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计算机辅助设计、制作个性化骨缺损修复体的研究

作　者: 沈健坚
导　师: 丁焕文
学　校: 广州中医药大学
专　业: 中西医结合临床
关键词: 骨髓间充质干细胞成骨细胞计算机辅助设计快速成型技术个性化骨缺损修复体有限元分析
分类号: R318.08
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

目的：将组织工程学(TE)、计算机辅助设计(CAD)、快速成型(RP)、逆向工程(RE)、有限元分析(FEA)等技术相结合；通过对比格犬骨髓间充质干细胞(BMSCs)进行分离、培养及定向诱导分化为成骨细胞,为骨缺损修复的种子细胞；计算机辅助设计、快速成型技术制作个性化骨缺损修复支架,在体外联合构建成骨细胞和个性化骨缺损修复支架的组织工程骨支架；采用有限元法对不同内固定方式+个性化骨缺损修复体修复重建骨缺损、计算机辅助设计个性化骨缺损体修复肿瘤型骨缺损进行静力结构分析,为个性化骨缺损修复提供力学依据。方法：1.采用密度梯度离心法和贴壁细胞分离法相结合的方法,对比格犬骨髓间充质干细胞进行分离、培养、扩增、以及骨髓间充质干细胞的生物学特性的鉴定。2.采用成骨细胞诱导液对BMSCs进行定向诱导分化,通过对诱导后的细胞进行形态学、组织化学和免疫组化染色等鉴定。3.计算机辅助设计骨组织工程支架内部结构的基本结构单元；有限元法分析不同基本结构单元的的应力和整体变形情况,筛选获取合适的基本结构单元；计算机辅助设计孔径、孔隙率和连通性可控的骨组织工程支架。4.通过立体光固化成型制作骨组织工程支架的负型模具和外套的光敏树脂模型；在骨组织工程支架负型模具中灌注β-TCP浆体,通过原位凝固和高温烧结,形成孔径、孔隙率和连通性可控的骨组织工程支架。5.将诱导后的成骨细胞复合多孔β-TCP陶瓷支架构建组织工程骨支架,观察成骨细胞在多孔β-TCP陶瓷支架上的粘附和增殖情况。6.计算机辅助建立胫骨骨缺损的三维模型,计算机辅助设计与骨缺损外形相匹配的个性化骨修复体的三维模型；计算机辅助建立Golf钢板和髓内钉固定修复骨缺损的三维模型；采用有限元法分析不同固定方式重建骨缺损后的应力情况。7.计算机辅助建立胫骨近端骨肿瘤的三维模型、测量肿瘤病灶范围、设计肿瘤病灶切除截骨平面；计算机辅助设计个性化骨修复体、建立Golf钢板固定修复骨缺损的三维装配体模型。采用有限元法分析Golf钢板+个性化同种异体骨修复体修复重建膝关节周围肿瘤切除后大段骨缺损的应力、应变分布情况。结果：1.经密度梯度离心法和贴壁细胞发分离获取的骨髓间充质干细胞原代培养14天细胞达90%以上融合,细胞呈长梭形、并沿一定方向放射状排列生长,连续传代培育3代,细胞形态、增殖特性未发生改变；P2代BMSCS的G1期为74.38%、G2期为0.4%、S期为25.23%；BMSCS组织化学染色结果：糖原PAS呈阳性,油红O染色为阴性,碱性磷酸酶染色为阴性。2.采用含有β-甘油磷酸钠、抗坏血酸、地塞米松和10%FBS/DMEM的成骨细胞诱导液对BMSCs诱导培养14天后的细胞呈多边形或多角形；组织化学染色显示：碱性磷酸酶染色阳性、茜素红染色阳性、银染色阳性；I型胶原免疫反应阳性；证实诱导后的细胞为成骨细胞。3.成功实现计算机辅助设计骨组织工程支架不同的基本结构单元；有限元分析证实：开口立方体结构单元力学性能最强、立方体-圆柱结构单元次之、立方体-球体结构单元最差；在计算机辅助设计软件中,可以设计出孔径、孔隙率和连通性可控的骨组织工程支架,以及与支架阴阳互补的负型模具。4.采用快速成型技术,可以制作出孔径、孔隙率和连通性可控的骨组织工程支架负型模具；采用原位凝固成型法结合快速原型技术可以制备孔径、孔隙率和连通性可控的β-TCP陶瓷支架。5.成骨细胞与多孔β-TCP陶瓷支架体外培养7天后,见成骨细胞在支架中粘附、增殖情况良好,HE染色显示：多孔β-TCP陶瓷支架的孔壁均有成骨细胞的粘附生长。6.计算机辅助建立Golf钢板固定和髓内钉联合个性化骨缺损修复体修复骨缺损的三维模型；建立‘’Golf钢板+个性化骨缺损修复体”、“髓内钉+个性化骨缺损修复体”的有限元模型；Golf冈板固定修复骨缺损的最大等效应力为24.37Mpa,髓内钉固定修复骨缺损的最大等效应力13.51Mpa；对于胫骨骨干处的大段骨缺损修复,髓内钉固定较钢板固定合适。7.借助于逆向工程软件和计算机辅助设计软件,成功设计与肿瘤切除后骨缺损病灶外形匹配的个性化骨缺损修复体；有限元分析显示：轴向加压试验中,Golf钢板固定修复胫骨近端肿瘤型骨缺损的最大等效应力为18.26Mpa；扭转试验时最大等效应力为64.466Mpa; Golf钢板+个性化骨缺损修复体修复胫骨近端肿瘤型骨缺损能够提供足够的稳定性。结论：1.骨髓间充质干细胞是骨组织工程研究理想的种子细胞。2.采用计算机辅助设计技术,可以设计出不同内部结构的骨组织工程支架。3.计算机辅助设计-快速成型制作相结合,可以制备孔径、孔隙率和连通性可控的β-TCP陶瓷支架。4.β-TCP具有良好的生物相容性。5.逆向工程-计算机辅助设计相结合,可以设计出与骨缺损病灶外形相匹配的个性化骨缺损修复体。6.有限元分析可以为骨缺损修复重建提供力学依据。

全文目录

中文摘要  3-5
Abstract  5-14
引言  14-17
实验一比格犬骨髓间充质干细胞的分离、培养和生物学特性  17-28
  1.1 前言  17
  1.2 实验材料  17-18
    1.2.1 实验动物  17
    1.2.2 主要试剂  17-18
    1.2.3 培养基和溶液的配制  18
    1.2.4 实验器材及仪器  18
  1.3 实验方法  18-21
    1.3.1 骨髓间充质干细胞的分离、培养  18-19
    1.3.2 BMSCS的传代培养  19
    1.3.3 BMSCS的冻存与复苏  19
    1.3.4 BMSCS形态学大体观察  19
    1.3.5 MTT法测定骨髓间充质干细胞生长曲线  19-20
    1.3.6 BMSCS的细胞周期分析  20
    1.3.7 BMSCS过碘酸雪夫氏染色  20
    1.3.8 BMSCS脂质油红O染色  20
    1.3.9 BMSCS碱性磷酸酶染色  20-21
  1.4 实验结果  21-25
    1.4.1 BMSCS形态学观察  21-23
    1.4.2 BMSCS生长曲线的绘制  23
    1.4.3 BMSCS细胞周期的分析  23-24
    1.4.4 BMSCS过碘酸雪夫氏染色试验结果  24
    1.4.5 BMSCS油红O染色试验结果  24
    1.4.6 BMSCS碱性磷酸酶染色试验结果  24-25
  1.5 讨论  25-27
  参考文献  27-28
实验二骨髓间充质干细胞定向诱导分化为成骨细胞的实验研究  28-38
  2.1 前言  28
  2.2 实验材料  28-29
    2.2.1 主要试剂  28
    2.2.2 培养基和溶液的配制  28-29
    2.2.3 实验器材及仪器  29
  2.3 实验方法  29-31
    2.3.1 骨髓间充质干细胞定向诱导为成骨细胞  29
    2.3.2 诱导后成骨细胞形态学观察  29
    2.3.3 成骨细胞钙结节茜素红染色  29-30
    2.3.4 成骨细胞钙结节冯库萨(VON KOSSA)染色  30
    2.3.5 成骨细胞碱性磷酸酶染色  30
    2.3.6 成骨细胞的Ⅰ型胶原抗体染色  30-31
  2.4 实验结果  31-34
    2.4.1 成骨细胞大体形态学观察  31-32
    2.4.2 成骨细胞碱性磷酸酶染色结果  32-33
    2.4.3 成骨细胞钙结节茜素红染色结果  33
    2.4.4 成骨细胞钙结节冯库萨(VON KOSSA)染色结果  33-34
    2.4.5 成骨细胞的Ⅰ型胶原抗体染色结果  34
  2.5 讨论  34-36
  参考文献  36-38
实验三个性化骨缺损修复支架的计算机辅助设计  38-47
  3.1 前言  38
  3.2 实验材料  38
  3.3 实验方法  38-41
    3.3.1 不同基本结构单元的计算机辅助设计  38-39
    3.3.2 不同基本结构单元的有限元力学分析  39
    3.3.3 骨组织工程支架的计算机辅助设计  39-40
    3.3.4 骨组织工程支架的负型模具的计算机辅助设计  40
    3.3.5 骨组织工程支架的负型模具外套的计算机辅助设计  40-41
  3.4 实验结果  41-43
    3.4.1 不同基本结构单元的有限元分析结果  41-42
    3.4.2 骨组织工程支架负型模具与外套模型的一体化装配三维模型  42-43
  3.5 讨论  43-45
    3.5.1 计算机辅助设计软件的选择  43
    3.5.2 骨组织工程支架内部结构单元的选择  43-44
    3.5.3 骨组织工程支架内部基本结构单元的有限元分析  44-45
  3.6 结论  45-46
  参考文献  46-47
实验四个性化骨缺损修复支架的制作  47-55
  4.1 前言  47
  4.2 实验材料  47-48
  4.3 实验方法  48-49
    4.3.1 骨组织工程支架负型模具和外套的立体光固化成型制作  48
    4.3.2 β-TCP粉体的制备  48
    4.3.3 β-TCP浆体的制备  48
    4.3.4 β-TCP浆体的灌注和烧结制备  48-49
    4.3.5 骨组织工程支架的表征  49
  4.4 实验结果  49-50
    4.4.1 骨组织工程支架的负型模具和外套的树脂模型  49
    4.4.2 β-TCP浆体中分散剂加入剂量的控制  49
    4.4.3 骨组织工程支架烧结后的化学成分组成分析  49-50
    4.4.4 骨组织工程支架的结构分析  50
  4.5 讨论  50-52
  4.6 结论  52-53
  参考文献  53-55
实验五成骨细胞复合个性化骨缺损修复支架体外构建组织  55
工程骨支架  55-61
  5.1 前言  55
  5.2 实验材料  55-56
    5.2.1 主要试剂  55
    5.2.2 培养基和溶液的配制  55-56
    5.2.3 实验器材及仪器  56
  5.3 实验方法  56-57
    5.3.1 骨髓间充质干细胞分离、培养和扩增  56
    5.3.2 骨髓间充质干细胞定向诱导为成骨细胞  56
    5.3.3 多孔β-TCP骨组织工程支架的处理  56
    5.3.4 多孔β-TCP支架与成骨细胞体外复合培养  56-57
    5.3.5 组织工程骨支架的观察鉴定  57
  5.4 实验结果  57
    5.4.1 大体观察  57
  5.5 讨论  57-60
  参考文献  60-61
实验六个性化骨缺损不同修复重建方法的有限元分析  61-78
  6.1 前言  61
  6.2 实验材料  61-62
  6.3 实验方法  62-69
    6.3.1 胫腓骨三维模型的建立  62
    6.3.2 Golf钢板、髓内钉和螺钉三维模型的建立  62-63
    6.3.3 计算机辅助模拟胫骨骨缺损模型的建立  63
    6.3.4 个性化骨修复体的计算机辅助设计  63-64
    6.3.5 计算机辅助模拟钢板固定修复骨缺损  64
    6.3.6 计算机辅助模拟髓内钉固定修复骨缺损  64-65
    6.3.7 建立胫腓骨和内固定的实体模型  65-66
    6.3.8 Golf钢板固定修复胫骨骨缺损的有限元仿真分析  66-69
  6.4 不同固定方法修复重建骨缺损的有限元分析结果  69-73
    6.4.1 Golf钢板固定修复重建骨缺损的有限元分析  69-71
    6.4.2 髓内钉固定修复重建骨缺损的有限元分析  71-73
  6.5 讨论  73-76
    6.5.1 计算机辅助三维模型的建立  73-74
    6.5.2 有限元模型的建立  74-75
    6.5.3 有限元模型材料属性、边界、接触的定义及结果  75-76
  6.6 结论  76-77
  参考文献  77-78
实验七计算机辅助个性化骨缺损修复重建的有限元分析  78-95
  7.1 前言  78
  7.2 实验材料  78-79
  7.3 实验方法  79-87
    7.3.1 双下肢骨关节三维模型的建立  79
    7.3.2 肿瘤病灶区域的三维重建  79-80
    7.3.3 肿瘤病灶范围的测量和切除范围的确定  80
    7.3.4 计算机辅助设计个性化骨修复体  80-82
    7.3.5 计算机辅助模拟Golf钢板固定修复肿瘤切除后骨缺损  82-83
    7.3.6 建立胫腓骨和内固定的实体模型  83
    7.3.7 Golf钢板固定修复肿瘤切除后骨缺损的有限元仿真分析  83-87
  7.4 个性化骨缺损修复重建的有限元分析结果  87-91
    7.4.1 模拟轴向加压试验的有限元分析结果  87-89
    7.4.2 模拟扭转试验的有限元分析结果  89-91
  7.5 讨论  91-93
    7.5.1 计算机辅助在膝关节周围肿瘤三维模型建立的中的作用和意义  91
    7.5.2 计算机辅助测量在骨肿瘤切除的意义  91-92
    7.5.3 计算机辅助设计个性化骨缺损修复体的意义  92
    7.5.4 有限元法在膝关节肿瘤型骨缺损重建后稳定性分析的意义  92-93
  7.6 结论  93-94
  参考文献  94-95
文献回顾  95-124
  综述一骨缺损修复的组织工程学研究进展  95-112
    参考文献  105-112
  综述二计算机辅助设计、制作个性化骨缺损修复体的研究进展  112-120
  参考文献  120-124
攻读学位期间发表论文和参与课题情况  124-125
致谢  125

计算机辅助设计、制作个性化骨缺损修复体的研究

内容摘要

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