基于3D打印的CPC人工骨支架流道结构设计

人工骨支架植入人体后主要为细胞提供支撑作用。3D打印技术的出现为组织工程化人工骨支架结构的设计、制造与优化提供了新的方法。为研究磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement,CPC)人工骨支架的微孔分布及孔隙率与力学性能的关系,设计了3种不同主流道模型,并在原始模型的基础上对微孔道进行了细化,分别建立这些具有不同孔隙率的支架结构模型,采用Ansys Workbench对这些模型进行有限元分析,提取各个模型的最大等效应力和最大总变形,综合分析支架微孔的分布及孔隙率与上述参数的关系。结果显示,支架的力学性能与微孔道的分布有着紧密的关系,对于同种模型,随着孔隙率的增大,支架的最大总变形呈递增趋势,但不同模型的上述参数对孔隙率的敏感性存在一定的区别。分析结果为后续通过3D打印技术制备生物陶瓷人工骨支架提供了参考依据。     

RGD功能化HA/PLLA多孔复合材料的制备和表征

通过碳二亚胺法将精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)接枝到羟基磷灰石(HA)颗粒表面,增强HA颗粒识别细胞的功能,然后将其均匀地分布于左旋聚乳酸(PLLA)中制备多孔复合材料,分别用XPS和SEM等对HA颗粒和多孔复合材料进行了表征。结果表明:RGD成功地接枝到了HA颗粒表面,多孔复合材料中RGD功能化的HA颗粒是纳米尺寸的,且分布均匀;RGD功能化HA/PLLA多孔复合材料的细胞粘附率从普通HA/PLLA多孔复合材料的37.21%提高到了69.11%。     

CPP/PLLA单向纤维骨内固定复合材料制备和性能

研制出高强度、高模量完全降解吸收性CPP/PLLA单向纤维骨内固定复合材料,并测试了该材料的物理力学性能及降解性能。结果表明:随着纤维体积分数Vf的提高,复合材料力学性能增大,Vf=0.42时,弯曲强度为347 MPa,弯曲模量为22 GPa,抗压强度178 MPa,剪切强度85 MPa,高于人体皮质骨的力学性能;在模拟体液Ringer’s降解介质中降解15周,弯曲强度为154MPa,弯曲模量为6GPa,因此,CPP/PLLA单向纤维复合材料可用作松质骨或部分皮质骨的骨内固定材料。     

基于TPMS建模方法进行仿生骨支架结构设计

为了更好地拟合出人体骨细胞生存生长的多孔曲面环境,采用基于函数的极小三周期曲面(TPMS)建模方法,来进行仿生骨支架结构的设计。采用这种方法,能够通过调整函数的相关参数,实现对仿生骨支架孔径大小以及孔隙率大小的精准控制。选取了TPMS结构中的一种P曲面结构,通过与人体真实骨组织结构单元孔径大小以及孔隙率大小进行比对,选定了P曲面结构的参数值u,并确定了仿生骨支架合理的单元尺寸,最后通过有限元仿真软件对模型进行了力学分析及评估,结果表明,设计的支架结构具有更匹配人体骨结构的力学性能,对指导构建人工骨支架结构具有重要意义。     

新型人工骨支架结构及其功能

提出新的具有渐变性孔隙率特性的同心圆人工骨支架结构,建立数学模型并且编写结构设计和仿真软件。通过宏观把握孔隙率变化,建立人工骨支架结构与自然骨之间的对应关系,建造复杂的、高孔隙率、相互连通的微孔道立体结构,并显示三维图像指导支架内部结构的设计。由软件生成IGS文件导入其他三维辅助设计软件如 PRO／E等生成STL文件,结合快速成形技术直接制造。最后讨论该支架结构与Kammer股骨三维桁架理论结构模型之间的关系,以及该结构对骨再造和人工骨支架结构设计前景的影响。     

仿生多材料复合增强骨软骨支架的制造及性能研究

针对关节面上大面积骨软骨缺损修复过程中软骨形态恢复和力学环境恢复困难的问题,设计并制造一种新型聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)/ 聚乳酸(Polylactide, PLA)/ β-磷酸三钙(β-Tricalcium phosphate, β-TCP)仿生多材料复合增强骨软骨支架。基于CT扫描数据重建的羊膝关节模型上进行仿生多材料骨软骨支架的结构设计,包括多孔定制结构和固定桩及仿生结构;以光固化成形技术与真空灌注工艺相结合制造了的多材料复合增强骨软骨支架,确定灌注温度220℃,真空度–0.08～–0.10 Pa。形貌观测表明真空灌注法能使PLA完全充满整个次级管道,力学试验发现复合材料支架的压缩强度(21.25 MPa ± 1.15 MPa)是单管道多孔生物陶瓷支架(9.76 MPa± 0.64 MPa)的2.17倍, PLA固定桩的剪切强度(16.24 MPa±1.85 MPa)是陶瓷固定桩(0.87 MPa±0.14 MPa)的18.7倍。因此,复合PLA的骨软骨支架具有显著的力学增强和固定能力,有望为大面积骨软骨缺损的修复提供新的治疗手段。     

气动人工肌肉驱动的柔性仿生肩关节结构设计与优化

根据人体肩关节的特点设计了一种气动人工肌肉驱动的柔性仿生肩关节,推导了该仿生关节的逆运动学模型;以仿生关节最小输出转矩、气动人工肌肉输出力模型以及最大收缩率作为约束条件,以仿生关节运动范围最大为目标函数,利用遗传算法对该仿生关节的多个结构参数进行优化设计。优化结果表明,优化后的关节运动范围明显增大,有效提高了该仿生关节的灵活性。     

碳纤维增强复合材料纵扭复合超声振动钻削试验

碳纤维增强复合材料(CFRP)以其优越的性能被广泛应用于航空航天领域,然而其作为典型难加工材料,采用传统钻削加工时极易出现毛刺、撕裂、分层及加工表面质量差等现象,严重制约了CFRP的应用。采用纵扭复合超声振动钻削和普通钻削两种钻削方式加工CFRP板材,对比了两种钻削方式下的轴向力、扭矩及钻孔质量,研究了单向型和编织型CFRP板材的钻削轴向力特性,分析了转速、进给速度对钻削轴向力的影响规律。试验表明:纵扭复合超声振动辅助钻削可以更加有效切削CFRP,降低轴向力和扭矩,降低撕裂因子,抑制分层现象;钻削轴向力随着进给速度提高而增大,随着钻速的提高而降低,且当Vc/Vf增大时,钻削轴向力随之下降,试验拟合得到轴向力经验公式。     

CBN的发展概况及国产CBN硬质合金复合刀片的切削性能试验

简述了美、苏、日、英等工业发达国家CBN的发展现状,并通过三种国产CBN硬质合金刀片的切削试验表明,国产复合刀片既可切淬硬钢,也可切非淬硬钢。CBN的含量、掺杂物、结合剂、CBN的粒径及合成条件(温度、压力)等的不同,将使其切削性能有很大差异。应开发适合加工不同工件材料的CBN系列产品,以充分发挥CBN复合刀片的切削性能。     

基于细胞沉积的人工骨微管设计及三维流场分析

针对人工骨微管中细胞均匀粘附和营养成分顺利运输所需流速条件,研究支管与主管道之间的夹角对支管中流速的影响以及沿主管道不同位置的支管中液体速度分布,并结合自然骨微观结构以及流体力学中的能量守恒和流量守恒原理,提出一种强化微循环结构并进行三维粘性流场数值分析,将分析结果与单纯仿形结构的流场分析结果比较,结果表明,该结构流速分布更均匀,支管内流速得到很大程度的提高,有利于细胞均匀粘附和进一步提高人工骨设计孔隙率。     

变截面微管道的制作与气体流动特性分析

为提高硅微无阀泵和空间微推进器的性能，采用微电子机械工艺在硅片上加工出不同长度，不同喉部宽度、断面形状为矩形的变截面微管道，实验测量微管道内氮气的流量特性，分析不同因素对流动特性的影响，研究发现，相同变截面微管道，扩张方向的性能好于收缩方向，不同变截面微管道，随着扩张角，等直段长度，宽度的不断增加，流动性能逐渐提高。     

高速开关阀的设计与研究

介绍了一种新型的二级高速开头阀,它采用柱塞式液压增益放大结构,以高速开头电磁阀为先导级,通过二级锥阀的放大,使数字阀最大流量超过80 l/min,且保持较高的切换速度,解决了大流量和快速性之间的矛盾。阀的控制器采用PWM控制原理和降幅双压驱动技术,加速电压持续时间和工作电压幅值均可调节,优化了阀的切换特性。