面向3D打印植介入体的生物力学设计

医用植介入体至少包含两类重要的生物力学问题:一是其自身结构的强度等生物力学问题,二是与宿主之间的相互作用;二者对于其成败都非常重要。增材制造技术(3D打印)为个性化植入假体的应用推广带来希望,个性化植入假体具有巨大的临床和市场需求。然而,个性化植入假体设计与临床应用仍有亟待解决的科学和关键技术问题,现有的临床案例主要考虑基于解剖影像几何特征的个性化适配连同医生个人经验进行个性化假体的结构设计,但往往缺乏植入体与宿主组织相互作用的生物力学与力学生物学定量化预测和可靠性评测。本文针对骨盆、肢体修复和足部关节融合所需的个性化植入假体,研究基于生物力学的个性化植入假体的结构优化(强度、可靠性、疲劳特性数值化分析和仿真)技术;探索基于应力影响骨肌相关细胞、组织生长、改重建规律定量化仿真的个性化植入假体的优化设计方法。面向增材制造的多孔植入体对于植入后组织细胞的生长具有诱导性,由于不同形态孔隙的多孔假体,其力学特性、传质特性不同,从而致使其细胞组织相容性差异较大,本文开展了多孔结构拓扑优化研究。开展假体改重建定量生物力学仿真、大规模微孔结构生物力学仿真、疲劳断裂风险数值分析评价、临床特征参数提取、无量纲微孔结构元素库构建、假体高精度制备及处理等关键技术研究。在适宜制备技术方面,研究集成激光清扫的3D打印SLM专用成型设备系统。针对生物医用领域对Ti基合金粉末材料的特殊要求,优化增材制造专用Ti基合金粉末材料的合金体系及化学成分,并结合合金元素对于增材制造过程中激光微熔池行为、凝固组织特征与性能的作用机理研究,微调增材制造用粉末材料的化学成分,研发国产Ti基打印粉材。同时探索个性化植入假体的检测与监管技术。在上述研究基础上开展了临床应用研究。