目的研究基于3-D打印技術制備雙管道聚乳酸（polylactic acid，PLA）/β-磷酸三鈣（β-tricalcium phosphate，β-TCP）生物陶瓷復合材料支架（簡稱雙管道復合支架）的方法，通過在陶瓷結構中灌注PLA提高支架強度，解決多孔生物陶瓷支架力學強度差的問題。 方法首先設計具有互不連通初、次級雙管道結構的支架，其中初級管道用于細胞附著、組織長入及營養物質代謝，次級管道灌注PLA來提高支架力學性能；然后采用3-D打印和凝膠注模法制造雙管道復合支架。并制備標準樣本，進行支架界面形貌、孔隙率、力學性能等檢測，并與單管道多孔β-TCP生物陶瓷支架（簡稱單管道支架）進行比較。 結果形貌觀察發現，雙管道復合支架次級管道內充滿PLA，且PLA滲入至β-TCP生物陶瓷的微觀孔隙內，形成了明顯且致密的界面層。有限元分析結果顯示雙管道復合支架的壓縮強度小于單管道支架，但力學壓縮實驗示其最大壓縮強度（21.25±1.15）MPa顯著高于單管道支架（9.76±0.64）MPa。 結論基于3-D打印技術制造的雙管道復合支架具有可控的多孔結構，力學性能明顯增強，為實現骨支架多孔結構與支架承載強度的統一提供了新思路。
患者的骨幾何模型是個體化生物力學建模與分析、手術規劃方案制定、手術導板設計、人工關節定制的重要基礎。本研究針對股骨提出一種基于統計形狀模型的三維快速重建方法，結合患者X線平片數據，實現了個體化患者股骨幾何的快速三維建模。模型三維重建的平均誤差在1.597~1.842 mm之間，均方根誤差在1.453~2.341 mm之間。重建模型的股骨頭直徑、頸干角、偏置距離和前傾角的平均誤差分別為0.597 mm、1.163°、1.389 mm和1.354°。相比傳統建模方法，新方法能夠在更短時間內較為準確地實現股骨三維快速重建。本文為骨幾何三維快速建模提供了新技術，有助于推動針對患者的快速生物力學分析，為骨科植入物的選擇與定制植入物假體的快速研發提供新的思路。
本文設計并制造了一款微型硅油液體彈簧，并通過仿真分析與力學實驗對微型硅油液體彈簧的性能進行了研究。基于此微型硅油液體彈簧設計了一款自身力源膝關節助力矯形器，能夠將膝關節屈曲的動能轉換為膝關節助力矯形器中微型硅油液體彈簧的彈性勢能進行存儲，在膝關節伸展時彈性勢能釋放轉換為驅動膝關節的輔助力矩。結果顯示，本文所制造微型硅油液體彈簧平均最大復位力為1 240 N，產生的膝關節平均最大輔助力矩為29.8 N·m。然后，本文通過使用人體骨骼肌肉多體動力學模型，分析了人體下蹲過程中（膝關節屈曲90°），膝關節助力矯形器對膝關節生物力學所產生的影響。結果顯示，對于體重為80 kg的使用者而言，膝關節助力矯形器可以有效降低膝關節的生物力學負荷，其中股骨-脛骨的膝關節力\begin{document}$ \mathrm{、} $\end{document}髕骨-股骨髁的作用力以及股四頭肌-韌帶力的最大值分別降低了24.5%、23.8%與21.2%。本文所設計的膝關節助力矯形器不僅可以為膝關節提供充足的輔助力矩，同時具備體積小、重量輕的優勢，可為后續的商業化應用奠定基礎。
目的總結原位3-D打印技術的研究現狀，分析未來發展趨勢。 方法檢索目前國內外原位3-D打印技術的相關文獻，并進行綜合分析。 結果目前原位3-D打印技術尚處于研究初期，主要集中于真皮組織修復和骨軟骨組織修復，但實際應用于臨床尚存在大量問題。 結論隨著原位3-D打印技術的發展，有望為患者提供實時的原位數字化設計與打印修復治療，促進外科修復過程的及時性和微創性，具有廣泛的應用前景。
目的選擇大鼠成纖維細胞和原代肝細胞共培養于膠原水凝膠支架中，進行多細胞的大塊組織工程肝構建及體內植入研究，以期構建長期存活的功能性肝組織。 方法采用3-D打印技術制備硅膠模具，經成膠脫模制備膠原水凝膠支架。將大鼠肺成纖維細胞與原代肝細胞以0.4∶1比例種植于該支架中（B組），以種植同密度單純原代肝細胞為對照（A組）。體外培養1、3、7、14、21 d，觀察細胞形態并檢測肝功能（白蛋白和尿素分泌量）。取24只SD大鼠，采用皮下注射四氯化碳方法制備肝硬化模型，將A、B組組織工程肝分別植入大鼠腹腔大網膜內（n=12），植入后3、7、14、21、28 d行HE、細胞角蛋白18（cytokeratin 18，CK18）及ALB染色觀察。 結果體外實驗中，與A組相比，B組肝細胞呈多邊形，細胞核大且圓，肝功能表達旺盛，并且在7 d時聚團生長最多，7 d后白蛋白及尿素分泌量顯著增高（P＜0.05）。體內實驗中，B組肝細胞能存活至28 d，白蛋白和尿素分泌也顯著增多，細胞團聚成條索形，形成了類正常肝臟組織。 結論多細胞大塊組織工程肝體內植入時形成了類正常肝臟組織，并長期存活，為構建結構和功能更完整的組織工程肝奠定了基礎。
目的為解決韌帶重建手術中韌帶移植物與宿主骨組織的固定問題，提出采用韌帶-骨復合支架進行韌帶修復重建的思路，探討基于3-D打印技術的韌帶-骨復合支架制造方法，通過動物實驗評價其體內力學與生物學性能。 方法采用三維設計軟件設計骨支架模型，通過布爾運算生成骨支架負型，用3-D打印技術制作骨支架負型樹脂模具，將陶瓷漿料灌注入骨支架負型樹脂模具中，凝固并高溫燒結獲得骨支架。將蠶絲纖維脫膠編織形成韌帶支架，與骨支架用固定釘裝配形成韌帶-骨復合支架。將制備的韌帶-骨復合支架植入10只4月齡健康家豬左膝關節前交叉韌帶斷裂位置，3個月后對再生韌帶及韌帶-骨界面進行生物力學檢測和組織學觀察，以僅保留前交叉韌帶的右膝關節作為對照。 結果生物力學檢測顯示，對照組前交叉韌帶承受的最大拉伸力和蠕變量分別為（1 384±181）N和（0.74±0.21）mm，實驗組植入后3個月韌帶-骨復合支架分別為（370±103）N和（1.48±0.49）mm，比較差異均有統計學意義（t=11.617，P=0.000；t=—2.991，P=0.020）。HE染色示，實驗組骨支架內部有新生骨形成，在韌帶支架與宿主骨組織間形成了與自然韌帶-骨界面相似的分層結構。 結論基于3-D打印技術成功制備韌帶-骨復合支架，并在豬體內初步實現了韌帶-骨界面的再生。
后穩定型全膝關節假體已經被廣泛應用于骨科臨床治療膝骨關節炎，但是脛骨襯墊立柱的磨損、斷裂以及假體松動等失效問題依然困擾著患者和醫生。了解患者體內膝關節假體的生物力學特性有利于降低術后的假體翻修率和患者不滿意度。本文針對6種不同后穩定型全膝關節假體分別建立了全膝關節置換的骨肌多體動力學模型，在模擬走路、右轉和下蹲3種生理活動下，對比研究了6種后穩定型全膝關節假體的生物力學差異。結果表明，在走路、右轉和下蹲活動中PFC Sigma和 Scorpio NGR兩種假體的立柱所受接觸力較大，增加了立柱斷裂和磨損破壞以及假體早期松動的風險。Gemini SL的螺旋型立柱設計更有利于膝關節的內外旋轉運動，同時避免了立柱邊沿接觸磨損。后穩定型全膝關節假體矢狀面較低的關節面匹配度設計和較晚的立柱-凸輪相遇接觸設計將導致較大的前后平移運動。本文為臨床指導醫生選擇、改進假體設計和降低假體失效提供了理論支撐。
單髁膝關節置換術（UKA）中假體的手術安裝精度是影響術后膝關節功能和假體壽命的重要因素。本文以UKA股骨部件相對脛骨襯墊內外側位置的比值（a/A）為參數，分別考慮了9種不同股骨部件安裝情況，建立UKA置換的骨肌多體動力學模型并模擬患者術后行走步態，研究UKA手術中股骨部件內外側安裝位置對術后膝關節接觸力、關節運動和韌帶力的影響。結果表明，隨著a/A比值的增大，膝關節內側假體接觸力減小，外側軟骨接觸力增大；膝關節內翻運動、外旋運動和關節后移運動增大；前交叉韌帶力、后交叉韌帶力和內側副韌帶力減小。UKA股骨部件內外側安裝位置對膝關節屈曲伸展運動、外側副韌帶力影響不大。而當a/A≤0.375時，股骨部件與脛骨會產生接觸。為了避免內側假體和外側軟骨承受過高的載荷、產生過高的韌帶力以及內側假體與脛骨碰撞等問題，本文建議醫生UKA手術中安裝股骨部件時a/A比值控制在0.427~0.688范圍內，為UKA手術中股骨部件內外側安裝提供了參考依據。
目的基于3-D打印技術探索骨軟骨組織工程修復過程中，新生軟骨下骨微結構參數變化規律及其與軟骨修復間關系，為功能化組織工程軟骨構建奠定基礎。 方法應用3-D打印技術制備雙相聚乙二醇/β-磷酸三鈣骨軟骨復合支架。取40只6月齡雄性新西蘭白兔（體重2.5～3.5 kg），于右膝滑車部位建立直徑4.8 mm、深7.5 mm骨軟骨缺損模型，左側不制備缺損為假手術組；將支架分別植入35只兔骨軟骨缺損作為實驗組，余5只不植入支架作為空白對照組。實驗組和假手術組分別于術后1、2、4、8、16、24、52周，空白對照組于術后24周取材（n=5），行大體及組織學觀察，并根據Wayne評分體系進行評分；行Micro-CT掃描及三維重建檢測新生軟骨下骨微結構參數：骨體積分數（bone volume fraction，BV/TV）、骨表面積分數（bone surface area fraction，BSA/BV）、骨小梁厚度（trabecular thickness，Tb.Th）、骨小梁數量（trabecular number，Tb.N）及骨小梁分離度（trabecular spacing，Tb.Sp）。采用Pearson相關分析軟骨下骨微結構參數與軟骨修復大體及組織學評分間的相關性。 結果實驗組術后軟骨明顯修復，52周時以透明軟骨為主，出現潮線結構；Wayne評分顯示，實驗組24、52周評分均顯著高于16周（P＜0.05），24周及52周間差異無統計學意義（P＞0.05）；但各時間點實驗組評分均低于假手術組（P＜0.05）。實驗組修復的軟骨下骨逐漸從缺損周圍向中央遷移，24、52周時形成軟骨下骨板結構。修復術后BV/TV、BSA/BV、Tb.N均呈“雙峰”樣變化過程，分別在2、16周達峰值；Tb.Sp變化規律與BV/TV、BSA/BV、Tb.N相反；Tb.Th整個過程中變化不明顯。相關分析顯示：BV/TV、BSA/BV、Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp與軟骨修復大體及組織學評分之間均存在相關關系。 結論在兔絕對尺寸骨軟骨缺損修復中，軟骨下骨微結構參數與軟骨修復存在相關關系；完整的軟骨下骨修復需經歷“增殖-重建-再增殖-再重建”的“雙峰”樣過程，2、16周是骨增殖的2 個關鍵時期。
為研究膝骨性關節炎合并內翻畸形患者術前生物力學群體特征，用于比較患者術前術后步態延續性及進行術后康復指導，本文采集 9 例患者水平行走和坐立-起身過程的步態，并進行骨肌多體動力學分析。本文研究結果顯示，水平行走時試驗組下肢運動功能減弱，試驗組非手術側膝關節平均活動范圍為 22.5°～71.5°，擬置換側膝關節平均活動范圍為 24.4°～57.6°，而對照組膝關節平均活動范圍為 7.2°～62.4°。單側膝內翻患者完成坐立-起身過程時的下肢地面反作用力對稱度介于 0.72～0.85，非手術側下肢起主要支撐作用。雙側膝內翻患者坐立-起身時地面反作用力之和最小。盡管單側膝內翻患者采用非手術側下肢過量負載的代償方式能完成術后日常活動，但長期過量負載容易增加非手術側下肢膝關節罹患膝骨性關節炎風險。對膝骨性關節炎合并內翻畸形患者完成日常活動的運動學和生物力學特征進行研究，有助于從生物力學角度理解內翻膝的發病機制，對患者的術前評估、預防和術后恢復具有較強的臨床指導意義。