[發(fā)明專利]仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法

有效

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• 申請日: 2010-09-21
• 公開（公告）號: CN102024076A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發(fā)明（設計）人: 尤飛;胡慶夕;姚遠;溫婷
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發(fā)明涉及到骨組織工程領域的一種仿生骨支架的建模方法，特別是仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法。

背景技術

在骨組織工程研究領域中，成骨細胞與仿生骨支架的復合體在體外的共同培養(yǎng)，是構建組織工程化骨的起始和關鍵，也是目前國內外研究的熱點。從骨組織工程角度來說，仿生骨支架起到了骨細胞外基質的作用，是對骨細胞外基質結構和功能的仿生。仿生骨支架是一種由非均質多微孔連通的三維支架結構，它創(chuàng)造一種有利于骨細胞的粘附、生長、增殖和功能發(fā)揮的微環(huán)境。醫(yī)學研究表明，要使仿生骨支架具有生物活性，它必須是具備合適的孔隙率和多孔貫通的空間網(wǎng)狀結構，以利于組織液的滲透、骨細胞和血管的生長。因此，仿生骨支架模型應該滿足以下的要求：

(1)具有很大的表面積，以利于細胞的黏附、增殖和分化，以及生長因子等生物信號分子的負載；

(2)具有合適的孔尺寸、高的孔隙率，既要保持一定的力學性能，又要為細胞、血管等組織的生長提供合理的空間；

(3)微觀孔呈多樣性，以利于骨單位的形成，且滿足不同組織生長的需要；

(4)微觀孔分布相對均勻，且相互導通，以利于細胞生長、營養(yǎng)物質和代謝產物的流動。

關于仿生骨支架內部微觀孔結構的建模，國內外已經(jīng)報道了一些相關的研究成果。S.J.Hollister等提出了基于自組織和拓撲優(yōu)化的均勻化理論來構建骨支架的微觀孔結構，以解決支架的力學性能和孔隙率之間的沖突；楊楠和饒高等提出了采用蒙特卡洛法來構建骨支架的微觀孔結構，該方法先采用蒙特卡洛法生成骨支架微觀孔結構的二維模型，然后通過拉伸和疊加構建其的三維模型；吳懋亮和李莉敏等提出了采用CAD方法來構建骨支架的微觀孔結構，該方法通過單元模型的規(guī)則空間組合構建微觀孔結構的負型，采用布爾運算獲得骨支架微觀孔結構的三維模型；劉豐等提出了材料點單元堆積造型方法來構建骨支架的微觀孔結構，以建立具有材料梯度和結構梯度的仿生骨支架模型。以上這些建模方法均可以生成仿生骨支架的微觀孔結構，但是仍然存在以下的問題：

(1)內部微觀孔形狀比較單一，微觀孔分布比較規(guī)則，不利于骨細胞的黏附和增殖；

(2)有些建模算法比較復雜，人工干預較多，建模效率相對較低；

(3)特別是采用蒙特卡洛法構建的支架模型，層與層之間容易產生盲孔，微觀孔的連通性比較差。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供一種仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法。在保證仿生骨支架具有較高的孔隙率和表面積的情況下，改善其內部微觀孔形狀單一、分布不均勻的情況，增大其內部連通孔道的扭曲度，從而提高仿生骨支架模型的性能，使其具有較強的生物活性。

為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用下述的技術方案。一種仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法，其特征在于建模步驟如下：

第一步：計算仿生骨支架模型的最小包容盒

輸入仿生骨支架的實體模型，基于OBB原理計算支架的最小包容盒，作為微觀孔結構負模型的空間約束邊界。

第二步：構建支架微觀孔結構的單元體模型

如圖1所示，通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，人體骨骼內部的微觀孔是不規(guī)則的分形體，這些微觀孔的表面積和體積之比更接近于橢球體。因此，選擇橢球體作為負模型的單元體，其模型定義為一個八元組：

ELL＝(a，β，x_c，y_c，z_c，θ_x，θ_y，θ_z)????(1)

式中，ELL表示橢球單元體模型，α是橢球體的長軸參數(shù)，β是長短軸比例因子，(x_c，y_c，z_c)是橢球體中心坐標，(θ_x，θ_y，θ_z)是長軸與三個坐標平面的夾角。

第三步：構建支架微觀孔結構的負模型

根據(jù)多約束背包問題模型來構建支架微觀孔結構的負模型，以支架的最小包容盒約束空間作為“背包”，橢球單元體作為“物品”，不斷地“填充”支架的約束空間，直到所有單元體構成的實體模型滿足孔隙率、連通性等約束條件為止。單元體在約束空間中無序均勻地排列，就構成了內部微觀孔結構的負模型，該模型描述了仿生骨支架內部微觀孔的個體特征和空間排列特征。支架內部微觀孔結構負模型的數(shù)學描述如下：