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3D打印Ti6Al4V-4Cu合金材料的制备及其成骨性能研究

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3D打印Ti6Al4V-4Cu合金材料的制备及其成骨性能研究

作者：张臣科中国人民解放军陆军军医大学

学位级别：硕士

研究背景骨缺损通常由外伤、肿瘤切除等引起,在骨科中较为常见,其治疗方法通常包括自体骨、异体骨移植及生物材料替代等,它们为骨组织提供了机械支撑,填补了缺损的骨组织,并为新骨的生成搭建了桥梁。自体及异体骨虽然在促进骨缺损的修... 详细信息

研究背景骨缺损通常由外伤、肿瘤切除等引起,在骨科中较为常见,其治疗方法通常包括自体骨、异体骨移植及生物材料替代等,它们为骨组织提供了机械支撑,填补了缺损的骨组织,并为新骨的生成搭建了桥梁。自体及异体骨虽然在促进骨缺损的修复方面具有较大的优势,但是其来源有限、且会增加疾病传播的风险。这也就凸显了生物材料在应用中的优势,同时促进了生物材料的开发与应用,其中Ti6Al4V合金材料,是应用较为广泛的医用钛合金材料,它具有良好的机械及抗腐蚀性能,然而它的生物活性较差,在成骨性能上表现一般,这也就导致Ti6Al4V合金材料植入后与骨的结合不够牢固,容易发生植入物松动,失败率较高。铜（Cu）作为体内一种必须微量元素,对于许多代谢反应是必不可少的,并且,它对骨的发育及血管的生成具有重要作用。于是,近年来,关于铜在Ti6Al4V合金改性中的研究越来越多,研究多集中在含铜涂层的制备及含铜钛合金的铸造,但涂层存在结合度不够,容易脱落等问题,而铸造有需模具,制备太过繁琐,且不能根据临床需求实现个性化定制,限制了材料的进一步应用,近年来3D打印技术的发展,为这些问题的解决提供了突破口,3D打印技术不仅可以实现其将铜元素整合进Ti6Al4V合金材料中,还能实现个性化、精确化制备,且目前关于3D打印的方式将铜与Ti6Al4V合金整合的研究较为少见,因此本研究决定使用3D打印的方式制造Ti6Al4V-4Cu合金材料,考虑到选择性激光熔融（SLM）技术在金属3D打印中的优势,我们决定使用SLM技术进行制备。因此本课题将通过SLM技术制备3D打印的Ti6Al4V材料（对照组）,3D打印的Ti6Al4V-4Cu合金材料（实验组）,并对其生物相容性及成骨性能进行评价,以期望为骨植入材料的开发提供一种新的策略。方法1.3D打印Ti6Al4V-4Cu合金材料的制备及生物相容性评价1.1通过选择性激光熔融（SLM）技术制备Ti6Al4V-4Cu合金材料,并通过电镜及X射线能谱分析对Ti6Al4V-4Cu合金材料进行表征,同时打印Ti6Al4V合金材料,作为本研究的对照组;1.2制备Ti6Al4V-4Cu合金材料浸提液,通过CCK8实验检测其对小鼠BMSCs及小鼠RAW264.7细胞增殖的影响;1.3通过CCK8实验及流式细胞分析,检测Ti6Al4V-4Cu合金材料对小鼠BMSCs及人***926细胞增殖和凋亡的影响;1.4通过共聚焦显微镜检测Ti6Al4V-4Cu合金材料上小鼠BMSCs的粘附情况,通过划痕实验检测Ti6Al4V-4Cu合金材料浸提液对小鼠BMSCs迁移的影响。2.3D打印Ti6Al4V-4Cu合金材料对骨免疫调节的研究2.1通过RT-PCR实验检测Ti6Al4V-4Cu合金材料浸提液对小鼠BMSCs成骨相关基因ALPL、COL-1、Runx-2、OPN、OPG表达的影响;2.2通过RT-PCR实验检测Ti6Al4V-4Cu合金材料浸提液对小鼠RAW264.7细胞炎症相关基因i NOS、IL-4相关基因的影响;2.3通过ELISA实验检测Ti6Al4V-4Cu合金材料浸提液对小鼠RAW264.7细胞分泌的BMP-2及VEGF-a因子的影响;2.4利用Ti6Al4V-4Cu合金材料浸提液与小鼠RAW264.7细胞培养后的上清液制备成骨条件培养基,与小鼠BMSCs共培养,然后通过RT-PCR实验检测成骨相关基因ALPL、COL-1、Runx-2、OPN、OPG的表达情况。3.3D打印Ti6Al4V-4Cu合金材料对成骨及成血管的影响及其机制研究3.1通过RT-PCR实验检测Ti6Al4V-4Cu合金材料对小鼠BMSCs成骨相关基因ALPL、COL-1、Runx-2、OCN、OPN、OPG表达的影响;3.2通过WB实验检测Ti6Al4V-4Cu合金材料对小鼠BMSCs成骨相关蛋白COL-1、BSPII、OPG、OCN表达的影响,同时用试剂盒检测ALPL的表达量;3.3通过免疫荧光检测Ti6Al4V-4Cu合金表面小鼠BMSCs细胞中COL-1的表达情况;3.4通过茜素红染色检测Ti6Al4V-4Cu合金材料对骨矿化的影响;3.5通过RT-PCR实验检测Ti6Al4V-4Cu合金材料对人***926细胞成血管相关基因Ang-1、CD31、v WF、VEGF-a、VEGF-R2表达的影响;3.6通过WB实验检测Ti6Al4V-4Cu合金材料对人***926细胞成血管相关蛋白v WF、Ang-1、CD31表达的影响;3.7通过免疫荧光检测Ti6Al4V-4Cu合金表面人***926细胞VEGF-R2的表达情况;3.8通过WB实验检测Ti6Al4V-4Cu合金材料表面小鼠BMSCs及人***926细胞中HIF-1α/VEGF-a通路的表达情况。4.3

关键词： 3D打印选择性激光熔融骨缺损铜 Ti6Al4V-4Cu 免疫调节成骨成血管 HIF-1α 骨整合

选区激光熔化成形极小曲面点阵的结构和性能优化

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中国激光 2023年第12期50卷 214-227页

作者：刘飞唐艺川谢海琼张臣科陈俊杰重庆邮电大学先进制造工程学院重庆400065 陆军军医大学第一附属医院运动医学中心重庆400037

随着激光增材制造技术的快速发展,具有轻质高强和性能可控的点阵结构成为航空航天、骨科医疗等领域的研究热点。三周期极小曲面(TPMS)点阵结构的平均曲率为零,具有消除应力集中和提高结构强度的优点,是轻量化多功能结构材料的理想候选... 详细信息

随着激光增材制造技术的快速发展,具有轻质高强和性能可控的点阵结构成为航空航天、骨科医疗等领域的研究热点。三周期极小曲面(TPMS)点阵结构的平均曲率为零,具有消除应力集中和提高结构强度的优点,是轻量化多功能结构材料的理想候选者。本团队采用一种新的曲面偏移方法设计了金刚石(Diamond)、初始晶格(Primitive)、螺旋二十四面体(Gyroid)和体心立方(I-WP)4种TPMS点阵结构,并采用选区激光熔化(SLM)完成了Ti-6Al-4V样件的制备,同时建立了基于Johnson-Cook的有限元仿真模型。点阵结构的仿真结果在受载进程的线性增长、应力降、应力平台各阶段均还原了实验过程,证明了有限元仿真模型的良好预测性,揭示了优化点阵结构在压缩过程中表现出的逐层坍塌的变形行为和连续塑性断裂模式。得益于曲面偏移设计产生的截面系数增加,4种TPMS点阵结构的压缩性能和能量吸收都获得了较大提升,其中I-WP点阵结构的强度提升了244.9%,能量吸收提升了312.7%。

关键词：激光技术点阵结构选区激光熔化三周期极小曲面有限元仿真变形行为

个性化三维打印距骨假体治疗塌陷性距骨坏死的早期临床效果分析

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中华外科杂志 2021年第6期59卷 470-476页

作者：杨钱冬陈万穆米多张臣科杨瑷宁陶旭谢美明唐康来陆军军医大学第一附属医院骨科运动医学中心重庆400038

目的探讨个性化三维打印距骨假体治疗塌陷性距骨坏死的早期临床效果。方法回顾性分析2016年3月至2019年8月陆军军医大学第一附属医院骨科运动医学中心收治的8例采用个性化三维打印距骨假体进行假体置换治疗的严重距骨塌陷性坏死患者的... 详细信息

目的探讨个性化三维打印距骨假体治疗塌陷性距骨坏死的早期临床效果。方法回顾性分析2016年3月至2019年8月陆军军医大学第一附属医院骨科运动医学中心收治的8例采用个性化三维打印距骨假体进行假体置换治疗的严重距骨塌陷性坏死患者的临床资料。患者均为男性,平均年龄38.0岁(范围:22~65岁)。左侧距骨塌陷5例,右侧3例,病程29.7周(范围:6~96周)。采集对侧健康距骨骨性CT数据进行镜像设计,采用电子束三维打印技术制备假体。距骨体部假体采用钛合金材料(Ti6Al4V),胫距关节距骨侧关节面假体采用钴铬钼合金材料(Co-Cr-Mo),并对距下关节面进行微孔处理。术前通过数字化三维有限元分析与实体对比,测量假体的解剖匹配性。手术采用踝正中长切口,完整取出塌陷坏死距骨,植入上述假体。患者术后3、6、12个月于门诊复查。收集患者手术前后的踝关节活动范围、影像学数据、疼痛视觉模拟评分和美国足踝外科学会(AOFAS)踝-后足评分及术后足底压力分布相关参数。多次测量资料的比较采用重复测量方差分析,两两比较采用配对样本t检验。结果所有患者的距骨假体解剖结构与对侧健康距骨完全一致,适配性良好,切口均Ⅰ期愈合,无手术相关并发症发生,术后随访23.2个月(范围:12~48个月)。患者术前踝关节背伸角度为(7.6±5.7)°,术后12个月时为(14.2±6.6)°(t=-2.67,P=0.03);术前踝关节跖屈角度为(22.0±9.9)°,术后12个月时为(29.2±8.7)°(t=-8.95,P<0.01)。术前疼痛视觉模拟评分为[M(QR)]3.0(0.8)分,术后3个月为2.5(1.0)分,术后6个月为1.5(1.0)分,术后12个月为1.0(1.0)分(F=20.00,P<0.01)。术前AOFAS踝-后足评分为(26.3±6.6)分,术后3个月为(70.1±2.2)分,术后6个月为(76.0±3.4)分,术后12个月为(79.3±4.2)(F=56.81,P<0.01)。末次随访时,患者影像学检查均示假体位置稳定,无下沉迹象,无需行二期踝关节融合或翻修术,距骨高度为(34.6±3.5)mm,与术前高度(27.6±6.0)mm的差异有统计学意义(t=2.94,P=0.02);健侧足底压力为(350.6±29.6)N,最大压力为(629.9±26.1)N、患侧的足底压力为(212.3±9.7)N,最大压力为(521.4±14.4)N;健侧前、后足负荷分别为(38.1±2.8)%、(24.6±2.5)%,患侧分别为(11.5±2.0)%、(21.1±1.8)%。结论个性化三维打印距骨假体能恢复正常距骨的解剖以恢复踝关节的活动功能,减轻患者疼痛及提高患者生活质量,早期临床疗效较好,对于足底压力的影响主要在于健侧负重增加和患侧重心后移。

关键词：距骨假体和植入物足底压力分析成像,三维

3D打印Ti6Al4V-4Cu合金通过骨免疫调节促进成骨基因的表达

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中国修复重建外科杂志 2020年第9期34卷 1170-1176页

作者：张臣科卢衍锦郭宇鹏陈万唐红李怀胜唐康来何清义中国人民解放军陆军军医大学第一附属医院骨科重庆400038 中国人民解放军陆军军医大学第一附属医院骨科运动医学中心重庆400038 中国科学院福建物质结构研究所福州350002

目的探究3D打印Ti6Al4V-4Cu合金对小鼠BMSCs及小鼠单核巨噬细胞系RAW264.7炎症及成骨基因表达的影响。方法通过选择性激光熔融技术制备Ti6Al4V与Ti6Al4V-4Cu合金,依据医疗器械生物学评价标准制备两种材料浸提液。通过细胞计数试剂盒8法... 详细信息

目的探究3D打印Ti6Al4V-4Cu合金对小鼠BMSCs及小鼠单核巨噬细胞系RAW264.7炎症及成骨基因表达的影响。方法通过选择性激光熔融技术制备Ti6Al4V与Ti6Al4V-4Cu合金,依据医疗器械生物学评价标准制备两种材料浸提液。通过细胞计数试剂盒8法检测两种浸提液对小鼠BMSCs、小鼠RAW264.7细胞增殖的影响。两种浸提液与小鼠BMSCs共培养3 d后,通过实时荧光定量PCR法检测成骨相关基因Ⅰ型胶原(collagen typeⅠ,Col-Ⅰ)、ALP、Runx家族转录因子2(Runx family transcription factor 2,Runx-2)、骨保护素(osteoprotegerin,OPG)、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)mRNA的表达;与小鼠RAW264.7共培养1 d后,通过实时荧光定量PCR法检测炎症相关基因IL-4、一氧化氮合成酶2(nitric oxide synthase 2,iNOS)mRNA的表达,并收集两组上清液通过ELISA法检测其中VEGF-a、BMP-2的分泌量。将两组上清液制备成成骨条件培养基,与BMSCs共培养3 d,实时荧光定量PCR法检测成骨相关基因Col-Ⅰ、ALP、Runx-2、OPG、OPN mRNA的表达。结果与Ti6Al4V合金浸提液比较,Ti6Al4V-4Cu合金浸提液对BMSCs及小鼠RAW264.7细胞的增殖影响不明显;但是可促进BMSCs OPG mRNA的表达,减少小鼠RAW264.7细胞炎症相关基因iNOS mRNA的表达、促进抑炎因子IL-4 mRNA的表达,还可促进小鼠RAW264.7细胞分泌VEGF-a及BMP-2,而Ti6Al4V-4Cu成骨条件培养基又可促进BMSCs成骨相关基因Col-Ⅰ、ALP、Runx-2、OPG、OPN mRNA的表达,上述指标差异均有统计学意义(P<0.05)。结论 3D打印Ti6Al4V-4Cu合金通过释放铜离子,促进RAW264.7细胞分泌VEGF-a及BMP-2,从而通过骨免疫调节促进成骨发生,为金属假体的应用奠定了理论基础。

关键词： 3D打印技术 Ti6Al4V-4Cu合金成骨微环境骨免疫调节

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可调基片集成波导均衡器研究与实现

可调基片集成波导均衡器研究与实现

作者：张臣电子科技大学

学位级别：硕士

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基于显著信息约束的图像平滑算法研究

基于显著信息约束的图像平滑算法研究

作者：张臣重庆理工大学

学位级别：硕士

在大数据信息时代,自然图像往往蕴含着丰富的数据信息。然而,图像本身或在传输过程中往往会受到各种噪声或纹理的影响,导致图像模糊、特征细节丢失等问题,进而给后续的图像处理任务带来不便。因此,能够保留图像显著结构信息并滤除纹理... 详细信息

在大数据信息时代,自然图像往往蕴含着丰富的数据信息。然而,图像本身或在传输过程中往往会受到各种噪声或纹理的影响,导致图像模糊、特征细节丢失等问题,进而给后续的图像处理任务带来不便。因此,能够保留图像显著结构信息并滤除纹理及噪声的图像平滑技术显得尤为重要。然而,现有基于深度学习的图像平滑算法往往忽略了图像中纹理信息的多样性,且对图像边缘特征的利用效率不高,导致平滑效果不佳。此外,当前算法通常对输入图像直接进行处理,未能使网络学习到更高级的特征表示。同时,对于最终结果的约束过于单一固定,影响了模型的平滑效果和边缘保留能力。通过对基于深度学习的图像平滑算法的现有问题进行分析,本文的研究内容如下:针对现有方法对纹理变化处理不充分以及未能高效挖掘和利用图像边缘结构信息的问题,本文提出纹理强度自适应边缘一致性网络模型(TIAEC-Net)。为了提升纹理滤除效果,本文设计纹理自适应模块,该模块通过预测显著结构信息并应用注意力机制对特征进行筛选,更准确地捕捉纹理信息的变化。在平滑过程中,采用提取边缘信息并将其与输入图像、纹理特征进行特征融合的方法,以确保重要边缘结构不被过度平滑。同时,构建边缘一致性模块,通过分析输入图像和输出图像之间的边缘响应一致性关系,以增强模型的边缘保护能力。此外,还进一步采用弱结构增强方法,以增强图像中的边缘细节。经过实验验证,TIAEC-Net模型在保留图像显著边缘结构方面表现卓越,并且在公开数据集上优于当前大多数方法。为了克服现有方法未能发掘输入图像中更高级的语义特征内容,以及对平滑结果的约束过于单一固定的挑战,本文提出边缘一致性区域分片光滑网络模型(ECRPFNet)。在网络传入阶段,该模型充分挖掘输入图像的深层全局特征,使网络逐步学习到更丰富的特征表示,以更有效地捕获图像的结构信息和语义内容。此外,设计区域分片光滑约束策略,通过边缘响应特征的异同将图像划分为不同的区域,再利用不同区域不同范式的方法对平滑结果进行约束,以提高图像平滑质量并抑制边缘伪影的产生。最后,通过边缘一致性关系以及弱结构增强方法,增强模型的边缘保留能力。实验结果表明,ECRPF-Net模型在保留图像显著边缘结构方面表现出色,并且在公开数据集上优于现有的大多数方法。

关键词：高级语义特征图像平滑边缘一致性纹理多样性区域分片光滑

考虑灵活调节需求的容量市场出清模型与定价方法

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电力系统自动化 2024年第11期48卷 64-76页

作者：瞿颖肖云鹏张臣王秀丽西安交通大学电气工程学院陕西省西安市710049

新能源占比的提升使得电力系统对灵活调节资源的需求显著增加,而传统容量市场仅以保障负荷峰值时段的系统充裕度为目标,仍可能存在因灵活调节能力不足而导致电力供应短缺的情况。为此,提出考虑灵活调节需求的容量市场鲁棒优化出清模型... 详细信息

新能源占比的提升使得电力系统对灵活调节资源的需求显著增加,而传统容量市场仅以保障负荷峰值时段的系统充裕度为目标,仍可能存在因灵活调节能力不足而导致电力供应短缺的情况。为此,提出考虑灵活调节需求的容量市场鲁棒优化出清模型与定价方法,给出不同类型资源的结算规则,并验证所提出的容量市场机制能够满足社会效率、收支平衡、个体理性、激励相容等性质。最后,采用IEEE 118节点系统进行算例验证。结果表明,所提出的容量市场机制能够同时保障负荷峰值时段系统充裕度与灵活调节能力的充裕度,合理刻画灵活调节资源的容量价值,有效区分不同类型资源的有效容量贡献与引起灵活调节需求的责任,有助于引导新能源机组平抑出力不确定性波动,激励灵活性资源提供容量满足系统灵活调节需求。

关键词：容量市场电力系统灵活性定价机制鲁棒优化激励相容

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IS公司IT技术人员绩效考核优化研究

IS公司IT技术人员绩效考核优化研究

作者：张臣臣西安理工大学

学位级别：硕士

在知识经济疾驰前行的时代,IT企业之间核心竞争力的较量,归根结底是人才的较量。那些富有创新精神、高效能工作的员工,无疑是企业实现成本降低、效益提升的珍稀资产。因此,当前有非常多的企业极为重视人力资源的构建与发展。绩效考核作... 详细信息

在知识经济疾驰前行的时代,IT企业之间核心竞争力的较量,归根结底是人才的较量。那些富有创新精神、高效能工作的员工,无疑是企业实现成本降低、效益提升的珍稀资产。因此,当前有非常多的企业极为重视人力资源的构建与发展。绩效考核作为人力资源管理活动中必不可少的组成部分,是在事先确定好考核目标及标准的背景下,通过多种有效手段对各级员工的业绩进行科学合理、全面客观的系统性评价。良好的绩效考核有助于激发员工的工作积极性,进而增强其工作自主性,这对同时提升企业业绩和员工满意度有着重要现实意义。但要实现优质的绩效考核,必须以精确制定考核目标和标准为基础,辅以公正客观的评价与完善的反馈监督体系,同时还要把与员工保持畅通有效的沟通作为先决条件。本文聚焦IS公司IT技术人员绩效考核优化研究,使用文献分析法、调查问卷法等进行研究,通过深入调研和分析,本文发现IS公司在IT技术人员的绩效考核方面存在一系列亟待解决的问题,包括绩效考核方法公信力不足、绩效考核指标设置不完善、绩效沟通环节不到位、绩效考核结果运用不充分;在先前调研的基础上,本文进一步探究了问题的根因,IS公司绩效考核问题成因主要包括员工对绩效考核的认知不够深入、考核方法应用未能与时俱进、考核培训缺乏系统性规划,管理人员在绩效工作上效率不高、绩效力度不足与绩效奖金落实不到位等。为了应对上述这些挑战,本文制定了适用于IS公司IT技术人员绩效考核的优化策略,包括IT技术人员如何选型绩效考核方法,IT技术人员绩效考核怎样设计目标,IT技术人员绩效考核指标选择及权重确定;其中,本文从工作业绩、工作态度、工作能力三个维度设置了相应技术岗位的具体考核指标,并利用层次分析法对指标进行分析,得到权重情况。文章最后从组织架构、考核流程、评价沟通与反馈方式、绩效评价结果运用四个方面给出了优化方案落实措施。此外,为了确保优化方案的顺利实施,提高绩效考核的效果和效率,本文提出了涵盖绩效考核组织保障、方案培训保障、考核制度保障、文化氛围保障等多项具体保障措施。

关键词：绩效考核 IT技术人员 IS公司优化

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煤矿井下胶轮车运输管理与监控系统设计

中国机械 2024年第11期 35-38页

作者：张臣兖煤矿业工程有限公司综机安撤中心

煤矿井下胶轮车运输作为煤矿生产中不可或缺的一环，承担着运输大量物资与人员的任务。其管理与监控系统的设计对于提高安全性、效率，以及降低成本具有重要意义。随着信息技术的飞速发展，如何利用现代科技手段对井下胶轮车进行有效管... 详细信息

煤矿井下胶轮车运输作为煤矿生产中不可或缺的一环，承担着运输大量物资与人员的任务。其管理与监控系统的设计对于提高安全性、效率，以及降低成本具有重要意义。随着信息技术的飞速发展，如何利用现代科技手段对井下胶轮车进行有效管理和实时监控，成为提升煤矿生产安全性和经济效益的关键。本文设计了煤矿井下胶轮车运输管理与监控系统，首先明确了该系统设计的目标，然后详细阐述了系统的架构设计，并通过实验对系统进行测试，旨在为煤矿井下作业提供高效、准确的系统。

关键词：运输管理监控系统煤矿井下胶轮车关键技术