CN106039398A - 一种具有微结构仿生人工骨支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明人工骨支架结构制备的流程：通过CT或MRI设备，对被替换骨进行扫描，获得一组关于该骨的断层图像，经过预处理、二值化、图像分割、边缘追踪、样条拟合等步骤生成宏观结构；利用知识库得出解集，然后提取符合病人条件的微孔结构，在轮廓内随填充微孔，使填充后轮廓的孔隙率、分形维数与原病骨的孔隙率、分形维数相同或相近；生成STL文件，然后输出到三维打印机快速成形骨支架。

Description

一种具有微结构仿生人工骨支架的制备方法

技术领域

本发明属于生物医学组织工程技术领域，涉及一种模仿人骨内部哈弗森—福克曼管道结构制备人工骨支架的制备方法。该发明是一种基于图像处理的，结合分形理论和三维建模提出的一种新的基于内部微结构组织工程支架的制备方法。

背景技术

骨骼作为一种人体器官，其内部存在错综复杂的微细管道。通过这些管道，毛细血管与神经组织等延伸人骨的各个部位，毛细血管为骨细胞输来氧气与营养物质及各种激素，带走骨细胞产生的代谢废物。假如没有这种微结构的话，人骨内部的细胞就会因得不到养料而死亡，人骨就不可能健康的生长。

人骨内的管道实际是由哈弗森管（Haversian canals）和福克曼管（Volkmanncanals）构成的。哈弗森管和福克曼管在宏观上表现为曲折连通的微型孔道，哈弗森管沿骨干长轴纵向排列，内有血管、神经和成骨细胞，它与骨皮质内面骨髓腔和骨皮质外面福克曼管相通。福克曼管是长骨骨干中与骨干长轴近似垂直走行的管道，与纵行的中央管相通，内含血管、神经和少量疏松结缔组织，结缔组织中有较多骨祖细胞。哈弗森管和福克曼管相互连接相互交叉，每个管道孔都存在着一定程度的扭曲度，这是人类千百万年来进化的结果，人骨的机能与微孔的这种结构之间有着密切关系。

现阶段涉及的可降解的人工骨支架，不再仅仅局限于对人骨的外形模仿，而是已经深入到对其具内部疏松多孔结构进行仿生。但是目前骨支架的制备方法仅仅实现了骨支架材料的多孔隙结构设计，不能保证孔的连通性与多样性等特征。在临床应用中，人工骨支架不仅起到支撑和导向作用，其特殊的化学组成及其孔道结构，还为细胞的停泊、生长、繁殖、新陈代谢、新组织的形成提供了一个了理想的三维空间。现阶段的研究已经证实，人骨内部的纵横交错，扭曲蜿蜒的哈弗森管和福克曼管，不仅有利于种子细胞的停泊粘附，而且在流体培养情况下，产生的流体剪切力有利于刺激细胞的生长与分化。因此对哈弗森管和福克曼管的结构仿生，将有利于生物组织的形成并利于控制，加速骨组织的形成，有利于提高骨支架的成活率。

国内外在生物材料仿生设计以及微观仿生建模方面做了许多深入的研究，但这些方法均存在着：无法定量描述人体骨微结构；无法保证支架中孔隙间的连通性；无法较好地模拟与人体骨组织结构相似的孔隙结构特征的缺陷。据于此，提出一种基于图像处理的，并综合分形理论和三维建模方法的一种新的基于内部微结构的组织工程支架的制造方法进行创新和探索。

发明专利CN100536802C公开了一种双尺度微观结构人工骨支架及其制备方法，该方法基于计算机辅助设计CAD和光固化快速成型技术，先制备人工骨负型的树脂模具，在模具中填充一定直径的石蜡小球适当加压，再填充生物材料浆体，待固化后真空烘干，最后，热分解去除树脂模具和石蜡小球，形成宏观尺度的管道系统和微观尺度的球形孔。其特点是，该支架微结构包括微观尺度的球连孔和宏观尺度的管道系统，球形孔随机分布，管道系统可预先设计。但是该方法仍然存在如下问题：

该方法制备支架的有机粘结剂需要在高温下烧除，延长了支架制作时间，提高了制备成本，增加了生物陶瓷颗粒被污染的几率，同时不能根据骨组织内部真实空隙微观结构来实现对其空隙的微观分布要求，管道系统需要设计，这无疑加大了工作任务。

公开号为CN101690828A的中国专利公开了一种多孔生物陶瓷骨支架制备方法，该方法通过浇注生物陶瓷浆料制造三维壳体，浇注生物陶瓷浆料制造三维壳体，通过冷冻、干燥、烧结，制备出外面相对致密，内部相对疏松的生物陶瓷支架，但是该方法仍存在如下问题：

该方法制备的骨支架，仅仅保证了疏松多孔结构，并不能有效模拟人骨内部蜿蜒曲折，扭曲复杂的管道结构，不能满足微孔多样性的要求。同时这种支架制备方法过于复杂，制作周期较长，对操作者的熟练度要求较高，从而加大了制备难度。

发明内容

为了克服现有技术人工骨支架仅能保证满足骨支架所需要的孔隙率，不能很好地保证骨支架内部孔隙的连通性、微孔多样性以及微细孔隙结构特征等要求，本发明提出了一种对二维骨切片进行三维重构的人工骨支架的制备方法，该方法应用了降维的方法：将作为三维实体的人体骨通过CT扫描获得骨切片的二维图片，然后再在二维图片上进行骨微孔的设计，最后再进行图片的叠加重构生成三维实体模型。即在临床上首先对病患进行CT扫描，对其骨轮廓进行提取，然后在骨轮廓内进行孔的填充，最后对每层图片进行三维叠加重构，生成骨的三维体结构。

在进行孔填充时，本专利通过分形理论研究填充孔的形状，制备出类似天然人骨的复杂微细结构，满足人骨内孔多样性的要求。分形理论的优势在于其能够描述自然界中的各种现象，从不规则结构中找出其蕴含的规则性，故可以利用分形理论对人体骨微观结构做出定量描述，即计算其分形维数，作为其自相似度的度量。要生成人体骨中所具有的微孔结构，就要生成与微孔相同或近似维数的分形结构，本方法直接使用从人体骨中提取的微孔结构。将这些微孔结构随机的填充到骨二维轮廓内，然后通过对每层随机填充孔的二维图像进行叠加，继而实现哈弗森管扭曲结构的模拟，最终实现具有类似天然骨微孔结构的骨支架制备。

在进行三维重构时，为保证支架材料孔的连通性，以及模拟人骨内部纵横交错的哈弗森-福克曼管道结构，我们采取如下方法：在第i层切片骨轮廓内填入随机填入一定数量，大小的孔，以模仿哈弗森管的纵向切片结构；在第i+1层切片的骨轮廓内填入一定孔隙率的纵横交错的近似波浪状的线条，以模仿福克曼管的横向切片结构。在进行切片叠加时，将以上两种切片间隔堆叠，经过拉伸，重构处理后，获得具有纵横交错，扭曲蜿蜒的管道结构的骨支架模型。

本发明专利人工骨支架结构制备的流程：通过CT或MRI设备，对被替换骨进行扫描，获得一组关于该骨的断层图像，经过预处理、二值化、图像分割、边缘追踪、样条拟合等步骤生成宏观结构；利用知识库得出解集，然后提取符合病人条件的微孔结构，在轮廓内随填充微孔，使填充后轮廓的孔隙率、分形维数与原病骨的孔隙率、分形维数相同或相近；生成STL文件，然后输出到三维打印机快速成形骨支架。

一种具有微结构仿生人工骨支架的制备方法具体包括如下步骤：

步骤1、对被替换骨进行CT或MRI扫描，获取一组从下至上共N层的关于该骨的断层图像，其中层间距为，第份截面图形面积为。其中因为最适合成骨细胞生长的孔径在400μm 左右，因而的取值应大于孔径的大小，一般为0.5～1mm；

步骤2、对步骤1所得图像进行三维重构，获得目标骨的三维结构，然后将三维结构导入相关三维软件进行缺损修补、平滑处理等优化工艺；

步骤3、对步骤2所得三维实体模型按间距进行切片，然后将获得的切片图像进行预处理、二值化、图像分割、边缘追踪、样条拟合等步骤生成二维骨轮廓；

步骤4、利用知识库得出解集；即从微孔知识库中提取符合病人条件的微孔结构，在切片骨轮廓内随填充微孔，使填充后轮廓的孔隙率和分形维数与原病骨的孔隙率和分形维数相同或相近；

步骤5、将填充好的切片图，再进行三维重构，生成实体模型，保存为STL文件，并将STL文件输入到三维立体打印机；同时将生物胶黏剂装入三维打印机的储液腔；

步骤6、，启动三维打印机，在成型工作台上均匀地铺上一层纳米级羟基磷灰石粉末；

步骤7、把第 层生物胶黏剂喷洒到第层羟基磷灰石粉末上；然后再均匀铺上一层羟基磷灰石粉末，形成第层；

步骤8、判断值，如果，则，重复步骤6；否则，进入下一步；

步骤9、支架制作完毕，自动进行烘干杀菌，取出支架，将支架放入固化液固化，固化后用消毒酒精中浸泡，然后无菌水水洗，凉干，即可得所需的骨支架材料。

注：知识库的建立需要大量真实的人体骨微观结构数据，数据的主要来源是利用扫描电子显微（SEM）镜获取的人体骨内部微观结构图片，这是一个长期的、循环的、增量的过程，知识库越丰富，所建立的人工骨支架越能接近人体骨的力学和生物学的要求。

本发明的有益效果是：

1）本发明所制备的人工骨支架无需烧除、无需去除负型，而是利用了三维打印机一次成型的特点，这也确保了生物陶瓷材料的纯净，减少了生物陶瓷被污染的几率；

2）本发明通过CT或MRI设备对被替换骨进行扫描，经过预处理、二值化、图像分割、边缘追踪、样条拟合等步骤处理该骨的断层图像，并在轮廓内部进行孔填充，这样就不仅确保了我们所要制备骨支架的宏观结构特征，而且能够有效保证骨支架内部孔洞的均匀性与多样性，满足孔隙率的特定要求；

3）本发明通过三维打印技术使得骨支架的制备效率得到了显著的提高，即缩短了骨支架的制备时间，还可以根据病患个体差异和不同部位的骨质结构来快速地制备相应的骨支架，减轻病患的痛苦，实现了设计与制备流程的自动化。此外，最主要的是能够模拟人骨内部哈弗森-福克曼管道结构，增加管道的扭曲程度，从而满足了骨支架对内部孔隙结构、连通性等的要求，使得所制备的骨支架结构更为合理。

附图说明

图1人工骨支架设计流程图；

图2二维孔填充图；

图3采用本发明方法所设计的骨支架实物；

图4采用本发明方法所制备的骨支架实物。

具体实施实例

本实施例中采用制备简单圆柱骨支架（直径d=2.5mm, 高h=5mm）来描述一种基于内部微结构的人工骨支架的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、对被替换骨进行CT或MRI扫描，获取一组从下至上共N层的关于该骨的断层图像，其中层间距为=0.5mm，第份截面图形面积为。由于材料内部贯通气孔的孔径为10～40μm 时，允许纤维组织长入；孔径为50～100μm 时，允许非矿化的骨样组织长入；孔径达到150μm 以上时，能为骨组织的长入提供理想场所，200～400μm 的气孔最有利于新骨生长，因此骨支架填充的微孔孔径 在400μm 左右，由此层与层之间的间距的取值应大于孔径的大小，一般为0.5～1mm；

步骤2、对步骤1所得图像导入三维重构软件进行三维重构，获得目标骨的三维模型数据，然后将三维模型导入三维软件进行缺损修补，并进行平滑处理等优化操作，获得骨支架最优的外部构型；

步骤3、对步骤2所得三维实体按间距进行切片，然后将获得的切片图像进行预处理、二值化、图像分割、边缘追踪、样条拟合等步骤提取出密质骨的二维轮廓；

步骤4、利用知识库得出解集，即从微孔知识库中提取符合病人条件一定分形维数的微孔结构，在切片骨轮廓内随机填充一定数量的微孔，使填充后轮廓的孔隙率和分形维数与原病骨的孔隙率和分形维数相同或相近；

步骤5、将填充好的切片图片，再次进行三维重构，生成三维模型，保存成STL文件，并将STL文件输入到三维立体打印机，同时将生物胶黏剂装入三维打印机的储液腔；

步骤6、，启动三维打印机，在成型工作台上均匀地铺上一层纳米级羟基磷灰石粉末；

步骤7、把第 层生物胶黏剂喷洒到第层羟基磷灰石粉末上；然后再均匀铺上一层厚度为0.1mm羟基磷灰石粉末，形成第层；

步骤8、判断值，如果i<10，则，重复步骤6；否则，进入下一步；

步骤9、支架制作完毕，自动进行烘干杀菌，取出支架，将支架放入固化液固化。然后将固化后的人工骨支架放在75%消毒酒精中浸泡20分钟。最后用无菌水冲洗，真空烘干，即可得所需的骨支架材料。

Claims (1)

1.一种具有微结构仿生人工骨支架的制备方法具体包括如下步骤：

步骤1、对被替换骨进行CT或MRI扫描，获取一组从下至上共N层的关于该骨的断层图像，其中层间距为，第份截面图形面积为；其中因为最适合成骨细胞生长的孔径在400μm 左右，因而的取值应大于孔径的大小，一般为0.5～1mm；

步骤2、对步骤1所得图像进行三维重构，获得目标骨的三维结构，然后将三维结构导入相关三维软件进行缺损修补、平滑处理等优化工艺；

步骤3、对步骤2所得三维实体模型按间距进行切片，然后将获得的切片图像进行预处理、二值化、图像分割、边缘追踪、样条拟合等步骤生成二维骨轮廓；

步骤4、利用知识库得出解集；即从微孔知识库中提取符合病人条件的微孔结构，在切片骨轮廓内随填充微孔，使填充后轮廓的孔隙率和分形维数与原病骨的孔隙率和分形维数相同或相近；

步骤5、将填充好的切片图，再进行三维重构，生成实体模型，保存为STL文件，并将STL文件输入到三维立体打印机；同时将生物胶黏剂装入三维打印机的储液腔；

步骤6、，启动三维打印机，在成型工作台上均匀地铺上一层纳米级羟基磷灰石粉末；

步骤7、把第 层生物胶黏剂喷洒到第层羟基磷灰石粉末上；然后再均匀铺上一层羟基磷灰石粉末，形成第层；

步骤8、判断值，如果,则，重复步骤6；否则，进入下一步；

步骤9、支架制作完毕，自动进行烘干杀菌，取出支架，将支架放入固化液固化，固化后用消毒酒精中浸泡，然后无菌水水洗，凉干，即可得所需的骨支架材料。