第一部分 眼眶三维重建及有限元分析模型构建研究目的:本研究以计算机辅助手段为基础,精确重建高度仿真人眼眶骨模型,实现眼眶骨壁的三维可视化成像,并应用有限元分析手段模拟外伤性骨折过程,分析眼眶骨折的行为趋势。方法:构建新西兰兔颅骨标本,用于初期探索通过CT图像对精细骨组织精准重建的方法。通过收集正常人眼眶骨CT薄层扫描数据,并使用Mimics图像处理软件进行精确的三维重建,并提取感兴趣部位生成几何模型,用有限元方法进行正常状态下眼眶骨壁应力分析。基于正常人眼眶骨重建模型,在计算机中模拟人眼眶受正面和侧面拳击撞击后眼眶骨壁应力状态,并提取数据对眼眶骨折的行为模式进行分析。结果:通过新西兰兔颅骨CT重建的探索,熟悉掌握精确重建三维图像的路径。在正常人眼眶模型中,不考虑眼眶骨壁厚度、密度、周边其他组织支撑的前提下,单纯研究眼眶骨形态结构的生物力学特性,我们发现在静态不受任何外力情况下,眶内侧壁应力值最高,眶下壁其次。而在拳击撞击时,无论力的方向来自正面或侧面,眶内侧壁应力值最大,眶下壁其次。即假设眼眶四个壁厚度、密度一致,除去周边组织影响的前提下,内侧壁最容易骨折。结论:通过计算机辅助手段能够较为精准地重建人眼眶骨性三维模型,为眼眶整复个性化提供技术支持。正常人眼眶骨在静态下有相对稳定的力学状态,眼眶骨受外力影响下发生骨折的行为模式解释了临床眼眶骨折特点,为更好地防治眼眶骨折提供理论指导。第二部分 基于力学性能的眼眶整复材料个性化设计研究目的:对眼眶植入材料模型进行不同实验条件下的力学仿真分析,为解决眼眶整复植入材料形态结构和力学性能个性化定制的难题提供技术支持。方法:应用计算机辅助手段优化眼眶骨折初始三维重建模型,以健侧眼眶形态结构为模板,结合患侧骨折状态,优化生成需要修补的植入材料初始模型。再将健侧眼眶应力数据作为约束条件,分别以常用的Medpor和HA两种材料为植入材料样本赋予参数,对获得的植入材料模型进行结构优化,确定植入材料所需的最优尺寸。结果:骨折眼眶的应力应变值都小于正常眼眶的应力应变值。植入修补模型仿真眼眶整复后患侧眼眶静态下应力应变值基本接近健侧眼眶;案例1单纯内侧壁骨折患者眼眶整复所需植入物修补面积为269.50mm2,其中所需Medpor材料厚度为1.13mm,HA材料厚度为1.44mm。案例2单纯下壁骨折患者眼眶整复所需植入物修补面积为270.26mm2,其中所需Medpor材料厚度为1.16mm,HA材料厚度为1.37mm。因是根据破损边缘定义设计,因而两种材料所需面积大小一致。而在缺损范围、形态和目标应力要求一致的情况下,眼眶整复所需HA材比Medpor材料厚。结论:眼眶骨折后生理形态的骨骼眼眶遭到破坏,失去力学平衡,眼眶更加脆弱。构建了一种以维持眼眶内力学稳定为指标的眼眶整复材料所需包括形态和尺寸的个性化设计方法,也为未来寻求更加适合眼眶整复理想材料的研发制备提供了新的设计视角。第三部分 用于个性化眼眶整复的钙-硅基生物活性陶瓷材料制备及性能研究目的:通过对透辉石掺铜并利用3D打印手段以期获得形态结构可定制、生物活性改良的生物陶瓷支架。方法:本研究利用溶胶-凝胶法合成透辉石、白硅钙石粉体,并以同样方法按预定比例在透辉石中掺入预设摩尔百分比的铜离子。通过XRD和ICP检测陶瓷粉体的理化性能。利用3D打印技术将多种生物陶瓷粉体制备成目标设计的多孔支架。体外降解通过Tris浸泡实验分析多种生物陶瓷支架的无机离子释放特点。以白硅钙石为对照,通过细胞实验检测各组生物陶瓷的生物学活性。结果:本研究通过在透辉石中掺入微量铜离子获得可缓慢释放铜离子的改良透辉石生物陶瓷,并利用3D打印技术成功将生物陶瓷粉体制备成多孔支架。经过体外降解、细胞培养活性检测、细胞形态学观察等手段发现含微量铜离子的透辉石支架表现出较为理想的早期促进人脐静脉内皮细胞增殖的生物学活性,能与已知的快速降解释放镁、硅离子且促进成骨效应和血管生长的白硅钙石媲美。结论:通过本研究,我们利用3D打印手段构建了一种制备陶瓷支架新方案,解决了传统生物陶瓷不易塑形的难题。另外通过在力学性能可靠、生物稳定性良好的含镁钙-硅基生物陶瓷透辉石中掺入微量铜元素以期改良传统透辉石的生物学活性,为探索性能更加优良的植入材料提供了新的思路。