[发明专利]一种基于维诺图的类骨支架结构及其设计和制备方法

说明书

本发明提供一种基于维诺图的类骨支架结构及其设计和制备方法，包括以下步骤：创建三维空间，放置N个随机离散点，提取各随机点坐标值；转换坐标值为0～1内唯一对应的特征值，利用贝塞尔曲线控制特征值在0～1区间内梯度分布，约束离散点呈现梯度分布；特征值转换为实际坐标值，重建离散点空间坐标，生成维诺子空间；炸开子空间，设定缩放因子具体选定标志点，标志点形成标志面；关联选定的标志面，重建子空间新边界，包夹生成初始多面体支架；细分支架的网格表皮，柔化支架的表面和结节；本发明利用维诺图设计类骨支架，通过对离散点添加分布约束，实现支架梯度分布，运用缩放因子控制支架的体积分数，柔化表面和结节，切实模拟骨小梁的自然结构。

技术领域

本发明属于计算机辅助设计、3D打印、生物支架领域，尤其涉及一种基于维诺图的类骨支架结构及其设计和制备方法。

背景技术

维诺图(Voronoi Diagram)是利用在有限空间中随机分布的离散点，以多边形或多面体向外生长以恒定的速率膨胀以填充空间，当相邻的多边形或多面体相互碰撞时，生长结束，在二维空间中生成由直线组成的边界，在三维空间中，这些边界则为平面。从而分割一个整体，使其分割成多个形态各异的子面积或子空间。维诺图在环境地图、电子网络等角度都有所应用。

轻量化支架在航天、建筑、医疗等多个领域均是应用热点。轻量化支架的设计目标是通过结构分布的设计与优化，在减少材料使用和减轻重量的同时试图提高力学性能。对于生物支架，另需考虑支架内部支架分布情况，关系到成骨细胞的附着与长入。由于维诺图中边界的交织和结节情形与骨骼中骨小梁的相似度高，故三维维诺图在类骨支架的设计与制造上有较好的适用性。而骨小梁的密度分布实则具有梯度分布的特征，将无序不规则分割的维诺图应用于类骨支架的设计制造时，需要进行进一步优化调整，且现有技术暂未发现通过约束维诺图中离散点分布以设计制造梯度类骨支架结构的方法。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于维诺图的类骨支架结构及其设计和制备方法，利用维诺图设计类骨支架，运用约束离散点分布的思路控制梯度分布，通过对离散点添加分布约束，实现支架由芯向壳的可调控梯度分布，运用缩放因子的思路控制支架的体积分数，运用细分曲面的思路柔化表面和结节，切实模拟骨小梁的自然结构，充分体现维诺图在仿生支架设计上的优势。

本发明的技术方案是：一种基于维诺图的类骨支架结构设计方法，包括以下步骤：

S1：创建三维空间，放置N个随机离散点，提取各随机点坐标值(X_n,Y_n,Z_n)，n＝1,2…,N-1,N；

S2：转换坐标值为0～1内唯一对应的特征值，利用贝塞尔曲线控制特征值在0～1区间内梯度分布，约束离散点呈现梯度分布；

S3：特征值转换为实际坐标值，重建离散点空间坐标，接入Voronoi3D计算器，分割原空间生成维诺子空间；

S4：炸开子空间，提取各子空间的边界线，在边界线上自动捕捉均等距离的多份标志点，设定缩放因子具体选定标志点，标志点形成标志面；

S5：关联选定的标志面，重建子空间新边界，包夹生成初始多面体支架，调整缩放因子能够控制支架整体的体积分数；

S6：细分支架的网格表皮，柔化支架的表面和结节。

上述方案中，所述S1具体为：创建三维空间，在空间中随机放置离散点，设置离散点数量N和种子数S，提取所有离散点的坐标值(X_n,Y_n,Z_n)，n＝1,2…,N-1,N。