面向骨组织工程的三维仿生支架的微观结构研究

骨缺损修复是当今国际组织工程领域的一个难题，而细胞载体支架的制取是骨缺损问题研究的重点。探讨了支架结构制取的几种方法并进行了比较，采用数模相结合的方法进行微观结构的设计，获得了参数(孔的形状、尺寸，孔隙率等)可控的骨支架模型。     

基于竹子微观结构的柱状结构仿生设计

随着机械产品低能耗、高速度等方面的要求,结构件的轻量化设计在实际工程应用中的需求日益增加,而这种需求在飞行器设计中尤为明显.竹子的结构是自然界中存在的比较典型的轻量化结构,在分析竹子优良的力学性能和其微观结构关系的基础上,提取决定竹子优良力学性能的特征结构,将竹子微观结构上的优势应用到实际的柱状结构设计中,并应用有限元手段对优化前后的结构作了分析计算,结果证明仿生结构在力学性能上比原型结构更合理.     

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。     

仿生支架力学性能测试与分析

仿生支架可以采用CAD建模方法设计内部结构,并采用快速成形加工制备仿生支架实体。仿生支架必须保证其结构形状和力学性能,其中力学性能与内部单元的排列方式和尺寸有关,通常采用的排列方式包括0/90°排列方式、0/60°/120°排列方式及两两相交排列。通过力学试验证明:增大内部单元尺寸可以提高力学性能;在不同的排列方式中,0/90°排列方式的仿生支架具有较高的抗压性能,同时,承受压力的方向同样影响仿生支架的力学性能,在X方向和Y方向,仿生支架具有较高的压力承受能力;在支架受到外界压力作用时,支架的应力一应变不是均匀变化的,而是由4个不同的阶段构成。     

仿生支架力学性能测试与分析

仿生支架可以采用CAD建模方法设计内部结构,并采用快速成形加工制备仿生支架实体.仿生支架必须保证其结构形状和力学性能,其中力学性能与内部单元的排列方式和尺寸有关,通常采用的排列方式包括0/90°排列方式、0/60°/120°排列方式及两两相交排列.通过力学试验证明:增大内部单元尺寸可以提高力学性能;在不同的排列方式中,0/90°排列方式的仿生支架具有较高的抗压性能,同时,承受压力的方向同样影响仿生支架的力学性能,在X方向和Y方向,仿生支架具有较高的压力承受能力;在支架受到外界压力作用时,支架的应力一应变不是均匀变化的,而是由4个不同的阶段构成.     

基于离散单元法多孔陶瓷微球骨支架的微观结构分析

人工骨支架的孔隙率是评价体液在人工骨内部循环和细胞生长能力的重要参数,利用离散单元法分析模拟人工骨支架制备过程中HA微球的堆积过程,实现了对堆积内部微观情况的预测。本文以PFC3D软件为平台对HA石微球人工骨支架的微观结构进行了模拟仿真,从而通过改变HA微球和可速溶性小球的数量比及半径值,实现孔隙率可控,得出配位数为6时,HA微球人工骨支架的孔隙率为0．59,在满足力学性能的条件下,与人骨组织的孔隙率最为接近。     

基于结构仿生的飞行器支架轻量化设计

基于结构仿生的原理,在分析典型分支结构的构型特点的基础上,设计了仿生型支架结构.有限元分析的结果表明,与原型结构相比,仿生型结构的质量减轻7.35％,最大应力和最大变形都明显减小.     

基于知识的人工骨三维结构仿生设计研究

针对目前人工骨设计中产生的生物活性差、设计周期长、植入人体内出现排异现象等问题,提出了一种基于知识的人工骨三维结构仿生设计方法;结合人体的知识模型,分成人工骨外部三维重建和内部微观结构仿生设计两部分,可以设计出具有内部仿生微观结构和外部与实际骨形状相似的人工骨。     

仿生支架微孔结构CAD设计方法

采用CAD软件设计是一种简单易行的获得具有内部微孔结构的仿生支架模型的方法,该方法通过CAD软件设计单元模型,然后将单元结构在空间排列构造作为负型的内部微孔结构,最后将负型结构与仿生支架外部模型进行布尔减运算,得到既保证外部轮廓特征同时包含内部微孔的仿生支架CAD模型。球形和正十二面体结构是两种常用单元形式,通过调整单元参数可以控制仿生支架内部微孔大小、形状及空间排列方式,最终实现提高仿生支架的孔隙率和内部微孔的导通性的目的。     

骨支架多孔结构建模综述

3D打印技术的快速发展为复杂多孔骨支架的加工成型开创了条件,也使得组织工程支架研究工作重心从制造转向原型设计和高端个性定制。针对仿生骨支架复杂结构建模问题,重点介绍了造孔单元和功能梯度结构设计的研究现状,总结了现阶段仿生骨支架数字化设计中存在的问题,并展望了未来可能的研究方向。     

再生骨支架内部结构性能的综合评价

在分析影响再生骨支架内部微观结构性能因素的基础上,构建了支架内部结构性能的综合评价指标体系。根据各项评价指标对支架的生物活性、力学强度、降解速度等性能的影响程度,建立支架内部结构性能的层次分析模型;基于层次分析法(AHP)理论和计算方法,确定各项评价指标在内部结构性能综合评价中的权重值。基于灰色关联度分析的评价理论,构建支架内部结构性能的综合评价模型;计算各项评价指标的灰色关联度值,以此综合评判支架内部结构性能的优劣,保证再生骨支架具有良好的生物活性、较好的力学性能以及均衡的降解速度。     

面向骨科植入物的仿生多孔结构设计与制造方法

采用激光选区熔化及陶瓷光固化技术制备了具有多孔特征的金属骨支架与陶瓷骨支架,采用压缩试验评价了两种骨支架的力学性能,采用体外培养MC3T3-E1细胞的方式评估了骨支架的生物相容性。研究结果表明,支架不规则度和孔隙率的变化均会影响支架的力学性能与生物性能;金属支架具有更优良的力学性能,陶瓷支架具有更接近松质骨的力学性能;不规则孔隙有助于细胞附着,使骨支架具有更好的生物相容性。     

仿壁虎脚趾结构设计及粘附运动性能测试

壁虎具有在各种表面(如地面、墙面、天花板)上运动的超凡能力。根据大壁虎的脚趾结构及其粘附方式,模拟大壁虎脚趾,设计具有微小粘性褶皱和柔性悬臂结构的仿壁虎脚趾。用多用途摩擦粘附性能试验台,测定仿壁虎脚趾的粘附性能,即仿壁虎脚趾最大拉伸粘附力大小与粘附次数、拉伸角度、粘附轨迹等参数的关系。试验表明模拟壁虎脚趾研制的新型粘附脚趾具有和生物壁虎脚趾相近的粘附力学特性。将此脚趾用于仿壁虎机器人,成功地实现了仿壁虎机器人的90o爬壁。     

咽颌运动模式仿生胸鳍的建模及试验研究

从咽颌运动模式鱼类胸鳍的骨骼结构和神经肌肉控制机理出发,充分发挥导边鳍条和后缘边鳍条的引导作用,设计一套新型的柔性仿生胸鳍,建立此仿生胸鳍的样机及其运动学和动力学模型。并对仿生胸鳍的推进运动进行了仿真分析和试验研究。将上述仿生胸鳍推进运动的仿真结果、试验结果以及实际胸鳍推进运动的观测结果进行了比较研究可以看出,所建立的仿生胸鳍数学模型是合理、有效的,能够较好地仿真仿生胸鳍的推进运动,同时从中也可以看出,所建立的胸鳍仿生机构能够较好地模拟鱼类胸鳍的推进运动。     

实用新型防下坠装置在附着升降脚手架中的应用

电动附着升降脚手架广泛应用于不同平面形状的高层建筑，可以节约成本，提高工效，是现代高层建筑施工中广泛使用的施工设备。实用新型的防下坠装置在架体升降过程中起到保证安全的作用。     

胞元模型在骨组织建模中的应用及评价

针对去软组织骨生物力学建模问题,采用有限元仿真手段通过股骨CT体数据集三维几何重建、网格划分、股骨表观密度计算、有限元单元横观各项同性力学模型建立、力学参数确定等几个步骤实现对股骨的力学建模和解算。其中,最关键的工作是力学参数确定,尤其是弹性模量和表观密度关系式的建立。依据胞元理论建立了弹性模量和表观密度的分段函数关系,最终获得股骨力学模型并通过仿真计算得到载荷-轴向应变和载荷-横向应变数据。同时,也基于弹性模量和表观密度经验关系式建立力学模型并进行分析计算提取仿真结果,通过实施生物力学试验提取试验结果,将两种仿真结果与试验结果对比得出:同一块猪股骨,在相同力学环境下,胞元理论力学模型与试验结果轴向应变误差为25.92,横向应变误差为10.04,两种误差均小于经验公式力学模型仿真结果误差,因此,胞元理论力学模型在股骨建模中表现出模型更精确、适用范围更广泛的优势。     

轻质多孔结构在机床工作台的应用与研究

以DVG850高速加工中心工作台为研究对象,将轻质多孔结构应用到该工作台结构中,设计出正方形和正三角形两种轻质多孔结构,利用ANSYS Workbench进行有限元分析,与原工作台相比,轻质多孔结构的工作台可以大幅度提高工作台的刚度和抗振性能,同时还减轻工作台的质量;再对相同条件下的正方形孔结构和正三角形孔结构的性能进行比较得出:正三角形轻质多孔结构静、动态特性优于正方形孔,还比正方形孔结构的质量轻。另外,对性能优越的正三角轻质多孔结构工作台进行了谐响应分析,分析结果与模态分析一致。     

燃料电池仿生密封结构的设计与仿真

针对目前质子交换膜燃料电池密封不严导致的电化学性能低和泄漏等问题,从仿生学角度出发,以自然界的鲨鱼牙齿和扇贝壳作为仿生原型,对燃料电池的密封双极板结构进行仿生结构设计,提出4种仿生密封双极板结构,并建立密封双极板的接触力学模型,最后在有限元分析软件ABAQUS和ANSYS Fluent中开展仿生密封双极板与常规密封双极板的仿真对比试验。结果表明：仿生密封双极板接触面上的应力更大,两接触面的结合更加紧密;仿生密封双极板一凸一凹的镶嵌结合方式,减小了泄漏通道的有效高度,增大了泄漏阻力,可有效防止泄漏的发生;仿生密封双极板具有流固耦合密封效应,在双极板之间存在多个阻断面和空腔,可对流体造成明显的压差损失,能有效避免流体的泄漏。     

Job shop强化多工序联动邻域结构与近似评价研究

针对作业车间调度问题(Job shop scheduling problem,JSP),以优化最大完工时间为目标,提出一种强化搜索的多工序联动邻域结构与近似评价方法。分析交换工序块边缘两工序的空闲时间利用机理,对已有多工序联动邻域结构的空闲时间边界范围进行了有效扩展。在交换工序块边缘两工序的同时,基于扩展的空闲时间边界范围判定条件,根据最早开完工时间查找前移工序的工件某一前序工序,将其与紧密相邻机器前序工序进行交换操作。根据最晚开完工时间查找后移工序的工件某一后序工序,将其与紧密相邻机器后序工序进行交换操作。新的多工序联动邻域结构能够尽可能充分利用原有工序块相邻空闲时间和移动工序形成的空闲时间,具有更为强化的搜索能力。基于工序头尾长度理论研究了多工序联动邻域结构的近似评价方法。采用JSP基准算例进行测试,测试结果验证了强化多工序联动邻域结构的有效性,以及所提出的近似评价方法具有较高的准确性。邻域结构和近似评价作为JSP问题的基础研究,对于实现结合问题特征知识的JSP有效求解具有重要意义。