基于体素和三周期极小曲面的骨支架多孔结构设计

为解决组织工程骨支架多孔结构设计问题,提出一种基于体素和三周期极小曲面的骨支架设计方法。采用隐函数表达的三周期极小曲面作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数及Log-Sigmoid函数的方法,构建不同结构的三周期极小曲面孔隙单元;采用逆向几何求交体的体素化算法,对三角网格模型进行空间单元划分,进而确定目标装配区域;再通过形函数坐标变换,将孔隙单元映射到空间单元中,从而构建空间域多孔结构;最后采用布尔运算得到具有多孔结构的支架模型。实例结果表明,所提设计方法能构建孔隙结构可控的多孔模型,从而为组织工程骨支架设计提供一种可行的方法。     

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。     

基于三周期极小曲面和等参单元法的骨支架建模方法研究

生物骨支架是治疗骨组织缺损的理想方法,如何构建有利于细胞黏附、繁殖、新陈代谢等的微观孔隙结构是构建生物骨支架亟待解决的问题。基于三周期极小曲面和等参单元法,研究一种适合于生物骨支架的建模方法。基于移动立方体算法,线性差值求解三周期极小曲面近似插值面,并结合拉普拉斯算子,构建三周期极小曲面单元;基于等参单元法,通过形函数坐标变换构建不规则形状孔隙曲面单元;基于模板法,局部网格加密构建不同尺度孔隙单元,并通过与实体轮廓模型布尔运算,构建出含有微观孔结构的生物骨支架实体模型。研究表明,利用三周期性极小曲面和等参单元法所构建的骨支架结构,可以实现对孔隙形状,尺度控制,为骨支架建模提供一种可行性的方法。     

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。     

基于局部相对密度映射的变密度多孔结构设计方法

针对变密度多孔结构设计依据的拓扑优化密度信息不能被充分有效利用的问题,提出一种基于拓扑优化局部相对密度映射的变密度多孔结构设计方法。该方法根据多孔结构力学特点建立等效连续体的拓扑优化模型,通过拓扑优化密度的局部映射策略和调整方法,将拓扑优化的密度信息映射到多孔结构单元并根据映射的相对密度生成变密度多孔结构。此外,为检验多孔结构与拓扑优化密度信息的匹配程度,提出一种基于体素化和矩阵相似度的分析评价方法。最后以不同尺度的二维蜂窝为案例,验证了所提变密度多孔结构设计方法的可行性和有效性。     

基于三维体素模型的功能梯度材料信息建模

以快速成型技术为背景,提出了一种基于体素模型的功能梯度材料／零件建模方法。根据八叉树结构,将复杂CAD模型离散为精确的26邻接体素模型,选取点、线或面作为参考特征,以数字距离变换为手段,计算体素中心到特征点、线或面的最短欧氏距离,选取适当的以此距离为变量的材料组分分布函数,建立起复杂零件的功能梯度材料模型,实验证实了本方法的有效性。     

基于形函数的人工骨支架仿生建模技术研究

人工骨支架在骨仿生研究中起重要作用,它不仅能代替缺损骨支撑人体,而且能够引导组织再生、增殖和功能发挥。以有限元形函数映射理论与布尔运算为基础,利用UG二次开发工具UG/Open GRIP,提出了一种仿形精度较高,通用性较强的支架建模方法:首先利用映射法将骨实体模型进行六面体网格划分,然后通过每个六面体的八个节点把规则的单元微结构负型映射得到相应的子单元负型,每个完整的子单元负型进行布尔并运算得到微孔结构负型,即内部微结构模型,最后通过骨实体外形与微结构负型进行布尔差运算获得仿形支架。以人体承力骨为研究对象,研究表明:通过有限元单元的剖分和约束方法,能高效随机地获得更自然的支架模型。     

基于双层次八叉树的STL模型体素化方法

为满足五轴加工仿真系统与CAD系统的模型数据交换需求,提供高效的复杂初始毛坯建模方式,提出一种面向STL模型的体素化方法。改进了传统的八叉树模型,采用外部层次树型和内部线性的双层次结构表达实体空间,并给出了该双层次八叉树模型的编码计算规则。以STL模型三角面片为体素化对象,通过编码规则建立三角面片和STL实体内部空间与体素节点的映射关系,实现表面和内部体素的快速定位。通过实例证明了算法能够保证生成体素模型的26-邻接性,实验结果表明,与传统的八叉树模型相比,该算法具有更好的时间和空间性能。     

基于TPMS的多孔结构力学性能研究

为探究不同TPMS孔隙结构对多孔支架力学性能的影响,采用隐函数表达的TPMS作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数构建不同结构特征的TPMS多孔支架,并应用SLM制备了 AlSi10Mg多孔支架;采用有限元法分析和力学试验方法,研究不同孔隙结构特征对多孔TPMS支架力学性能的影响,分析不同距离函数k值对P...     

LED体三维显示BCC采样体素化

在LED立方体三维显示中,为了减少体素量和提高精度,采用BCC栅格采样方法。以"牛"模型进行实验,对比笛卡尔采样,BCC采样在采样点数量相等的前提下体素量减少27.6%;将BCC栅格的采样点数量降低到笛卡尔栅格采样点数量的70%后,BCC采样得到的体素模型实际体素量要比笛卡尔采样得到的体素量减少43.4%。     

基于CAD和SL的人工骨微管支架的制备研究

研究一种基于光固化快速成形技术的人工骨支架制备方法。设计空间结构的人工骨支架负型,利用立体光固化快速成形系统制造人工骨支架负型树脂原型,在人工骨支架负型树脂原型中填充β-磷酸三钙,通过热分解的方法去除SL原型,获得生物活性人工骨支架。研究了烧结与去除原型的方法,测得人工骨支架表面粗糙度分别是Ra=3.69,有利于细胞的黏附。进行体外细胞培养研究,发现成骨细胞能够在这人工骨支架上黏附生长,并向微管内生长,具有良好的生物学特性。     

组织工程骨支架微宏观模拟分析

应用沉积挤出快速成型技术制备组织工程骨支架过程中,复合生物材料之间相互作用的稳定性、喷头装置中复合凝胶的流动状态及制备工艺参数影响组织工程骨支架成型及成型后骨支架力学性能和孔隙结构。针对以上问题,应用分子动力学模拟软件Materials studio中经典力学工具Forcite对羟基磷灰石(HA)/聚乙烯醇(PVA)/丝素蛋白(SF)共混体系进行模拟,分析羟基磷灰石与生物复合凝胶聚乙烯醇/丝素蛋白相互作用后稳定性。结合三者混合材料特性,通过有限元模拟软件FLUENT分析复合生物材料的流动状态,依据流体分析结果,调整制备骨支架工艺参数。模拟结果表明,HA/PVA/SF三者混合材料具有良好粘结性及力学性能;有限元模拟计算出高粘度材料制备过程中流体状态分布。通过实验,结合流体分布状态,调整最佳制备参数,制备的骨支架具有良好的力学性能,混合生物材料成分基本未发生变化,表面微观孔隙能够达到生物因子驻留和营养物质交换的要求。     

仿生骨支架微观孔结构的构建与评价

在分析人体骨微观孔结构和影响支架性能因素的基础上,提出仿生骨支架微观孔结构的构建与评价方法。基于多约束背包问题模型的结构,以椭球体作为构建微观孔结构负模型的单元体,利用混合遗传算法求解微观孔结构的负模型;并将孔隙率和连通性作为约束条件,以保证仿生骨支架具有生物活性。通过不含微观孔的支架模型与负模型之间的布尔运算,构建含有微观孔结构的仿生骨支架模型。以支架的孔隙率、孔间的连通性、孔分布的均匀性、孔道的扭曲度和支架的比表面积作为评价指标,建立仿生骨支架微观孔结构的评价体系。基于支架微观孔结构的负模型,提出支架的孔隙率、连通性、均匀性、扭曲度和比表面积的计算方法,以实现对仿生骨支架微观孔结构的评价与优化。通过上述方法构建的仿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。     

基于快速成形的仿生骨建模技术

通过案例介绍了一种仿生骨模型重建方法。首先在CAD软件中读取DICOM格式的医学断层数据．通过调整阈值提取需要重建的骨骼．在PC机上重建出仿生骨的三维模型，转化成快速成形需要的文件格式，最后利用快速成形技术获取实物模型。     

基于骨组织微结构模型的仿生支架逆向设计

模拟人体骨组织结构,满足其几何相容性与生物适应性功能约束要求的多孔骨支架微观结构构建为组织工程中的关键问题。提出一种模拟人体骨组织多孔微观结构来构建仿生支架的逆向设计方法。利用Micro-CT扫描人体胫骨的微观结构,发现其孔的形态与椭球接近。为寻找人体骨结构的分布规律,利用椭圆最小二乘法拟合人体骨的Micro-CT图像,结果表明人体胫骨的微孔短径和长径的值分别分布在0.24mm和0.48mm附近。为使设计的多孔骨支架具有良好的生物和力学性能,将所得胫骨孔径参数创建椭球体,并通过UG二次开发技术将大量的椭球体相交形成仿生支架。研究所得的仿生支架采用人体骨结构参数,在生物和力学性能上与骨结构更为接近,对骨组织工程中的骨支架设计有一定的参考价值。     

增材制造中基于体素的并行偏置填充算法

为了提高增材制造处理时偏置算法计算效率,解决轮廓互相交和自相交问题,提出一种基于体素的并行偏置算法。该算法首先将待填充切片转换为图像结构,并记录交点线段索引,以实现信息继承;然后利用图形处理器(GPU)多线程执行,并行完成轮廓的填充和偏置运算;最后将信息还原为矢量图形结构时,利用线段索引减少计算结果的数据量,实现模型的GPU并行化偏置。通过实验验证了算法的有效性,且有效避免轮廓相交问题,与已有算法相比显著提高了处理效率,尤其适用于复杂模型的偏置填充。     

转子支架的参数化建模

研究了在Inventor平台上对转子支架进行参数化实体建模的方法,把整体略显复杂的模块简单化,分成若干个独立的模块,分别在独立的模块上建立草图及特征,并把重要的尺寸相关联,通过修改模型参数改变模型以适应整体装配及设计需求,简化了建模过程,提高了工作效率.     

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。     

基于压缩体素模型的球头刀空间扫描体构造新方法及其应用

提出了一种基于压缩体素模型的球头刀空间扫描体构造新方法,将球头刀分解为相应球体部分和圆柱体部分,分别给出了球体和圆柱体空间扫描体构造公式并构造出其表面模型,利用RayCasting方法分别将球体和圆柱体空间扫描体表面模型进行离散,将其分别转化为压缩体素模型,通过布尔并操作生成球头刀空间扫描体压缩体素模型。该方法由于采用三个方向的Dexel模型表示体素模型,其计算机内部存贮空间得到了很大地压缩,并简化了布尔操作和提高了布尔操作速度;通过MarchingCubes方法提取数控加工仿真工件表面模型并进行图形显示,提高了显示质量和显示速度。该方法在《基于压缩Voxel模型的五坐标数控加工仿真系统》中得到了应用并完成了某叶轮的五坐标数控加工仿真,仿真结果三维信息完备,NC编程人员可从任意方向观察、验证仿真结果,克服了现有五坐标数控加工仿真方法和商品化软件系统的不足,该方法是虚拟数控加工的关键技术。     

液压式筒体支架的设计

介绍了液压式筒体支架的结构、作用。设计了筒体支架的液压系统,并用CAXA等三维、平面的机械设计软件,来完成该筒体支架的外观造型和机构分析。