异种骨的三维重构和力学性能的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 3.82MB 56 页 15积分

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摘要

骨缺损是目前骨科治疗领域的一个难题，其治疗方法主要有骨移植术、骨延

长术、组织工程技术，其中骨移植在临床上最为常用。理想的移植材料应该具有

良好的生物相容性、骨传导性、足够的力学性能等，目前常用的骨移植材料包括

自体骨、同种异体骨、异种骨以及人工骨。本课题主要研究的骨移植材料是同种

异体骨材料和异种骨材料，综合考虑生物相容性、骨传导性以及对患者的影响等

因素，同种异体骨材料和异种骨材料在骨移植中具有很大优势。实验异种骨材料

采用动物源性猪骨，猪在解剖学、生理学、疾病发生机理等方面与人极其相似，

我国猪骨来源丰富，而且材料来自上海交通大学农学院生产的小型猪便于就近取

材。

本课题的研究内容主要包括：

1) 同种异体骨和异种骨的力学性能实验，首先完成两者常规的拉伸、压

缩、弯曲和扭转力学实验、同种异体骨色泽分析，其次重点研究不同工艺处理下

的同种异体骨的压缩实验。

2) 同种异体骨和异种骨的孔隙率和三维微结构的研究。

3) 异种骨的有限元抗压分析以及与压缩实验的对比。

本课题通过异种骨和同种异体骨力学性能实验，得出异种骨在拉伸、压缩、

弯曲和扭转强度均大于同种异体骨；同种异体骨孔隙率大于异种骨孔隙率；异种

骨的有限元分析与其压缩实验具有一定的可比性，对预测骨力学性能具有指导意

义。

鉴于临床上骨移植材料的大量需求、同种异体骨源有限，异种骨材料目前的

发展前景非常广阔。因此，本课题旨在为异种骨替代同种异体骨植入人体提供力

学依据，为异种骨在临床上的成功应用奠定基础。

关键词：动物源性猪骨同种异体骨力学性能测试微 CT 孔隙率

三维微结构有限元分析

ABSTRACT

The treatment of bone defects is a difficult problem areas currently in the field of

orthopedics,the pivot methods are bone graft, bone lengthening, tissue engineering, and

bone graft is most commonly used in clinical practice. The ideal graft material should

have good biocompatibility and bone conductivity, sufficient mechanical

properties.Bone grafting materials currently used include autologous bone, allograft

bone, xenograft bone, and artificial bone . The main topic of the bone graft materials in

this project are allograft and xenograft bone materials.Considering the biocompatibility,

bone conduction, and the impact on patients and other factors, allograft and xenograft

bone materials in bone transplantation have great advantages. Xenogeneic bone material

of animal bones in this experiment come from pigs,which in anatomy, physiology,

disease mechanism are very similar with others, and a pigs have rich source.The

experimental materials are from the Shanghai Jiaotong University College of

Agriculture ,which facilitate the production of miniature pigs nearby drawn.

The research include:

1)The mechanical properties experiments of allograft and xenograft

bone.first ,regular tension, compression, bending and torsion mechanical tests for two,

followed which we focus on compression experiment of allogeneic bone under different

Process .

2)Bone porosity and three-dimensional micro-structure of allograft and xenograft.

3)Xenograft bone finite element analysis for compression,whose result compare

with the compression test.

This topic proved that xenograft bone are greater than allogeneic in tension,

compression, bending and torsional strength by mechanical properties experiments;

bone porosity of allogeneic bone is greater than xenograft bone; Finite element analysis

of compression test for xenograft bone has comparability,which is instructive to predict

the mechanical properties of bone instructive. In view of the clinical needs for a large

number of bone graft materials, the source of allograft bone is limited, but xenogenic

bone material have currently broad prospects to develop. Therefore, this topic is

designed to provide the mechanical basis for replacing allograft bone by xenograft bone

implanted to sufferer successfully in the clinical.

Key words: animal-derived bone, allograft bone, mechanical

properties test, micro-CT, amount of porosity, three-dimensional

micro-structural, finite element analysis

中文摘要

ABSTRACT

第一章：绪论 ..................................................... 1

§1.1 研究背景及意义 .............................................. 1

§1.2 国内外异种骨的研究 .......................................... 2

§1.3 课题研究的目的和内容 ........................................ 5

第二章：骨力学性能测试 ........................................... 7

§2.1 实验设备介绍 ................................................ 7

§2.1.1 电子万能试验机 ......................................... 7

§2.1.2 骨骼试件扭转测试仪 ..................................... 8

§2.2 骨压缩实验 ................................................. 9

§2.2.1 同种异体骨和异种骨压缩实验 ............................. 9

§2.2.2 不同处理工艺骨压缩实验 ................................ 11

§2.3 骨拉伸实验 ................................................. 13

§2.4 骨弯曲实验 ................................................. 15

§2.5 骨扭转实验 ................................................. 17

§2.6 骨色泽分析 ................................................. 18

第三章：基于微 CT 图像的骨的孔隙率与三维重构 ..................... 22

§3.1 微 CT 及相关软件介绍 ........................................ 22

§3.1.1 微 CT 介绍 ............................................. 22

§3.1.2 MIMICS 介绍 ............................................ 23

§3.2 骨的孔隙率的计算 .......................................... 24

§3.2.1 骨孔隙率切片法计算 ..................................... 25

§3.2.2 骨孔隙率微 CT 法计算 .................................... 28

§3.3 骨三维微结构的重建 ......................................... 33

§3.3.1 微 CT 断层图像的获取 .................................... 33

§3.3.2 骨三维微结构的重构 ..................................... 34

§3.3.3 微结构在组织工程中的应用 ............................... 38

第四章：异种骨的有限元抗压分析 .................................. 39

§4.1 有限元法介绍 ............................................... 39

§4.2 异种骨的有限元建模 ......................................... 40

§4.3 异种骨的有限元抗压分析 ..................................... 41

§4.4 异种骨有限元分析与压缩实验结果的对比 ....................... 43

第五章：总结与展望 .............................................. 45

§5.1 总结 ....................................................... 45

§5.2 展望 ....................................................... 45

参考文献 ........................................................ 47

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 52

致谢 ............................................................ 53

第一章绪论

§1.1 研究背景及意义

骨移植在临床上是最常用的治疗骨缺损的方法之一，骨缺损一般是由创伤、

感染、肿瘤、先天性疾病等原因导致的，骨移植是将一部位的骨组织离体后移植

于人体另一骨骼有缺损或需要加强(固定)的地方，目的是尽可能迅速、完全地恢

复骨的结构和功能。1668 年，荷兰人 Job van Meekeren 报道了第一例异种骨移植

术，他将狗的颅骨移植到伤员的颅骨缺损处，后来伤员要求取出移植物时，颅骨

缺损已部分修复[1]，自此异种骨移植开始被人们所重视并得到了广泛的研究。理

想的骨缺损修复材料应该具有以下特性：良好的生物相容性；足够的力学性能和

良好的生物力学适应性；骨传导性；骨诱导性；提供成骨细胞，直接成骨；良好

的材料—骨组织界面；可塑性[2]。

骨移植可分为：自体骨移植、同种异体骨移植、异种骨移植和人工骨移植。

如图 1-1 所示。

图1-1 骨移植物

由图 1-1 可以看出自体骨移植是从患者未发病部位取出骨组织植入患处，这

种方法在免疫学、组织结构等方面是治疗骨缺损最好的方法，移植后不会发生免

疫排斥反应，但从自身取骨却增加了患者再度创伤，取骨区时常有并发症发生，

而且需要大面积取骨时具有一定的局限性。

同种异体骨移植是从患者以外的人体取骨移植到患者患处来治疗骨缺损，这

种骨优点主要在于组织结构等方面与患者的骨相似，而且经过处理后可以去除免

疫排斥反应，但是同种异体骨来源有限，而且存在传染性疾病以及法律和伦理道

德方面的问题。

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摘要：

摘要骨缺损是目前骨科治疗领域的一个难题，其治疗方法主要有骨移植术、骨延长术、组织工程技术，其中骨移植在临床上最为常用。理想的移植材料应该具有良好的生物相容性、骨传导性、足够的力学性能等，目前常用的骨移植材料包括自体骨、同种异体骨、异种骨以及人工骨。本课题主要研究的骨移植材料是同种异体骨材料和异种骨材料，综合考虑生物相容性、骨传导性以及对患者的影响等因素，同种异体骨材料和异种骨材料在骨移植中具有很大优势。实验异种骨材料采用动物源性猪骨，猪在解剖学、生理学、疾病发生机理等方面与人极其相似，我国猪骨来源丰富，而且材料来自上海交通大学农学院生产的小型猪便于就近取材。本课题的研究内容主要包括：1)同种异...

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