构成为当前研究的热点。
在仿生骨的修复手术中，往往先使用CT扫描患者的骨缺损部位，得到骨缺损的形状与大小[12]。再使用不同的建模方法得到形状大小与骨缺损相匹配，同时有一定力学性能，生物相容性的人工仿生骨模型。使用3D打印的方式将人工骨模型制造出来，通过外科手术将人工骨植入人体。
仿生骨的构建中，如何制造出力学性能上与人体骨骼相匹配，同时在生物相容性上满足细胞的生长，分化，营养物质的运输的模型至关重要。人体的骨骼是一种高度复杂且具有多功能的生物组织，不仅提供机械支撑和保护功能，还参与代谢调控和造血过程。从结构上看，骨骼由皮质骨和松质骨组成，其中皮质骨致密坚硬，主要负责承受高强度的外部载荷，而松质骨内部具有多孔结构，能够有效分散应力并促进骨髓与血管的分布[13]。这种特殊的双重结构赋予骨骼优异的力学性能，使其既具备足够的刚度以支撑身体重量，又保留了一定的弹性以缓冲冲击力。在微观尺度上，骨骼由胶原蛋白和无机矿物（羟基磷灰石）组成。胶原蛋白提供柔韧性和韧性，使骨骼在受到应力时能够适度变形，而羟基磷灰石则赋予骨骼高强度和耐久性，使其能够抵抗长期的机械负荷[14]。
第2章Tubular-G结构的性能研究与三周期极小曲面梯度模型的生成方法
2.1引言
TPMS是一种具有零平均曲率的光滑周期隐式曲面，它可以精确调整孔径、孔隙率和结构厚度等形态参数。TPMS结构的连续光滑曲面较点阵结构具有更好的机械性能，因为它避免了点阵结构中常见的应力集中现象[27]。关于TPMS结构机械性能的研究表明，其非常适合用于制造骨植入物[28-31]。Nejc Novak等[32]证明TPMS结构表现出优异的能量吸收能力，在抗碰撞性能方面具有显著潜力。除了基础的TPMS结构外，一些研究人员优化了这些结构，并提出了具有显著开发潜力的新型先进方案。例如，Miao Zhao等[33]基于TPMS框架引入了一种新型的互穿晶格结构，与传统TPMS结构相比，其结构顺从性降低了10.85%以上，显示出其在轻量化应用中的潜力。
在TPMS结构用于人工腰椎植入物的研究中，Peng Shang等[34]通过3D打印技术制造了一种具有TPMS结构的人工腰椎锥形植入物。结果表明，与传统设计相比，基于TPMS的植入物具有更高的抗压强度和更低的沉降倾向。这项研究突出了TPMS结构在融合器设计中的巨大潜力，但其研究仅聚焦于单一配置的人工脊柱锥形植入物，未充分探索TPMS结构在其他植入物中的潜在应用。
第3章基于Tubular-G结构的颈椎椎间融合器
3.1引言
颈椎融合器是一种用于治疗颈椎区域受损椎间盘的医疗器械，可将病变部位的相邻椎骨永久固定，从而减轻因病变部位椎骨不稳定对神经根或脊髓造成的压力，缓解患者的疼痛[45,48,49]。目前临床上使用的颈椎融合器主要由PEEK或钛合金制成，这些材料具有良好的生物相容性和化学稳定性。其中，PEEK材料因其弹性模量接近人体骨骼且易于通过常规加工方法生产而被更广泛地应用。然而，为了解决PEEK材料在CT等影像检查中成像效果不佳的问题，商业PEEK颈椎融合器需要引入钛或钽丝以增强其在影像检查中的成像效果。
钛合金因其优异的生物相容性和耐腐蚀性被广泛用于制造骨科植入物，例如骨板、骨钉以及用于颅骨修复的钛网[50,51]。然而，钛合金的弹性模量（110-120 GPa）显著高于人体骨骼（0.02-23.8 GPa）[52]。通过直接加工制成的均质钛合金颈椎融合器弹性模量可高达110 GPa，这可能导致植入后出现“应力屏蔽”效应。这种应力屏蔽效应可能导致术后融合器沉降和移位[53]。在钛合金颈椎融合器中引入多孔结构可以显著降低其弹性模量，使其与人体颈椎更匹配，从而减少应力屏蔽的风险。然而，在钛合金颈椎融合器中直接加工这些多孔结构面临显著挑战[54]。
3.2材料与方法
3.2.1颈椎椎间融合器的设计与SLM打印
在将Tubular-G结构用于椎间融合器时，考虑到梯度的多孔结构不适合融合器的设计，我们使用固定体积率的Tubular-G结构设计颈椎椎间融合器。结合市面上售卖的颈椎椎间融合器的外形以及骨钉放置位置，我们设计了四种椎间融合器类型。如图3-1所示：
根据ASTM-2077进行静态/动态压缩与沉陷实验，来测试融合器的力学性能。对于静态压缩，我们记录压缩过程中的位移，载荷并计算融合器的刚度。将融合器置于万能试验机（MTS-E44.305，美国）的夹具上，以0.3 mm/min的速度进行轴向压缩，直至模型发生断裂，记录压缩过程的位移-载荷。每种融合器测试三次，取平均值来确保实验的可重复性。
结论
本论文基于TPMS结构，围绕多孔模型构建及椎间融合器的设计展开了系统深入的研究。通过对Tubular-G结构的数学建模、3D打印制造、力学性能测试、有限元模拟以及生物相容性实验的综合研究，本文取得了如下主要结论和成果。
首先，本研究以Tubular-G结构为代表，通过隐式函数方法建立了其数学模型，并引入偏移参数实现了不同体积分数下的结构调控。实验结果显示，随着体积分数的改变，Tubular-G结构的孔径、杨氏模量和屈服强度均呈现出显著的变化趋势。通过对比实验和有限元分析，验证了Tubular-G结构内部应力分布的均匀性，较传统点阵结构明显降低了局部应力集中现象，这对于减少植入物在长期使用过程中因应力屏蔽而引起的骨吸收问题具有重要意义。在理论上，通过Ashby模型拟合得出，多孔结构的等效弹性模量与屈服强度均可用体积分数（相对密度）的函数来描述。研究表明，当结构体积分数控制在20%至30%之间时，其机械性能能够较好地模拟皮质骨与松质骨之间的力学性能，同时保证了材料的整体稳定性和抗压性能。这为骨组织工程中采用TPMS结构进行力学性能优化提供了理论依据和设计准则。
针对传统TPMS模型在实际骨缺损区域应用中存在几何不连续及梯度调控精度不足的问题，本文提出了一种基于距离矩阵与等值面提取相结合的梯度多孔模型生成方法。该方法通过对不规则骨缺损区域的外形轮廓提取、空间范围划分以及内部各点与边界的距离计算，构建了高精度的距离矩阵，并以此为基础实现孔隙率的连续梯度分布调控。实验结果表明，该方法能在保证模型几何连续性的同时，灵活地调节不同区域的孔隙率，从而在同一模型内实现外层刚度较高而内层弹性较好的结构设计，较好地模拟了天然骨中皮质骨与松质骨之间的力学梯度变化。
参考文献（略）
