[发明专利]基于B样条体的生物组织非均匀多孔支架的构建存储方法

说明书

本发明公开了基于B样条体的生物组织非均匀多孔支架的构建存储方法。输入B样条体模型，将其参数域进行网格离散，为每一个网格点设置一个标量值，选取三变量B样条函数进行迭代拟合，构建C值分布场C(u,v,w)；选取三周期极小曲面定义隐式曲面隐函数表达式并生成参数域多孔结构；将参数域多孔结构映射到B样条体内，生成非均匀多孔支架，判断支架是否满足实际需求，若不满足，对C值分布场进行局部修改重新生成非均匀多孔支架；以TDF文件格式保存并打印非均匀多孔支架模型。本发明利用C值分布场实现了对多孔结构孔隙率的精确控制以及孔隙率的局部调整，保证了支架模型在内部光滑连续及表面单元完整，同时TDF格式相比传统STL格式大幅降低了存储空间。

技术领域

本发明涉及一般的计算机辅助设计和组织工程技术，尤其涉及基于B样条体的生物组织非均匀多孔支架的构建存储方法。

背景技术

组织工程技术是一种医学生命科学领域的热门技术之一，标志着复制再生组织和器官时代的来临，为再生医学的崛起开辟了新的天地。随着细胞核分子生物学的深入研究，以及材料科学和生物技术的高速发展，医学家借助生长因子的帮助，将人体细胞培养在组织工程支架上，再移植体内用以修复或替代病损组织或器官，随着种子细胞的不断增值和分化，支架的生物材料不断被降解吸收，最终形成了与相应组织或器官形态和功能相一致的组织或器官，实现了修复或重建病损器官的目的，生物组织的多孔支架，例如骨组织支架、软骨组织支架，血管支架，肝脏组织支架等。

组织工程支架制造传统方法，如粒子洗出法、热致相分离法、发泡法，在支架结构的连通性、孔隙率、比表面积等方面表现的性能较差，且不能精确控制孔隙的形状与大小，支架几何形状也不能和受损组织或器官形态相吻合，严重限制了支架的设计。受益于增材制造技术的发展与普及，实现了对支架几何参数的精确控制，采用逐层累加的制造方式，实现了对任意复杂形状几何体的制造。

由于生物组织在本质上是非均质的复杂结构，所以多孔支架设计的研究工作大多集中在创建简单的多孔单元，在功能上等同于待修复组织的孔隙率等方面，其中三向周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surfaces(TPMS))以其连通性好、比表面积大、孔隙率易控制等优势，吸引了众多学者的广泛关注。TPMS是一种在空间维度上无限周期延伸的极小曲面，在曲面上的任意点处平均曲率值为零，相比于其他多孔结构，TPMS具有光滑、连通性好等优点，同时可通过控制TPMS隐函数表达式中的部分参数，实现对多孔模型的孔洞大小、形状、分布以及孔隙率的精确控制。

非均匀有理B样条曲线曲面是计算机辅助设计模型中曲线曲面的基本表示，B样条体是B样条曲面拓展到三维参数域空间的几何实体的表示，实现了对三维实体模型的精确表示。

为了克服在支架设计中，多孔单元几何形状的限制，研究者开始利用TPMS来设计骨组织支架，Rajagopalan和Robb首次提出利用P类型TPMS结构来设计组织支架(参见S.Rajagopalan and R.A.Robb.2006.Schwarz meets Schwann:design and fabricationof biomorphic tissue engineering scaffolds.Medical Image Analysis 10,5(2006),693–712.)，Melchels等通过使用K3DSurf软件生成了G和D类型的TPMS结构来设计支架，同时实现了在孔隙率和孔大小的梯度变化(参见F.P.Melchels,K.Bertoldi,R.Gabbrielli,A.H.Velders,J.Feijen,and D.W.Grijpma.2010.Mathematically defined tissueengineering scaffold architectures prepared by stereolithography.Biomaterials31,27(2010),6909–6916.)。