[發明專利]一種基于遺傳算法的骨支架孔徑分布控制方法

有效

• 申請號: 201710096338.5
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106934116B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 王清輝;夏剛;徐志佳;李靜蓉
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

本發明公開了一種基于遺傳算法的骨支架孔徑分布控制方法，包括以下步驟：1.1采用等效孔徑建立孔徑與六面體網格體積之間的關系；1.2確定自然骨內的孔數量；1.3運用網格劃分算法對自然骨的表面輪廓模型進行六面體網格劃分，并控制六面體的網格數量與自然骨內孔數量相近，計算各組孔的數量；1.4使用遺傳算法，通過生成初始種群、計算個體適應值、選擇、交叉和變異操作實現自然骨模型內孔大小滿足測定的孔徑分布規律；1.5將TPMS孔單元映射到每一個六面體網格中，得到滿足孔徑分布的骨支架模型。本發明易于實現，孔隙模型的生成完全由程序控制，整個骨支架模型的孔隙率以及孔之間的連通能夠得到保證，有利于骨細胞生成和成熟分化。

技術領域

本發明涉及骨支架多孔結構建模技術領域，具體地說是，一種基于遺傳算法的骨支架孔徑分布控制方法。

背景技術

由于骨疾病、先天性畸形、骨創傷等原因，人類會產生大面積的骨缺損，因其很難通過自身愈合恢復，治療大面積骨缺損的唯一辦法就是通過骨移植進行修復。然而，當前采用自體骨、異體骨或人工替代材料修復骨缺損的方法都有各自的局限性，并不能從根本上解決問題。

近年來，隨著分子生物學研究的深入和組織工程學的迅速發展，應用生長因子和骨組織工程技術構建組織工程化骨移植材料、進行骨缺損的修復治療方法有望克服上述方法的局限性，因而逐漸成為領域熱點。其基本原理和方法是將體外培養擴增的正常組織細胞吸附于一種生物相容性良好并可被機體吸收的生物材料上形成復合物，將細胞-生物材料復合物植入機體組織、器官病損部位，細胞在生物材料逐漸被機體降解吸收的過程中形成新的具有形態和功能的相應組織、器官，達到修復創傷和重建功能的目的。

骨組織工程的核心是建立仿生骨支架。仿生支架必須能為新生的骨組織提供必要的力學支撐，同時為骨細胞的黏附、增殖提供合適的三維空間；而且，支架內部的微觀孔必須相互貫通，為骨細胞提供合適的營養通道，引導新的骨細胞生成和成熟分化。醫學研究證實，仿生支架與種子細胞復合體在體外培養的過程中，支架內部微觀孔結構的孔隙率和孔隙大小，對于引導骨組織的再生極其重要。如果孔隙太小，細胞的遷移將受到限制，導致在支架周圍形成細胞囊，這種情形將會限制營養物質的擴散和廢物的排出；反之，如果孔隙太大，骨支架中的機械性能等將難以滿足需求。因此，控制骨支架內部的孔徑大小及分布在骨支架的研制中具有重要的地位。

上海大學申請的專利(申請號201010584974)公開了一種基于孔隙網格模型的仿生骨支架設計方法，其主要內容為：使用Micro-CT和Mimics獲得人骨外形尺寸數據與內部微觀數據，根據孔隙網絡模型(PNM)原理，在UG NX軟件上生成PNM骨支架三維模型。文獻“基于形函數控制的組織工程骨架孔隙結構實體建模方法”(蔡升勇,習俊通,《機械工程學報》,2009：p.297-304)采用有限元中六面體單元對實體模型進行網格剖分；利用有限元中的八結點六面體形函數將參數域中的基本孔隙單元映射為空間域中各種不規則孔隙幾何單元，最后通過布爾運算得到骨組織支架模型。雖然這兩種方法可以設計出保證孔隙率和連通性的骨支架，但基礎孔單元依然為簡單的球體，對孔大小未進行有效的控制，設計出的骨支架模型并不能反映自然的孔隙結構。文獻“Porous scaffold design using the distancefield and triply periodic minimal surface models”(Yoo DJ,《Biomaterials》,2011:p.7741-7754)介紹了一種基于距離場和三周期極小化曲面(TPMS)的三維多孔支架設計方法。通過距離場算法在解剖模型中的布爾運算和基于TPMS單元庫的應用，可以很容易得到具有復雜內部結構和精確外輪廓的多孔支架模型，但該方法并未對孔徑分布進行有效控制。

發明內容

本發明的目的是解決現有技術中存在的問題，提供一種基于遺傳算法的骨支架孔徑分布控制方法。

本發明采用如下技術方案實現：

一種基于遺傳算法的骨支架孔徑分布控制方法，包括以下步驟：