3D打印下颌骨支架的力学性能及植入骨缺损的有限元分析

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肿瘤、损伤或先天发育不良等多种因素均可造成下颌骨残缺,传统修复方法采用重建钛板结合髂骨或腓骨移植,其来源有限且对供体部位造成损伤,受主观因素影响较大,移植时的位置不同修复效果也不同。随着3D打印技术的迅速发展,通过该技术生产的产品在骨缺损修复领域被广泛使用。首先,我们采用单通道3D打印技术制备了30°、45°、90°的丝素蛋白/胶原蛋白/羟基磷灰石支架和聚己内酯/羟基磷灰石支架,对30°、45°、90°打印角度的两种支架进行了单轴压缩、蠕变、松弛力学实验。结果显示,在相同压缩速率和应变下,对于这两种支架来说,都是90°支架的杨氏模量高于30°、45°的支架;随着蠕变时间的增加,两种支架的蠕变应变增大;随着松弛时间的增加,支架的应力先快速减小后缓慢减小。其次,采用低温双通道3D打印技术制备了90°的丝素蛋白/胶原蛋白/羟基磷灰石和聚己内酯/羟基磷灰石复合支架,对双通道复合支架进行了单轴压缩、蠕变、松弛、棘轮力学实验,并建立了蠕变、松弛理论模型。结果显示,复合支架的蠕变、松弛性能与单通道支架的性能相似,棘轮应变数值随载荷应力幅值的逐渐增加而加大,随加载频率的逐渐提高而逐渐降低;将蠕变、松弛理论模型的预测结果与实验结果加以分析对比,发现二者吻合度较好。然后,采用有限元模拟的方法研究了单轴压缩10%应变下双通道支架各层间的力学性能。结果显示,当支架发生10%压缩应变时,支架的各层受力范围在0.2~0.6N,最大形变发生在支架第二层与第三层接触的线束上,最大位移为0.315mm,此处的线束发生了扭转变形。并且发现,模拟结果与实验结果吻合良好,即说明我们建立的有限元模型可以预测支架单轴压缩过程中的力学性能。最后,采用有限元模拟的方法研究了不同绑定条件下双通道支架植入兔下颌骨的受力情况。结果显示,兔下颌骨最大Mises应力为7.40MPa,出现在兔下颌骨后牙区域;当支架左侧和底面绑定时,复合支架最大Mises应力为300Pa;当支架上侧和底面绑定时,复合支架最大Mises应力为129Pa。本文采用实验测试、理论预测和有限元模拟三种方法从宏观到微观层面上获得了不同类型下颌骨支架的力学性能及植入骨缺损后的受力情况,其研究结果可以为后续临床上的下颌骨损伤修复提供依据,有助于推动组织工程技术修复下颌骨缺损的临床应用。
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