基于骨重建理論的三維結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計研究的開題報告

基于骨重建理論的三維結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計研究的開題報告一、研究背景骨組織是身體的支撐系統(tǒng)和保護系統(tǒng)，對于生命體的功能和運動具有至關(guān)重要的作用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，骨重建技術(shù)已廣泛應(yīng)用于治療骨折、矯正畸形、修復(fù)骨損傷等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的骨重建技術(shù)主要包括人工植骨和自體骨移植等，但這些方法不僅存在損傷采集骨組織、手術(shù)創(chuàng)口大、手術(shù)風(fēng)險高、自體骨移植難以重復(fù)使用等問題，同時也限制了其在復(fù)雜骨缺損、骨組織工程等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，基于三維打印技術(shù)和計算機輔助設(shè)計技術(shù)，研究骨重建的新方法和技術(shù)具有十分重要的意義。二、研究目的及意義本研究旨在基于骨重建理論，通過三維結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計的方法，研究構(gòu)建具有良好機械性能和組織相容性的骨組織工程支架，并進一步提高其表面活性，從而實現(xiàn)骨結(jié)構(gòu)的更快速、更準(zhǔn)確的重建，同時為大規(guī)模制備骨組織工程支架提供新思路和新方法。三、研究內(nèi)容及研究方法1.對骨組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性進行深入分析研究，確定構(gòu)建骨組織工程支架的關(guān)鍵參數(shù)。2.提出基于三維結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計的骨組織工程支架設(shè)計方法，分別采用體素化網(wǎng)格和參數(shù)化建模方法構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架。3.開展有限元分析和力學(xué)性能測試，評價骨組織工程支架的力學(xué)性能，優(yōu)化設(shè)計。4.通過細胞培養(yǎng)等方法評價骨組織工程支架的生物相容性和組織工程應(yīng)用性能。5.研究提高骨組織工程支架表面活性的方法，分析不同方法的效果差異，并探究其機制。四、研究預(yù)期結(jié)果1.基于三維結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計的骨組織工程支架，具有更好的力學(xué)性能和更高的生物相容性和組織工程應(yīng)用性能，為骨組織的快速和準(zhǔn)確重建提供了新思路和新方法。2.探究提高骨組織工程支架表面活性的方法，為進一步開發(fā)相應(yīng)的骨組織工程技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)。3.為骨重建領(lǐng)域的新技術(shù)和新方法的發(fā)展做出貢獻，具有重要的社會和科學(xué)意義。五、研究計劃本研究計劃為期三年，主要研究內(nèi)容及工作安排如下：第一年：1.對骨組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性進行深入分析研究。2.提出基于三維結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計的骨組織工程支架設(shè)計方法。3.構(gòu)建骨組織工程支架，并開展有限元分析和力學(xué)性能測試。第二年：1.采用參數(shù)化建模方法構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架，并優(yōu)化設(shè)計。2.通過細胞培養(yǎng)等方法評價骨組織工程支架的生物相容性和組織工程應(yīng)用性能。第三年：1.研究提高骨組織工程支架表面活性的方法，分析不同方法的效果差異，并探究其機制。2.進行樣品驗收和結(jié)論總結(jié)，撰寫學(xué)術(shù)論文和完成課題報告。六、研究工作的參考文獻1.WuY,ChenF,ZhaoJ,etal.Designandfabricationofbonetissueengineeringscaffoldsviatremendouslaserprocessing[J].JournalofBiomedicalMaterialsResearchPartB:AppliedBiomaterials,2013,101(2):360-369.2.ZhuW,LiangM,WangJ,etal.Designandconstructionof3D-printedlocustbeangumscaffoldwithenhancedosteogenesisforsmallbonedefectrepair[J].ColloidsandSurfacesB:Biointerfaces,2020,192:111-118.3.AmiriA,MaW,LiangY,etal.Developingathree-dimensionalprintedtitaniumscaffoldwithzincoxidenanorodsforbonetissueengineering[J].JournalofMaterialsScience,2021,56:10925-10938.4.ZhouT,WangN,XueY,etal.Enhancedbiocompatibilityandosteogenesisofgene-activatedmagnesiumincorporatedhydroxyapatitecoatingonpolyetheretherketone[J].MaterialsScienceandEngineering:C,2019,103:109773.5.WengL,BodaSK,LiG,etal.Bioinspired,femtosecond-laser-writtendual-micro