[发明专利]仿生骨支架内部微观孔结构的建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及到骨组织工程领域的一种仿生骨支架的建模方法，特别是仿生骨支架内部微观孔结构的建模方法。

背景技术

在骨组织工程研究领域中，成骨细胞与仿生骨支架的复合体在体外的共同培养，是构建组织工程化骨的起始和关键，也是目前国内外研究的热点。从骨组织工程角度来说，仿生骨支架起到了骨细胞外基质的作用，是对骨细胞外基质结构和功能的仿生。仿生骨支架是一种由非均质多微孔连通的三维支架结构，它创造一种有利于骨细胞的粘附、生长、增殖和功能发挥的微环境。医学研究表明，要使仿生骨支架具有生物活性，它必须是具备合适的孔隙率和多孔贯通的空间网状结构，以利于组织液的渗透、骨细胞和血管的生长。因此，仿生骨支架模型应该满足以下的要求：

(1)具有很大的表面积，以利于细胞的黏附、增殖和分化，以及生长因子等生物信号分子的负载；

(2)具有合适的孔尺寸、高的孔隙率，既要保持一定的力学性能，又要为细胞、血管等组织的生长提供合理的空间；

(3)微观孔呈多样性，以利于骨单位的形成，且满足不同组织生长的需要；

(4)微观孔分布相对均匀，且相互导通，以利于细胞生长、营养物质和代谢产物的流动。

关于仿生骨支架内部微观孔结构的建模，国内外已经报道了一些相关的研究成果。S.J.Hollister等提出了基于自组织和拓扑优化的均匀化理论来构建骨支架的微观孔结构，以解决支架的力学性能和孔隙率之间的冲突；杨楠和饶高等提出了采用蒙特卡洛法来构建骨支架的微观孔结构，该方法先采用蒙特卡洛法生成骨支架微观孔结构的二维模型，然后通过拉伸和叠加构建其的三维模型；吴懋亮和李莉敏等提出了采用CAD方法来构建骨支架的微观孔结构，该方法通过单元模型的规则空间组合构建微观孔结构的负型，采用布尔运算获得骨支架微观孔结构的三维模型；刘丰等提出了材料点单元堆积造型方法来构建骨支架的微观孔结构，以建立具有材料梯度和结构梯度的仿生骨支架模型。以上这些建模方法均可以生成仿生骨支架的微观孔结构，但是仍然存在以下的问题：

(1)内部微观孔形状比较单一，微观孔分布比较规则，不利于骨细胞的黏附和增殖；

(2)有些建模算法比较复杂，人工干预较多，建模效率相对较低；

(3)特别是采用蒙特卡洛法构建的支架模型，层与层之间容易产生盲孔，微观孔的连通性比较差。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种仿生骨支架内部微观孔结构的建模方法。在保证仿生骨支架具有较高的孔隙率和表面积的情况下，改善其内部微观孔形状单一、分布不均匀的情况，增大其内部连通孔道的扭曲度，从而提高仿生骨支架模型的性能，使其具有较强的生物活性。

为了实现上述的目的，本发明采用下述的技术方案。一种仿生骨支架内部微观孔结构的建模方法，其特征在于建模步骤如下：

第一步：计算仿生骨支架模型的最小包容盒

输入仿生骨支架的实体模型，基于OBB原理计算支架的最小包容盒，作为微观孔结构负模型的空间约束边界。

第二步：构建支架微观孔结构的单元体模型

如图1所示，通过统计分析发现，人体骨骼内部的微观孔是不规则的分形体，这些微观孔的表面积和体积之比更接近于椭球体。因此，选择椭球体作为负模型的单元体，其模型定义为一个八元组：

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

式中，ELL表示椭球单元体模型，α是椭球体的长轴参数，β是长短轴比例因子，(x_c，y_c，z_c)是椭球体中心坐标，(θ_x，θ_y，θ_z)是长轴与三个坐标平面的夹角。

第三步：构建支架微观孔结构的负模型

根据多约束背包问题模型来构建支架微观孔结构的负模型，以支架的最小包容盒约束空间作为“背包”，椭球单元体作为“物品”，不断地“填充”支架的约束空间，直到所有单元体构成的实体模型满足孔隙率、连通性等约束条件为止。单元体在约束空间中无序均匀地排列，就构成了内部微观孔结构的负模型，该模型描述了仿生骨支架内部微观孔的个体特征和空间排列特征。支架内部微观孔结构负模型的数学描述如下：