[發明專利]可控多孔骨組織工程支架的數學建模方法

在審

• 申請號: 202010687500.2
• 申請日: 2020-07-16
• 公開（公告）號: CN111899346A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 田華;張世強;趙云;劉喆;楊洋
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: G06T17/30
• 分類號: G06T17/30;G06F30/20;G06F113/10
• 代理公司: 天津企興智財知識產權代理有限公司 12226
• 代理人: 魏鳳巍

本發明提供了一種可控多孔骨組織工程支架的數學建模方法，包括以下步驟：在Matlab中，將P函數修改為P*函數；改變P*函數中變量c的值，得到不同形狀的可視化三維曲面；將不同參數c的點云數據轉化成片體數據；將不同參數c所對應的片體數據導入到逆向建模軟件Geomagic DesignX中，得到不同形狀的實體單元；在UG中建立正方體，使正方體與不同參數的實體單元中心重合，進行布爾相減運算得到三周期極小曲面的微孔單元結構；計算不同微孔單元的孔隙率得到參數c與孔隙率擬合方程；在UG中陣列處理實體微孔單元模型獲得無限多個微孔結構，與需替代骨的三維實體模型進行布爾運算。該建模方法可將誤差控制在最小范圍，且建模過程簡單方便快捷，易于操作。

技術領域

本發明屬于骨組織工程中多孔骨建模技術領域，尤其是涉及一種可控多孔骨組織工程支架的數學建模方法。

背景技術

組織工程是近20多年發展起來的一門交叉性學科，是一門以細胞生物學和材料科學相結合，進行體外或體內構建組織或器官的新興學科。

骨骼是組成脊椎動物內骨骼的堅硬器官，是構成人體結構的支架，起著支撐、運動和保護的作用。雖然骨骼在人體中起非常重要的功能，但是骨骼也是人體中非常脆弱的器官，隨著社會經濟的發展以及車輛的迅猛增長，由感染，意外受傷，骨癌變等原因導致的骨缺損，骨損傷病例數量迅速增加，一旦受損的骨組織超過30mm，就不能通過骨骼的生長而自行彌補，困擾著人類的健康，針對這些骨病最有效也是能根治的療法便是骨移植。

在組織工程的研究中，骨組織工程是其一重要分支。骨組織工程是指將分離的自體高濃度成骨細胞、骨髓基質干細胞或軟骨細胞，經體外培養擴增后種植于一種天然或人工合成的、具有良好生物相容性、可被人體逐步降解吸收的細胞支架或稱細胞外基質上，這種生物材料支架可為細胞提供生存的三維空間，有利于細胞獲得足夠的營養物質，進行氣體交換，排除廢料，使細胞在預制形態的三維支架上生長，然后將這種細胞雜化材料植入骨缺損部位，在生物材料逐步降解的同時，種植的骨細胞不斷增殖，從而達到修復骨組織缺損的目的。

骨組織工程支架作為骨組織再生的框架，其特性直接影響種子細胞的生存、遷移、增殖和代謝功能，影響生物活性因子、營養物質、代謝產物的運輸，對構建具有高活性的細胞/支架復合體系具有重要的作用，決定著骨組織工程修復缺損的效果。理想的骨組織工程支架一般具備以下幾個條件：

(1)生物相容性和表面活性：有利于細胞的黏附，對細胞無毒、無刺激，體內降解后的副產物不引起炎癥反應，為細胞的生長提供良好的微環境，能安全用于人體。此外，支架的表面性質，如粗糙度、親水性等也會影響細胞在支架上的增殖、分化以及細胞外基質的分泌；

(2)合適的孔徑和孔隙率：理想支架的孔徑要求與正常骨單位的大小相近(人骨單位的平均大小約為223μm)。研究表明，孔徑應該至少為100μm，以利于細胞存活所需的營養物和氧的擴散，然而，200-500μm范圍內的孔徑對于骨組織向內生長是最佳的。此外，在維持一定的外形和機械強度的前提下，通常要求骨組織工程支架的孔隙率應盡可能高，同時孔間孔隙連通，這樣有利于細胞和血管的生長，促進新骨向材料內部的長入；

(3)骨傳導性和骨誘導性：具有良好骨傳導性的材料可以引導細胞向支架內部生長，具有良好骨誘導性的支架植入體后有誘導骨髓間充質干細胞向成骨細胞分化并促進其增殖的潛能；

(4)機械強度和可塑性：支架在缺損部位起臨時力學支撐作用。在植入體內后的一定時間內，支架需要維持其三維結構，因此，支架和組織的力學性能的匹配相當關鍵；

(5)生物可降解性：組織形成過程中支架逐漸降解，并且降解速率與新組織再生的速率應一致。支架降解過快或過慢都會影響缺損組織修復的效果，如果支架降解過快，新生組織尚未來得及填充支架降解留下的空隙，容易導致支架的坍塌；如果支架降解過慢，則影響新生組織的構建和修復的速度。