[發明專利]基于T樣條實體的三周期極小曲面多孔支架設計方法

有效

• 申請號: 201710403988.X
• 申請日: 2017-06-01
• 公開（公告）號: CN107145682B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 傅建中;馮嘉煒;商策;林志偉;李斌
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/10
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了一種基于T樣條實體的三周期極小曲面多孔支架設計方法，包括輸入待處理的T樣條實體模型；將參數域均勻分割生成參數域網格；將參數域網格的每個頂點映射到歐式空間得到映射網格；根據三周期極小曲面臨界值、周期、組分控制點坐標，計算得到每個參數域網格頂點對應的三周期極小曲面隱函數表達式參數；利用移動立方體線性插值方法計算隱式曲面與映射網格的相交三角面片；最終將所有插值計算得到的三角面片以STL文件格式輸出保存。本發明利用T樣條實體控制點和基函數映射方法，實現了多孔支架的高自由度設計和快速生成，解決了傳統布爾運算方法費時且錯誤繁多的缺陷，特別適用于組織工程多孔支架設計。

技術領域

本發明涉及計算機輔助設計(Computer aided design，CAD)和組織工程技術領域，尤其是涉及一種基于T樣條實體的三周期極小曲面多孔支架設計方法。

背景技術

組織工程技術是一種再生醫學領域的熱門技術，醫學家在生長因子的幫助下將人體細胞培養在組織工程支架上，通過細胞的增殖分化生長成為具有特異功能的組織甚至器官，實現人體缺損部位的移植修復。其中，組織工程支架在細胞增殖分化過程中起到了至關重要的作用。作為細胞生長的支撐結構，支架應是表面光滑貫通無扭曲或尖銳棱角的多孔結構，便于細胞在支架上的附著和生長。此外，多孔支架還承擔著細胞生長過程中營養輸送以及廢棄物排除的重要功能，理想的支架應具有較高的孔隙率與比表面積，為細胞生長提供可靠的生物力學環境。

傳統組織工程支架一般通過靜電紡絲、熱致相分離、氣體發泡、纖維粘結等方法制造，但是這些方法制造的支架的孔結構貫通性、孔隙率、比表面積等性能都比較差，孔的形狀大小難以控制，給后續的細胞培養帶來了困難。隨著增材技術的快速發展，3D打印工藝給組織工程支架制造提供了新的可靠解決方案。3D打印技術制造此類組織工程支架多孔結構具有天然的優勢，基于層片疊加制造的原理，錯綜復雜的多孔結構都可以輕松地制造成型。

作為3D打印的數據輸入，組織工程支架計算機輔助設計吸引了國內外學者廣泛的關注，豐富多樣的多孔結構被設計出來用作支架，其中三周期極小曲面(Triply PeriodicMinimal Surfaces，TPMS)尤為引人注目。作為一種極小曲面，TPMS曲面上各點平均曲率均為零，表面平滑光順，在歐式空間三個方向上周期分布，孔與孔之間相互貫通。此外，通過修改TPMS隱函數表達式參數，可以實現多孔大小和形狀的精確控制，特別適合組織工程支架應用需求。

T樣條是CAD領域的最新幾何建模技術，是一種對傳統非均勻有理B樣條(NURBS)理論的推廣，在吸收了傳統方法優點的基礎上，解決了曲面拼接問題并減少了建模數據量。T樣條實體是T樣條曲面拓展到三維參數域空間的結果，外部控制點可用于設計模型表面外形，內部控制點可用于存儲模型內部材料信息或其他屬性信息。憑借自由的拓撲結構和優良的建模特性，T樣條有望成為下一個CAD模型標準。