CN103876862A - 骨支架成型系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种骨支架成型系统，其包括图像扫描单元、三维重建单元、三维模型建立单元、骨支架模型构建单元、分层处理单元和低温成型单元。该骨支架成型系统借助于医学影像技术，在骨支架成型前可针对患者骨损伤部位进行扫描成像，获得骨损伤部位的图像数据，再对获得的图像数据进行模块化处理，得到待修复的骨支架模型的分层数据，低温成型单元通过该分层数据利用成骨材料制备出与患者骨缺损部位大小和形态完全吻合的骨支架，从而于手术植入前已于病人体外制备好与植入部位相匹配的骨支架，有利于缩短植入时间，从而使植入材料与缺损部位结合紧密，促进骨生成。

Description

骨支架成型系统
技术领域
本发明涉及生物医学组织工程领域，尤其涉及一种骨支架成型系统。
背景技术
随着物理创伤、肿瘤疾病等导致的骨缺损病例的增多，具有良好生物相容性和稳定性的金属植入物（如纯钛或钛合金等）形成的多孔骨支架被广泛应用于临床中。但传统的组织工程多孔支架制备方法和技术中，往往更多地致力于致孔方法的选择和孔隙率的改变，而对支架外形的形成技术关注相对较少，缺乏个体匹配性。
发明内容
基于此，有必要个体匹配性较高的骨支架成型系统。
一种骨支架成型系统，包括：
图像扫描单元，对患者骨损伤部位进行扫描成像，获得图像数据，所述骨损伤部位包括骨缺损部位及所述骨缺损部位周边的骨剩余部位；
三维重建单元，读取所述图像数据，并对所述图像数据进行分割和三维重建，获得三维图像数据；
三维模型建立单元，根据所述三维图像数据中所述骨剩余部位与所述骨缺损部位的灰度值的差别建立所述骨缺损部位的三维模型；
骨支架模型构建单元，通过镜像法使完整骨外边缘与所述三维模型的骨缺损部位内边缘产生重合并沿着完整轮廓线切割进行分离，得到待修复的骨支架模型；
分层处理单元，对所述待修复的骨支架模型进行宏观结构优化和分层处理，得到分层数据；
低温成型单元，根据所述分层数据调控每一分层的厚度和形状以及骨支架成型制备过程中成骨材料的喷出参数，在-30℃~-20℃条件下，进行成骨材料的骨支架成型制备。
在其中一个实施例中，所述成骨材料为包括可生物降解聚合物、生物陶瓷和成骨活性物质的有机溶剂溶液，其中，所述可生物降解聚合物与所述生物陶瓷的质量比为1:1~5:1，所述生物陶瓷与所述成骨活性物质的质量比为1:1~3:1，所述可生物降解聚合物、所述生物陶瓷及所述成骨活性物质的质量之和与所述有机溶剂的质量比为1:1~1:4。
在其中一个实施例中，所述可生物降解聚合物为聚乙醇酸-乳酸共聚物、聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚磷腈或聚氨基酸。
在其中一个实施例中，所述生物陶瓷为磷酸三钙、羟基磷灰石、α-氧化铝或生物活性玻璃。
在其中一个实施例中，所述生物陶瓷的粒径为100~1000目。
在其中一个实施例中，所述成骨活性物质为淫羊藿苷。
在其中一个实施例中，所述有机溶剂为1,4-二氧六环、乙腈、环己烷、丙酮、乙二醇、环己酮或二氯甲烷。
在其中一个实施例中，所述喷出参数包括喷丝角度、间距和速度。
上述骨支架成型系统借助于医学影像技术，在骨支架成型前可针对患者骨损伤部位进行扫描成像，获得骨损伤部位的图像数据，再对获得的图像数据进行模块化处理，得到待修复的骨支架模型的分层数据，低温成型单元通过该分层数据利用成骨材料制备出与患者骨缺损部位大小和形态完全吻合的骨支架，从而于手术植入前已于病人体外制备好与植入部位相匹配的骨支架，有利于缩短植入时间，从而使植入材料与缺损部位结合紧密，促进骨生成。
此外，将生物可降解聚合物、生物陶瓷及成骨活性物质复合于同一材料中，在提高材料力学强度的同时，负载具有促成骨活性的成骨活性物质，从而该骨修复材料具有良好生物相容性、生物可降解性和适中的力学强度的优点，且成分之一的成骨活性物质能够在一定时期内在骨缺损部位持续促进骨生成，促进成骨细胞的增殖及分化，是骨生长的必要元素，添加成骨活性物质可以起到修复骨缺损的作用。
附图说明
图1为一实施方式的骨支架成型系统的模块示意图；
图2为实施例1制得的骨支架示意图。
具体实施方式
下面主要结合附图及具体实施例对骨支架成型系统作进一步详细的说明。
如图1所示，一实施方式的骨支架成型系统100包括图像扫描单元110、三维重建单元120、三维模型建立单元130、骨支架模型构建单元140、分层处理单元150和低温成型单元160。
图像扫描单元110用于对患者的骨损伤部位进行扫描成像，获得图像数据。其中，骨损伤部位包括骨缺损部位及骨缺损部位周边的骨剩余部位。在本实施方式中，图像扫描单元110为CT扫描仪。图像扫描单元110对患者进行CT扫描成像后获取二维断层CT图像数据。扫描过程中，片层应该尽量薄，扫描间距控制在0.5-1.5mm之间。
三维重建单元120读取图像扫描单元110获得的图像数据并对该图像数据进行分割和三维重建，得到三维图像数据。图像扫描单元110扫描得到的是二维图像，必须进行三维重建，得到关于骨损伤部位的三维图像图像。在本实施方式中，三维重建单元120可通过3D图像处理软件（如Mimics）实现，具体是先选定定位区域，待方位确定后导入图像扫描单元110的图像数据进行合成图像，最终得到三维图像数据。
三维模型建立单元130根据三维图像数据中骨剩余部位与骨缺损部位的灰度值的差别建立骨缺损部位的三维模型。可以采用阈值法，通过调节阈值提取骨缺损部位的三维模型。不同部位扫描获取的CT图像的阈值灰度级是不同的，可以以模型边缘轮廓略超出骨缺损部位边缘为准，设定骨像素点最大灰度级，如对于股骨，可以提取股骨远端的灰度级阈值范围为769~1023；对于胫骨，可以提取胫骨近端的灰度级阈值范围为567~2014。
骨支架模型构建单元140通过镜像法使完整骨外边缘与三维模型的骨缺损部位内边缘产生重合并沿着完整轮廓线切割进行分离，得到待修复的骨支架模型。
三维模型获取及待修复的骨支架模型的获取均可在3D图像处理软件中实现，如Mimics软件。
分层处理单元150对待修复的骨支架模型进行宏观结构优化和分层处理，得到分层数据。宏观结构优化和分层处理可以用SolidWorks软件实现。其中宏观结构优化是对模型进行变形（旋转，平移，镜像等），填充，轮廓添加等操作。分层处理包括三个部分，分别为分层，路径和支撑；分层部分有四个参数：分别为层片厚度，起始和终止高度。层厚为单层的厚度值。起点为开始分层的高度，一般设置为5；终点为分层结束的高度，一般为骨支架模型的最高点。
低温成型单元160根据分层数据设定的层厚及起始、终止高度值，设置成骨材料的参数集（轮廓线宽，扫描次数，填充线宽，填充间隔，填充角度，填充偏置，水平角度，支撑角度，支撑线宽，支撑间隔等）在-30℃~-20℃条件下，进行成骨材料的骨支架成型制备。低温成型单元160为一低温快速成型仪(清华大学，Tissue-Ⅱ)，将分层处理单元150处理得到的分层数据导入低温快速成型仪中，通过仪器再带的控制软件确定制备过程中每一个分层的厚度及形态，以及制备过程中的成型仪的喷丝角度、间距及速度等参数，可调控成型的骨支架的孔形状、孔径、孔连通率等数据，制备出所需的个性化修复体材料，再将制备的修复体材料导入冷冻干燥机中进行冷冻处理，相分离最终得到多孔、高孔隙率的且与患者骨缺损部位大小和形态完全吻合的骨支架。骨支架的空间连通率可达到100%。
在本实施方式中，成骨材料为包括可生物降解聚合物、生物陶瓷和成骨活性物质的有机溶剂溶液。其中，可生物降解聚合物与生物陶瓷的质量比可在1:1~5:1之间，优选为4:1。生物陶瓷与成骨活性物质的质量比可在1:1~3:1之间，优选为2:1。可生物降解聚合物、生物陶瓷及成骨活性物质的质量之和与有机溶剂的质量比为1:1~1:4。
进一步，在本实施方式中，可生物降解聚合物可以为聚乙醇酸-乳酸共聚物、聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚磷腈或聚氨基酸等生物降解性能优良的聚合物材料。生物陶瓷可以为粒径在100~1000目之间的磷酸三钙、羟基磷灰石、硫酸钙、α-氧化铝或生物活性玻璃等。成骨活性物质为淫羊藿苷。有机溶剂为1,4-二氧六环、乙腈、环己烷、丙酮、乙二醇、环己酮或二氯甲烷。
上述骨支架成型系统借助于医学影像技术，在骨支架成型前可针对患者骨损伤部位进行扫描成像，获得骨损伤部位的图像数据，再对获得的图像数据进行模块化处理，得到待修复的骨支架模型的分层数据，低温成型单元通过该分层数据利用成骨材料制备出与患者骨缺损部位大小和形态完全吻合的骨支架，从而于手术植入前已于病人体外制备好与植入部位相匹配的骨支架，有利于缩短植入时间，从而使植入材料与缺损部位结合紧密，促进骨生成。
此外，将生物可降解聚合物、生物陶瓷及成骨活性物质复合于同一材料中，在提高材料力学强度的同时，负载具有促成骨活性的成骨活性物质，从而该骨修复材料具有良好生物相容性、生物可降解性和适中的力学强度的优点，且成分之一的成骨活性物质能够在一定时期内在骨缺损部位持续促进骨生成，促进成骨细胞的增殖及分化，是骨生长的必要元素，添加成骨活性物质可以起到促进修复骨缺损的作用。
以下为具体实施例部分：
实施例1
1．通过对患者骨股头坏死部位进行CT扫描，扫描间距为0.70mm,获取二维CT图像数据，以dicom格式储存于U盘介质上；用Mimics软件对数据进行读取、分割和三维重建；提取股骨远端的灰度级阈值范围为769-1023。三维缺损部位模型建立后，通过软件镜像功能和透明功能沿重合后的边缘轮廓线切割分离，提取出三维修复体模型，生成STL格式文件。
2.用Solidworks软件读取上述文件，进行修复体模型的宏观结构优化和分层处理，以CLI格式输出文件。
3.配制材料溶液：按质量百分比，称取20g聚乙醇酸-乳酸共聚物、5g份研细的羟基磷灰石，5g淫羊藿苷，将以上混合物置于烧瓶中，加入100mL1,4-二氧六环于室温下溶解，搅拌均匀，备用。
4.将上述匀相溶液倒入低温快速成型机的溶液储存皿中，导入步骤2中所述CLI格式文件，设置设备喷嘴溶液喷射量为1.0,X,Y轴运行速度为40mm/s，待成型室温度降至-25℃左右，进行材料的成型制备。
5.最终制备出孔径为300μm，孔连通率为90%的股骨头状修复体支架。
6.将成型后的修复体支架材料模型置于冷冻干燥机内，冷冻干燥12h后成型，如图2所示。
实施例2
1．通过对患者骨缺损部位进行CT扫描，扫描间距为0.75mm,获取二维CT图像数据，以dicom格式储存于U盘介质上；用Mimics软件对数据进行读取、分割和三维重建；提取胫骨近端的灰度级阈值范围为567-2014。三维缺损部位模型建立后，通过软件镜像功能和透明功能沿重合后的边缘轮廓线切割分离，提取出三维修复体模型，生成STL格式文件。
2.用Solidworks软件读取上述文件，进行修复体模型的宏观结构优化和分层处理，以CLI格式输出文件。
3.配制材料溶液：按质量百分比，称取20g聚乳酸、10g研细的硫酸钙，5g淫羊藿苷，将以上混合物置于烧瓶中，加入80mL1,4-二氧六环于室温下溶解，搅拌均匀，备用。
4.将上述匀相溶液倒入低温快速成型机的溶液储存皿中，导入步骤2中所述CLI格式文件，设置设备喷嘴溶液喷射量为1.5,X,Y轴运行速度为30mm/s，待成型室温度降至-25℃左右，进行材料的成型制备。
5.最终制备出孔径为350μm，孔连通率为95%的胫骨近端修复体支架。
6.将成型后的材料置于冷冻干燥机中，冷冻干燥24h后成型。
实施例3
1．通过对患者骨缺损部位进行CT扫描，扫描间距为0.65mm,获取二维CT图像数据，以dicom格式储存于U盘介质上；用Mimics软件对数据进行读取、分割和三维重建；提取胫骨近端的灰度级阈值范围为567-2014。三维缺损部位模型建立后，通过软件镜像功能和透明功能沿重合后的边缘轮廓线切割分离，提取出修复体模型，生成STL格式文件。
2.用Solidworks软件读取上述文件，进行修复体模型的宏观结构优化和分层处理，以CLI格式输出文件。
3.配制材料溶液：按质量百分比，称取20g聚乙醇酸，1份研细的磷酸三钙粉末，5g淫羊藿苷，将以上混合物置于烧瓶中，加入80mL1,4-二氧六环于室温下溶解，搅拌均匀，备用。
4.将上述匀相溶液倒入低温快速成型机的溶液储存皿中，导入步骤2中所述CLI格式文件，设置设备喷嘴溶液喷射量为3.0,X,Y轴运行速度为40mm/s，待成型室温度降至-25℃左右，进行材料的成型制备。
5.最终制备出孔径为400μm，孔连通率为90%的修复体支架。
6.将成型后的材料置于冷冻干燥机中，冷冻干燥48h后成型。
实施例4
1．通过对患者骨缺损部位进行CT扫描，扫描间距为0.65mm,获取二维CT图像数据，以dicom格式储存于U盘介质上；用Mimics软件对数据进行读取、分割和三维重建；提取尺骨近端的灰度级阈值范围228-2134。三维缺损部位模型建立后，通过软件镜像功能和透明功能沿重合后的边缘轮廓线切割分离，提取出修复体模型，生成STL格式文件。
2.用Solidworks软件读取上述文件，进行修复体模型的宏观结构优化和分层处理，以CLI格式输出文件。
3.配制材料溶液：按质量百分比，称取20g聚己内酯、5g份研细的羟基磷灰石，5g淫羊藿苷，将以上混合物置于烧瓶中，加入120mL1,4-二氧六环于室温下溶解，搅拌均匀过夜。
4.将上述匀相溶液倒入低温快速成型机的溶液储存皿中，导入步骤2中所述CLI格式文件，设置设备喷嘴溶液喷射量为4.0,X,Y轴运行速度为50mm/s，待成型室温度降至-25℃左右，进行材料的成型制备。
5.最终制备出孔径为350μm，孔连通率为98%的修复体支架。
6.将成型后的材料置于冷冻干燥机中，冷冻干燥24h后成型。
实施例5
1．通过对患者骨缺损部位进行CT扫描，扫描间距为0.85mm,获取二维CT图像数据，以dicom格式储存于U盘介质上；用Mimics软件对数据进行读取、分割和三维重建；提取尺骨近端的灰度级阈值范围228-2134。三维缺损部位模型建立后，通过软件镜像功能和透明功能沿重合后的边缘轮廓线切割分离，提取出修复体模型，生成STL格式文件。
2.用Solidworks软件读取上述文件，进行修复体模型的宏观结构优化和分层处理，以CLI格式输出文件。
3.配制材料溶液：按质量百分比，称取40g聚乙醇酸、10g研细的羟基磷灰石粉末，10g淫羊藿苷，将以上混合物置于烧瓶中，加入120mL1,4-二氧六环于室温下溶解，搅拌均匀，备用。
4.将上述匀相溶液倒入低温快速成型机的溶液储存皿中，导入步骤2中所述CLI格式文件，设置设备喷嘴溶液喷射量为6.0,X,Y轴运行速度为70mm/s，待成型室温度降至-25℃左右，进行材料的成型制备。5.最终制备出孔径为280μm，孔连通率为97%的修复体支架。
6.将成型后的材料置于冷冻干燥机中，冷冻干燥24h后成型。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种骨支架成型系统，其特征在于，包括： 
图像扫描单元，对患者骨损伤部位进行扫描成像，获得图像数据，所述骨损伤部位包括骨缺损部位及所述骨缺损部位周边的骨剩余部位； 
三维重建单元，读取所述图像数据，并对所述图像数据进行分割和三维重建，获得三维图像数据； 
三维模型建立单元，根据所述三维图像数据中所述骨剩余部位与所述骨缺损部位的灰度值的差别建立所述骨缺损部位的三维模型； 
骨支架模型构建单元，通过镜像法使完整骨外边缘与所述三维模型的骨缺损部位内边缘产生重合并沿着完整轮廓线切割进行分离，得到待修复的骨支架模型； 
分层处理单元，对所述待修复的骨支架模型进行宏观结构优化和分层处理，得到分层数据； 
低温成型单元，根据所述分层数据调控每一分层的厚度和形状以及骨支架成型制备过程中成骨材料的喷出参数，在-30℃～-20℃条件下，进行成骨材料的骨支架成型制备。 
2.如权利要求1所述的骨支架成型系统，其特征在于，所述成骨材料为包括可生物降解聚合物、生物陶瓷和成骨活性物质的有机溶剂溶液，其中，所述可生物降解聚合物与所述生物陶瓷的质量比为1:1～5:1，所述生物陶瓷与所述成骨活性物质的质量比为1:1～3:1，所述可生物降解聚合物、所述生物陶瓷及所述成骨活性物质的质量之和与所述有机溶剂的质量比为1:1～1:4。 
3.如权利要求2所述的骨支架成型系统，其特征在于，所述可生物降解聚合物为聚乙醇酸-乳酸共聚物、聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚磷腈或聚氨基酸。 
4.如权利要求2所述的骨支架成型系统，其特征在于，所述生物陶瓷为磷酸三钙、羟基磷灰石、α-氧化铝或生物活性玻璃。 
5.如权利要求2或4所述的骨支架成型系统，其特征在于，所述生物陶瓷的粒径为100～1000目。 
6.如权利要求2所述的骨支架成型系统，其特征在于，所述成骨活性物质为淫羊藿苷。 
7.如权利要求2所述的骨支架成型系统，其特征在于，所述有机溶剂为1,4-二氧六环、乙腈、环己烷、丙酮、乙二醇、环己酮或二氯甲烷。 
8.如权利要求1所述的骨支架成型系统，其特征在于，所述喷出参数包括喷丝角度、间距和速度。 
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