颅骨组织工程支架仿生设计方法技术

本发明专利技术公开了一种颅骨组织工程支架仿生设计方法，所述方法包括以下步骤：根据天然风干的颅骨显微CT数据进行三维重建，获取颅骨样本三维模型；对所述颅骨样本三维模型进行统计和分析，建立颅骨微孔结构参数化模型；通过所述颅骨微孔结构参数化模型进行颅骨支架仿生设计；生成仿生支架。本方法基于天然颅骨显微CT图像的测量，提出用空间架构网、腔体和连通管三个元素对支架进行仿生设计，所得到的内部微孔架构与天然颅骨的骨小梁十分相似，平均孔隙尺度约500～700μm，适合骨细胞生长和爬行的要求；此外，通过与缺损部位的补片模型进行相交运算得到的颅骨支架可与邻接部位相吻合；实现了孔隙之间的连通，更好的切合真实颅骨的骨结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及支架仿生设计，尤其涉及一种。
技术介绍
参见图1，由于损伤、肿瘤和先天性骨异常等疾病导致的颅骨缺损可引起颅内压改变、局限性脑积水、脑萎缩和癫痫等疾病，目前神经外科的临床治疗主要是施行颅骨修补术，主要有自体骨移植，异体或异种骨移植和异源骨替代材料移植三种方式。自体骨被认为是最理想的骨移植材料，然而自体骨的骨组织来源非常有限；异体或异种骨移植有传播病源的危险，并且可能产生排异反应；参见图2，异源骨替代材料，例如不锈钢网、钛网、硅橡胶板和高分子合成物等，只能起到部分的功能替代作用，不具有生物活性，植入体内无法与邻接骨自然弥合生长与降解。因此，修复方法虽然有多种，但各有局限性。、近年来，骨组织工程的研究为颅骨缺损修复开辟了新的途径，它通过研制具有生命活性的人工骨替代物，对损伤的骨组织进行修复或重建，从而维持或改善组织器官功能。该方法有望在将来彻底解决骨缺损修复问题。但在骨组织工程进入临床应用前，尚存在一些障碍，例如其三大组成部分(种子细胞、组织工程支架、体外细胞培养和体内整合)中制备性能良好的支架就是目前面临的关键问题之一。骨组织工程支架的研究近年来已取得了很大的进展，其研究对象主要针对肢体大段骨。肢体骨与柱状相似，通常把大段骨支架设计成圆柱形，而颅骨支架形状是大面积的薄壳型，两者结构有很大区别。理想的组织工程支架需要有合理的空间结构、孔隙率和连通性，并与天然骨结构相似，以利于骨细胞的生长和爬行。现有的颅骨支架目前主要利用材料本身的多孔性以及致孔工艺提高支架孔隙率和连通程度，并通过改变生物材料性能来提高材料活性和相容性。但是生物材料本身成型困难，内部孔腔的形态分布不能控制，连通性也难以保证。参见图3，也有学者通过CAD的方法生成各种规则的孔单元，例如正交型、放射型和蜂窝型等，虽然有较好的孔隙率，但无法很好的实现孔隙之间的连通，不利于细胞的长入和组织液的交换。
技术实现思路
本专利技术提供了一种，该方法较好地实现了孔隙之间的连通，更好的切合颅骨的结构，详见下文描述一种，所述方法包括以下步骤( I)根据天然风干的颅骨显微CT数据进行三维重建，获取颅骨样本三维模型；(2)对所述颅骨样本三维模型进行统计和分析，建立颅骨微孔结构参数化模型；(3)通过所述颅骨微孔结构参数化模型进行颅骨支架仿生设计；(4)生成颅骨仿生支架。所述根据天然风干的颅骨显微CT数据进行三维重建，获取颅骨样本三维模型具体为I)选取天然风干颅骨的额骨部位，从中切取预设尺寸的样本，通过显微CT测量系统得到若干帧显微CT图像；2)运用VGStudio MAX软件对所述若干帧显微CT图像进行三维重建，即可获得所述颅骨样本三维模型及其内部微孔结构。所述对所述颅骨样本三维模型进行统计和分析，建立颅骨微孔结构参数化模型具体为I)空间架构网的参数化模型首先对微孔结构模型中的全部腔体进行个数编号为i，并定义各腔体的质心为Pi、各连通腔体质心之间的距离为LOi ;空间架构网形态由结点空间V、结点连线数η、连线长度I、和连线角度α四个参数确定； 2)腔体的参数化模型用一个半径为R的球体和若干个变化向量q来表示腔体，q向量起始于基腔表面，终止于腔体表面，方向与基腔表面垂直，大小记为q ;3)连通管的参数化模型分为短连通管和长连通管，短连通管母线为弧线，由A、(I1 > β P β 2和rpl五个参数确定；长连通管母线由弧线和直线构成，由r2、r3、d2、β 3、β 4、rp3和I七个参数确定。这些参数可由连线长度I、半径R及连通管截面半径rp按照腔管装配关系计算获得，连通管截面半径rp通过对天然颅骨CT图像的测量分析获得。所述通过所述颅骨微孔结构参数化模型进行颅骨支架仿生设计具体为I)空间架构网仿生设计定义某一空间内的质心点数为k，每个质心点占据一个空间v，k个点之间互相连线，获得连线的个数η ;连线长度I ;连线之间的角度α ;且结点空间V、连线长度I、连线角度α和结点连线数η四个参数分别满足各自的阈值；2)基管与基腔仿生设计基腔基腔设计为球体，基腔半径R利用RAND函数随机生成，经过曲面拟合即可得到基腔曲面模型；基管基管为回转体，短基管母线有5个参数，长基管母线有7个参数，按照基腔与基管的配合关系由参数1、R和rp通过计算得到；rp根据CT的测量值利用RAND函数随机生成；3)腔管的装配、求交与协同变形；装配通过坐标变换即可把基腔随机装配到空间架构网中k个结点位置；基管随机装配到LOi个连线上；求交将基腔和基管相交所得的交线定义为相贯线，计算相贯线所在平面与连通管轴线的交点；以此交点为起点，以腔体点云中任意点为终点构建一个判别向量t，计算此判别向量t与连通管轴线向量I的夹角δ，当δ小于相贯面与连通管轴线向量夹角Y时，将该点删除，使基腔基管内没有冗余点，相交形成一个曲面光滑过渡的整体；协同变形采用Cao En曲面模型算法对腔管整体进行变形，即协同变形，使其结构逼近天然的骨组织形态。本专利技术提供的技术方案的有益效果是本方法基于天然颅骨显微CT图像的测量，提出用空间架构网、腔体和连通管三个元素对支架进行仿生设计，所得到的内部微孔架构与天然颅骨的骨小梁十分相似，平均孔隙尺度约500 700 μ m,适合骨细胞生长和爬行的要求；此外，通过与缺损部位的补片模型进行相交运算得到的颅骨支架可与邻接部位相吻合；实现了孔隙之间的连通，更好的切合颅骨的结构。附图说明图I为缺损颅骨三维模型示例；图2为快速原型技术加工出缺损颅骨树脂实物，并用异源材料一钛网替代缺损部位的示例；图3为现有技术的人工晶格单元库；图4为样本显微CT数据获取示例；其中图a是天然颅骨样本、图b是第246帧在xy方向的显微CT图像、图c第246巾贞在xz方向的显微CT图像；图5为样本的三维重建；其中图5a是三维重建结果、图5b是内部微孔结构；图6为是局部结构示意图(图5中的白色圆区域)； 图7为空间架构网的参数化定义；其中图7a是O号腔参数定义示意图、图7b是I 6号腔参数定义示意图、图7c是空间架构网参数模型；图8为腔体参数化数学模型；图9为母线参数化数学模型；其中，图9(a)和图9(b)分别为长、短连通管母线参数化数学模型；图10为设计的空间架构网结构；其中图IOa是17结点架构网结构、图IOb是64结点架构网结构；图11为设计的基管与基腔结构；其中图Ila是基腔结构、图Ilb长连通管结构、图Ilc是短连通管结构；图12为基腔与基管装配结果；图13为曲面求交方法示意图；图14为腔管协同变形结果；图15为尺寸约为20 X 20 X 2. 5mm3的微孔结构模型；图16为颅骨仿生支架模型；图17是本专利技术的与现有技术的效果对比图；其中图17a是天然颅骨样本的骨小梁结构、图17b是美国德莱克西大学设计的圆柱型单元支架、图17c是美国德莱克西大学设计的混合单元结构支架、图17d是美国凯斯西储大学设计的由平面和方柱装配形成的三层结构支架、图17e是上海大学设计的正交形圆柱孔单元支架、图17f是本专利技术的仿生支架；图18为缺损颅骨实施案例；其中图18a是额部缺损颅骨三维模型、图18b是厚度为2mm的修补片；图19为孔隙率分别为23%、32%、41%的实施例修补片支架模型；图20为骨组织工程支架仿生设计方法的流程图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种颅骨组织工程支架仿生设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）根据天然风干的颅骨显微CT数据进行三维重建，获取颅骨样本三维模型；（2）对所述颅骨样本三维模型进行统计和分析，建立颅骨微孔结构参数化模型；（3）通过所述颅骨微孔结构参数化模型进行颅骨支架仿生设计；（4）生成颅骨仿生支架。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑淑贤，李佳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：