乙酰化淀粉的塑化和性能研究

以乙酰化改性淀粉为基体,甘油为增塑剂,利用哈克旋转流变仪密炼制备热塑性乙酰化淀粉.实验结果表明制备热塑性乙酰化淀粉的甘油/乙酰化淀粉配比应大于30/100(W/W),且随甘油含量增加,热塑性乙酰化淀粉的脆性降低.动态机械热分析(DMTA)显示热塑性乙酰化淀粉包含富甘油和富淀粉两相,乙酰化淀粉和甘油为部分互溶.流变学分析显示淀粉分子间作用力非常强,表现为类固态行为.同时本文对材料的热稳定性进行了初步研究.

聚己内酯-天然骨粉生物医用复合材料的制备和性能

采用熔融共混法制备了不同天然骨粉含量的聚己内酯-天然骨粉(PCL-BP)生物医用复合材料,并通过力学实验、表面亲水性分析、差示扫描量热分析和热重分析对复合材料的性能进行了表征。结果表明:随着天然骨粉含量的增加,复合材料的拉伸和弯曲强度先增加后降低,其表面亲水性得以改善。此外,复合材料的结晶温度升高,熔融焓降低,热稳定性变差。

3D打印个体化导板在骨肿瘤经皮穿刺活检中的初步应用

目的·初步探讨基于影像图像数字化处理及3D打印技术设计的个体化导板应用于骨肿瘤经皮穿刺活检手术的可行性。方法·回顾性分析2017年7月—2018年3月以骨肿瘤诊断收治入上海交通大学医学院附属第九人民医院行活检穿刺的患者11例(男6例,女5例;年龄7~69岁,平均36岁)。术前常规行CT和MRI增强检查,DICOM数据导入Medraw Print软件,记录肿瘤的大小、位置;骨科医师明确进针方位后,依据特定骨肿瘤区域的解剖结构,设计并3D打印个体化穿刺导板。记录术中3D打印个体化导板与穿刺解剖结构匹配程度及进针位置,观察术后有无并发症。以X线或CT证实穿刺是否成功,并以开放手术的病理结果为参考标准,评估穿刺结果的准确性。结果·11例患者包括股骨4例、骨盆3例、胫骨2例、肩胛骨及掌骨各1例,3D打印个体化导板基本贴合穿刺部位解剖结构,进针方位深度均与术前设计方案一致,术中无重要解剖结构损伤,术后未出现血管、神经损伤症状。8例(88.9%)患者穿刺送检组织与术后病理良恶性结果基本一致,2例患者因穿刺活检为良性肿瘤未行骨肿瘤切除术。结论·基于影像图像数字化处理及3D打印技术设计的个性定制导板能够实现骨肿瘤的精准穿刺,对提升骨肿瘤术前诊断的准确性以及优化治疗方案具有重要意义。

国产3D打印个性化全颞下颌关节的临床初步应用

目的·初步验证国产3D打印个性化全颞下颌关节假体临床应用的安全性、有效性和精确性。方法·收集2例颞下颌关节骨关节病患者,术前拍摄颌面部CT。将CT数据导入Mimic 18.0软件中,个性化设计符合患者关节的解剖结构全颞下颌关节假体,并通过3D打印等技术加工生产。经过力学性能检测符合标准后,进行临床手术。手术选择改良耳颞切口,显露关节后切除病变的关节结节和髁突,放入该假体并固定,检查咬合关系良好后关创、缝合。术后1周、1个月和3个月时进行临床随访和影像学检查;并将术前CT设计的假体位置和术后CT中假体的植入位置进行拟合,分析假体植入位置的偏差。结果·假体静态下的平均最大承载力为3 100 N;疲劳性能检测中未见裂纹或断裂;消毒灭菌后生物监测均合格。2例患者术中假体均就位顺利,与骨面贴合且固位稳定;术后1周、3个月的X线片均未见假体移位、松动和断裂等;术后3个月,患者的疼痛、饮食和张口度都有明显的改善。术前与术后拟合结果显示:关节窝假体植入的平均误差为(0.904±0.292)mm,下颌假体植入的平均误差为(0.528±0.198)mm,总体平均误差为(0.878±0.259)mm。结论·自行研制的3D打印个性化全颞下颌关节假体在临床应用中具有较好的安全性和有效性。

非融合棘突间撑开器治疗腰椎早期退变性腰痛的三维有限元分析

目的建立非融合棘突间撑开器(IPD)及腰椎L4、5节段有限元模型,对撑开器植入前后力学环境进行研究。方法腰椎行CT扫描,根据CT生成实体模型,与撑开器模型一起导入PATRAN生成有限元模型,施加中立位及后伸负荷分析椎间盘受力。结果中立位负荷时IPD受力小;后伸时IPD可分担椎间盘负荷,但L5椎弓根负荷增大。结论基于CT及CAD可建立非融合棘突间撑开器及腰椎的有限元模型,棘突间撑开器可分担后伸时椎间盘的负荷,但可能会增加L5椎弓根崩裂的危险。

3D打印PLA-HA复合材料构建组织工程骨的实验研究

目的探讨并观察3D打印聚乳酸(PLA)-羟基磷灰石(HA)复合支架材料在体内成骨的可行性。方法将骨髓基质细胞与3D打印PLA-HA复合材料进行体外复合培养,通过扫描电镜观察细胞在支架材料上的生长黏附情况。选择成年新西兰大白兔单侧胫骨内侧建立体内生物反应器模型,分离隐动、静脉血管束,并剥离胫骨内侧骨膜,将游离的动静脉血管束完全穿越支架材料内部并固定于胫骨骨膜囊内,此种方法构建的组织工程骨为实验组;单纯将复合骨髓基质细胞的3D打印PLA-HA复合材料回植于胫骨内侧骨膜囊内,此种方法构建的组织工程骨为对照组。术后6周取材,分别采用聚合酶链式反应(PCR)检测骨分化相关基因,并进行显微CT三维重建及骨形态计量分析、HE染色组织学观察。结果骨髓基质细胞能在3D打印PLA-HA复合材料上黏附生长。定量PCR检测成骨分化基因OPN及COLⅠ的表达,结果显示实验组OPN及COLⅠ相对表达量分别为8.0333±0.5820和7.5452±0.5608;对照组OPN及COLⅠ相对表达量分别为5.7248±0.9975和4.0173±0.2654,差异有统计学意义(P<0.05)。显微CT扫描显示,实验组新生骨组织体积及骨小梁相对数目较对照组高,且差异有统计学意义(P<0.05)。组织学观察可见实验组有新生骨组织形成,部分新生骨组织为编织骨,骨细胞体积大、数量多,呈编织状排列,骨细胞分化成熟;对照组可见部分新生骨样组织形成,骨细胞分化较成熟。结论以骨髓基质细胞为种子细胞,3D打印PLA-HA复合材料为支架,复合隐动、静脉血管束及自体骨膜,在体内能构建出功能相对完善的组织工程骨;3D打印PLA-HA复合材料可作为骨组织工程中支架材料。

基于CT建立早期退变腰椎活动节段的三维有限元模型

目的:基于CT建立了脊柱L4-5活动节段早期退变的三维有限元模型,并对其进行力学性能测试。方法:选择1名39岁慢性下腰部疼痛的中国女性志愿者作为模拟对象,对其脊柱L4-5节段进行层厚0.75mm的连续扫描,共获得CT断层图像138幅,获取用于建立三维模型的相关数据。将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过mimics10.0软件建模形成L4-5运动节段的三维模型后,结合CAD软件CATIA对该活动节段进行数据优化,并形成实体模型。将模型数据导入有限元分析软件Patran转换成有限元模型。模拟中立位该节段的受力环境,将4个100N力以结点负荷形式分别施加于L4椎体旋转轴等距离的内前外后部椎体结点,以观察验证该模型的准确性。结果:建立了腰椎早期退变的L4-5节段的有限元模型,模型总节点数为27130个,单元数113834,其中包括Solid单元113153个,Area161个,Link单元520个,力学测试显示负荷在椎间盘分布不均,薄弱的纤维环后部受力增加。结论:通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以以自动化程度较高的方法建立腰椎早期退变活动节段的高精度三维有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究。

3D打印个体化钛板在正颌手术中的应用及其准确性评价

目的:利用计算机辅助技术结合钛金属3D打印技术设计并制作适用于正颌外科中上颌骨手术的个体化钛板,并验证其临床应用的可行性和准确性。方法:纳入8例临床诊断为牙颌面畸形的患者。所有患者均使用计算机辅助模拟技术进行手术方案设计。根据患者手术方案,设计上颌骨手术截骨导板和个体化钛板,术中用于指导截骨和完成上颌骨骨块的定位和固定。患者完成手术后,将术后CT与术前计划进行匹配,通过比较术后实际上颌骨与术前方案的位移误差和角度误差,评估个体化钛板定位的准确性。采用SPSS 13.0软件包对数据进行统计学分析。结果:手术均顺利完成,患者和手术医师均对手术效果满意。使用均方根差分析显示,上颌骨最大位移误差为0.64 mm,最大角度误差为1.65°;上切牙中线水平向位移误差为0.32 mm。结论:初步研究结果显示,在个体化钛板和截骨导板指引下,按照术前虚拟手术设计,准确完成截骨和上颌骨的术中定位,是一种将术前设计转换为术中实际的可靠方法。

3D打印PLA-HA复合材料与骨髓基质细胞的相容性研究

目的探讨骨髓基质细胞与3D打印聚乳酸-羟基磷灰石(Three-dimensional printed polylactic acid-hydroxyapatite,3D printed PLA-HA)复合支架材料的相容性,为骨组织工程选择合适的支架材料提供理论依据。方法将标记绿色荧光蛋白(Green fluorescent protein,GFP)的骨髓基质细胞分别与3D打印PLA-HA复合材料和β-磷酸三钙(betatricalcium phosphate,β-TCP)材料体外复合培养,采用荧光显微镜观察细胞在支架材料上的生长黏附情况,并通过扫描电镜观察细胞在支架中的形态变化;CCK8(Cell Counting Kit8)法检测细胞于不同时间点在材料上的黏附率以及增殖情况;碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase,ALP)活性测定法检测3 d、7 d、14 d的碱性磷酸酶活性变化。结果骨髓基质细胞能够在3D打印PLA-HA复合材料和β-TCP材料上黏附生长;β-TCP组细胞黏附率高于3D打印PLA-HA组(P<0.05),但3D打印PLA-HA组在12 h细胞黏附率可达到60%以上;细胞增殖实验显示,3D打印PLA-HA组在体外培养第4天和第7天的细胞增殖量(OD值)均高于β-TCP组与对照组(P<0.05);3D打印PLA-HA组以及β-TCP组在第3天、第7天和第14天的ALP含量均高于对照组,且3D打印PLA-HA组第7天ALP含量较β-TCP组增多(P<0.05)。结论 3D打印PLA-HA复合材料具有良好的细胞相容性,可作为骨组织工程的支架材料。

定制型颞下颌关节-下颌骨联合假体的临床初步应用

目的·介绍定制型颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)-下颌骨联合假体的设计制造过程,并初步验证其临床应用的安全性、有效性和精确性。方法·收集6例TMJ-下颌骨联合病变患者,将术前颌面部CT数据导入Mimic 18.0软件中,个性化设计符合TMJ和下颌骨解剖结构和运动特征的TMJ-下颌骨联合假体,通过五轴精加工和3D打印等技术进行制造。手术选择改良耳颞、颌后和颌下切口,显露TMJ-下颌骨联合病变后完整切除;制备游离髂骨或带蒂腓骨肌皮瓣,并固定于联合假体内侧面,将该联合假体和自体骨共同植入缺损处并固定。术后分别进行临床指标和影像学检查,进行安全性和有效性评价;并将术前设计假体和术后假体的植入位置进行拟合,分析假体植入的精确性。结果·6例患者术中假体和自体骨均顺利就位且固定牢固。平均随访19个月后,术后疼痛、饮食、下颌运动和张口度均有明显的改善;术后X线和CT检查均显示假体未见明显松动、移位、断裂等;术前和术后拟合结果显示,关节窝假体植入的平均误差为(0.891±0.127)mm,下颌假体为(1.240±0.246)mm,总体为(1.122±0.198)mm。结论·自行研制的定制型TMJ-下颌骨联合假体在临床应用中具有较好的安全性、有效性和精准性。

兔下颌骨骨折三维有限元模型的建立

目的:建立兔下颌骨垂直及斜行骨折的三维有限元模型,为开展生物力学试验仿真提供平台。方法:采用雄性新西兰大白兔为标本,将用CT所获得的下颌骨DICOM数据通过CAD软件直接建立三维模型,并设计接骨板三维模型;将接骨板和下颌骨的三维模型进行装配,最终在FEA软件中设计骨折线的方向和间隙大小,并划分网格。结果:建立了包括骨折线方向、接骨板、骨折间隙大小等信息在内的兔下颌骨骨折的三维有限元模型。结论:建立了具有高度几何相似性的兔下颌骨骨折模型,为骨折愈合的生物力学研究奠定了基础;所采用的DICOM数据直接建模法,具有准确高效的特点。

股内斜肌负载变化对髌腱近端止点受力影响的有限元分析

目的:应用MRI图像建立膝关节三维有限元模型,并利用此模型探讨股内斜肌不同负载情况下髌腱近端止点内、外侧应力的变化。方法:一名志愿者在屈膝60°位接受MRI扫描,获得MRI图像,采用Mimics8.1三维图像处理软件建立三维模型。经过Magic RP软件优化后,采用MSC.PATRAN软件进行四面体网格化,并建立模拟的髌腱,附加材料属性。在此模型的基础上,计算股内斜肌负载从0N依次增加到33N、66N及100N时的髌腱近端止点内、外侧等效应力(VMS)的变化。结果:随着股内斜肌负载从0N增加到100N,髌腱近端止点内侧受力逐渐下降,峰值VMS从2.41MPa降低到1.41MPa;而外侧受力逐渐增加,峰值VMS从2.90MPa增加到5.03MPa。结论:在屈膝60度状态下,股内斜肌负载增加使髌腱近端止点外侧受力增加,内侧受力减小。

热塑性淀粉/乙烯-乙烯醇共聚物复合材料的制备与性能

利用熔融共混的方法,制备得到热塑性淀粉/乙烯-乙烯醇共聚物(TPS/EVOH)复合材料,并对该复合体系的加工性能、机械性能、动态力学性能、流变性能以及吸水性进行了研究。结果表明:随着EVOH含量增加,复合材料中分子间作用力加强;复合体系的机械性能得到改善;当EVOH含量到达30%后,复合材料的吸水性明显降低。

BMSCs联合3D打印PLLA支架促进兔颅骨PDO的研究

目的探讨骨髓间充质干细胞(Bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)促进骨膜牵张成骨(Periosteal distraction osteogenesis,PDO)的可行性。方法全骨髓贴壁培养法获取新西兰白兔BMSCs,体外扩增培养并进行成骨、成脂、成软骨诱导分化。用3D打印(Three-dimensional printing,3D printing)的左旋聚乳酸(Poly l-lactic acid,PLLA)支架牵张兔颅骨骨膜,在牵张期结束时,实验组于骨膜与颅骨间隙内注射兔BMSCs,对照组则注射等量生理盐水(Normal saline,NS)。分别在固定期后的4周和8周,对兔颅骨的牵张部位进行取材,行Micro-CT扫描和组织学染色,评价新骨形成情况。结果全骨髓培养法获取的兔BMSCs具有多向分化能力。Micro-CT显示实验组和对照组的牵张区域在4周和8周均有新骨生成,实验组在两个时间点的新生骨量(Bone volume,BV)、骨量/组织量(Bone volume/Tissue volume,BV/TV)、骨密度(Bone mineral density,BMD)、骨小梁数量(Trabecular number,Tb.N)和厚度(Trabecular thickness,Tb.Th)均明显高于对照组,骨小梁间隔(Trabecular separation,Tb.Sp)小于对照组。HE染色显示,实验组与对照组均有新骨生成,实验组新生骨小梁增厚增多,比对照组成熟,且与颅骨皮质的界线不明显。结论在兔颅骨PDO区域内注射自体BMSCs可以补充成骨细胞的不足,有利于骨膜牵张成骨。

基于3D打印的骨盆肿瘤“三位一体”个性化治疗模式专家共识

骨盆邻近区域解剖复杂,有消化、泌尿、生殖等脏器及重要血管和神经,因此,骨盆肿瘤精准切除及切除后骨缺损精准重建极为困难。医学3D打印技术的发展为骨盆肿瘤的精准切除和个性化重建提供了新思路。3D打印个性化病变模型、截骨导板和重建假体"三位一体"在骨盆肿瘤切除与保肢重建中的应用,取得了良好的临床效果。但目前缺乏针对3D打印个性化骨盆肿瘤模型、截骨导板和重建假体设计、制备流程及应用的规范性指导标准,制约了其推广应用。本共识的制定旨在为基于3D打印的"三位一体"个性化治疗模式在骨盆肿瘤保肢重建中的应用提供规范性指导。

下腰椎的三维有限元分析

目的为研究下腰椎活动提供三维有限元力学模型。方法选取成年男性的下腰椎典型CT影像,建立几何模型后利用有限元划分和分析软件建立有限元模型,设定边界条件并加载负荷,记录下腰椎在前屈、后伸、侧屈和轴向旋转等不同工况下的运动范围和应力分布。结果建立的下腰椎三维有限元模型中4面体单元总数为114953。模型在各工况下的运动范围与体外生物力学试验所测定的结果比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论建立的下腰椎三维有限元模型能够模拟下腰椎的生理活动,可用于进一步的研究。

正常下腰椎三维有限元模型的建立和应用

目的为研究下腰椎活动提供三维有限元力学模型。方法选取典型成年男性的下腰椎椎CT影像，建立几何模型後利用有限元划分和分析软件建立有限元模型，设定边界条件并加载负荷，记录下腰椎在不同工况下的运动范围和应力分布。结果建立的下腰椎三维有限元模型中4面体单元总数为114，953。模型在各工况下的运动范围与体外生物力学试验所测定结果在统计学上无显着差异。结论建立的下腰椎三维有限元模型能够模拟下腰椎的生理活动．可用于追一步研究．

双侧完全性唇腭裂鼻畸形患儿唇裂术后个性化鼻模的计算机辅助设计和制作

目的建立一种双侧完全性唇腭裂患儿唇裂术后个性化鼻模的计算机辅助设计及制作方法。方法选取3例无法佩戴常规鼻模的双侧完全性唇腭裂患儿,通过三维摄影测量系统扫描唇裂术后的患儿面部以获取三维原始数据,并重建数字化鼻-唇部模型,三维设计及打印个性化硅胶鼻模以精确匹配鼻唇部结构,并在临床戴用检验其矫治效果。结果三维摄影测量系统20 s内成功获取并重建患儿鼻唇部精准外形,以此为基准设计的个性化鼻模贴合度佳,固位良好,患儿佩戴后无不适感,可以较好地撑起鼻翼,维持鼻部形态。制作鼻模所选取的硅胶材料,生物安全性好,无黏膜刺激等现象。结论通过三维摄影测量系统与三维设计、增材制造技术,设计制造唇腭裂患儿个性化鼻模,是一种简便且安全有效的方式。

国产个性化金属高分子一体式全颞下颌关节假体的临床初步应用

目的·介绍金属高分子一体式全颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)假体临床应用的标准化流程,并评估假体植入的精确性和临床效果。方法·纳入8 名患有终末期TMJ 疾病需要接受全关节置换的患者。术前获取患者的颅颌面CT 数据,导入 Mimics 18.0 软件中设计个性化假体及数字化导板。分别利用3D 打印、搅拌摩擦焊接(friction spot welding,FSW)和计算机辅助加工(computer-aided manufacture,CAM)制造并加工假体的不同组件。术后对假体植入的精确性和有效性进行详细评估。结果·在数字化导板和虚拟手术计划(virtual surgical planning,VSP)的指导下,所有假体在手术过程中稳定就位并固定。术前术后的拟合结果显示,假体术后位置与术前设计吻合良好,全假体系统的平均偏差为0.417 mm(范围:0.279 ~ 0.561 mm)。所有患者术后均表现出良好的面部对称性,疼痛、功能和张口度等疗效指标均得到明显改善。结论·标准化流程的指导确保了国产个性化全TMJ 假体临床应用的精确性和有效性。

牙种植体表面多孔层厚度对骨界面应力分布的影响

目的研究牙种植体表面多孔层厚度对周围骨应力分布的影响。方法通过采集健康成年男性的下颌骨CT三维数据进行三维重建,建立Ⅲ类下颌骨三维模型,运用UG NX8.0软件绘制实心的和4种不同表面多孔层厚度(0.5mm,1.0mm,1.5mm,全多孔)的种植体模型。将5种种植体模型依次与下颌骨模型进行配准、网格划分和赋予材料学参数,在种植体基台表面施加118.2N的15°斜向力,用ABAQUS有限元分析软件处理运算骨界面的应力。结果皮质骨和种植体颈部松质骨的应力峰值均随种植体表面多孔层厚度增加而增大(P<0.05),全多孔组最大(分别为58.3MPa和11.28MPa),实心组最小(分别为50.2MPa和9.68MPa)。种植体根端松质骨的应力峰值无显著差异(P>0.05)。结论在种植体表面引入多孔结构以及增加多孔层厚度,能增大种植体周围骨应力,缓解应力遮蔽效应。