CN109966026B - 一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法，包括如下步骤:S1.CT扫描患者骨骼数据，结合mimics软件进行逆向建模，建立一个真实的骨骼模型；S2.进一步利用mimics软件对逆向建模的骨骼病变处进行分析；S3.在对骨骼病变处进行分析后，处理坏死区域，并将其提取出来；S4.借助三维建模软件设计具有功能梯度的人工骨支架；S5.按照1：1的比例3D打印人工骨支架，然后将人工骨支架移植到骨缺损处。本发明可根据不同患者的需求，快速、精确的制备个性化的组织工程支架，同时实现支架复杂形貌和内部微结构的一体化构建，对于骨组织修复具有重要的指导意义。

Description

一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法
技术领域
本发明涉及人工骨架领域，具体涉及一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法。
背景技术
临床上大段骨缺损患者日益增多，主要病因包括高能量创伤、大面积感染、骨肿瘤清除术后等，如何对其进行有效的填充及修复是临床骨科的热点和难点。传统骨移植方法包括自体骨移植和异体骨移植两种。自体骨移植一般采用患者自身髂骨u移植，虽然免疫反应较低，但来源有限，且对供骨区造成了新的创伤，随之产生一些并发症；异体骨移植不受大小形状等限制，但会引起较强的免疫反应，愈合时间也较缓慢，且近年来发现其交叉感染及晚期感染率大大增加，来源亦相对有限。
组织工程支架是一种重要的替代治疗措施，有望最终解决这个问题。传统的多孔支架制作技术有颗粒滤除法、乳液冷冻干燥法、高压气体膨胀法、纤维立体交织法、相分离法等；其关键性不足是支架孔隙贯通程度不够、孔隙率与孔分布可控性较差，既影响支架性能，也不利于细胞生长和组织血管化，而且孔径和孔位置分布的均匀性直接影响到支架吸附能力的平衡。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法，包括如下步骤：
S1.CT扫描患者骨骼数据，结合mimics软件进行逆向建模，建立一个真实的骨骼模型；
S2.进一步利用mimics软件对逆向建模的骨骼病变处进行分析；
S3.对骨骼病变处进行分析；
S4.借助建模软件设计具有功能梯度的人工骨支架；
S5.按照1：1的比例3D打印人工骨支架。
优选的，在所述S4中，首先将经过处理后的骨缺损处简化为圆柱结构，借助曲线干扰命令，以圆环代替圆柱内壁，以圆环为干扰曲线，得到人工骨支架。
优选的，在所述S4中，所述具有功能梯度的人工骨支架借助三维建模软件进行绘制的具体步骤：
S41.先绘制圆柱结构的内部投影，并以此为基准；
S42.其次绘制梯度圆孔，以圆形为基准;
S43.将梯度圆孔拉伸成梯度结构圆柱;
S44.绘制另一个圆柱体，其圆柱直径、柱体高度与骨组织缺损处一致；
S45.将S44中另一个圆柱体与梯度结构圆柱进行布尔差集运算，完成具有功能梯度的人工骨支架绘制。
优选的，在所述S4中，梯度结构为横向，利用曲线干扰命令，将骨缺损处投影为一条直线，所述直线长度等于圆柱直径，直线为干扰曲线，得到具有横向梯度功能的人工骨支架。
优选的，在所述S4中，所述具有功能梯度的人工骨支架借助三维建模软件进行绘制的具体步骤：
首先将圆柱体上表面或下表面投影为一条直线，直线为干扰曲线，绘制直线，并以此为基准；
其次绘制梯度圆孔，此时以直线为基准，以干扰直线为边界；
然后，将梯度圆孔拉伸成圆柱，高度为柱体深度；
接着，另绘制一个圆柱体，其直径、柱体高度与骨组织缺损处一致；
最后，另绘制的圆柱体与梯度结构圆柱进行布尔差集运算，完成具有功能梯度支架的绘制。
本发明的有益效果是：
本发明可根据不同患者的需求，快速、精确的制备个性化的组织工程支架，同时实现支架复杂形貌和内部微结构的一体化构建，对于骨组织修复具有重要的指导意义。
附图说明
图1为骨缺损示意图；
图2为曲线和成形面的投影图；
图3为空间立体图；
图4为支架孔纵向设计图a;
图5为支架孔纵向设计图b；
图6为本发明中绘制过程图1；
图7为本发明中绘制过程图2；
图8为本发明中绘制过程图3；
图9为本发明中绘制过程图4；
图10为实施例2中人工骨支架示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
天然骨骼通常具有梯度性多孔结构，不同骨骼种类的结构与力学性能有所差异，主要表现在刚度(弹性模量)沿纵向的不均匀分布或沿横向的线性与非线性变化，而3D打印技术可在很大程度上实现支架的孔隙率、孔径、孔容积、空间排列和其他表面特性的可控性，可根据不同患者的需求，快速、精确的制备个性化的组织工程支架，同时实现支架复杂形貌和内部微结构的一体化构建，因此在骨组织工程中具有独特的优势。利用3D 技术构建具有功能梯度的一体化人工骨支架来修复缺损组织的天然结构，对于骨组织修复具有重要的指导意义。
实施例1
一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法，其人工骨支架为纵向梯度结构；包括如下步骤:
S1.CT扫描患者骨骼数据，结合mimics软件进行逆向建模，建立一个真实的骨骼模型；
S2.进一步利用mimics软件对逆向建模的骨骼病变处进行分析；
S3.在对骨骼病变处进行分析后；骨骼病变处没有坏死区域的模型如下图1所示。
S4.借助三维建模软件设计具有功能梯度的人工骨支架；
具体来说，首先将经过处理后的骨缺损处简化为圆柱结构，借助曲线干扰命令，以圆环代替圆柱内壁，以圆环为干扰曲线，得到人工骨支架，如图2-5所示，
进一步来说，骨组织缺损处简化为圆形柱体结构，从模型上获取圆形孔径与柱体深度，这两个数据是支架结构设计的基础数据。
然后使用建模软件进行绘制计算：
首先圆柱形内壁投影为圆形，先绘制圆形，并以此为基准。
其次绘制梯度圆孔，此时以圆形为基准，每个梯度圆孔距圆形越远，孔径越大，如图6所示。
将梯度圆孔拉伸成梯度圆柱，高度为柱体深度，如图7所示。
另绘制一个圆柱体，其圆柱直径、柱体高度与骨组织缺损处一致，如图8所示。
由于圆形区域内为支架设计所需区域，因此将大圆柱体与梯度结构圆柱进行布尔差集运算，如图9所示，完成具有纵向梯度支架的绘制。
S5.按照1：1的比例3D打印人工骨支架。
实施例2
一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法，其人工骨支架为横向梯度结构；包括如下步骤:
S1.CT扫描患者骨骼数据，结合mimics软件进行逆向建模，建立一个真实的骨骼模型；
S2.进一步利用mimics软件对逆向建模的骨骼病变处进行分析；
S3.对骨骼病变处进行分析；
S4.借助三维建模软件设计具有功能梯度的人工骨支架；首先确定若此支架所需梯度结构为横向，利用曲线干扰命令，将骨缺损处投影为一条直线（直线长度等于圆柱直径），直线为干扰曲线，实现横向梯度功能，得到人工骨支架，其结果如图10所示。
具体来说，具有功能梯度的人工骨支架的绘制步骤：首先将骨组织缺损处简化为圆形柱体结构，从模型上获取圆形孔径与柱体深度，这两个数据是支架结构设计的基础数据。
然后使用建模软件进行绘制计算：
首先将圆柱体上表面（或下表面）投影为一条直线，直线为干扰曲线，绘制直线，并以此为基准。
其次绘制梯度圆孔，此时以直线为基准，以干扰直线为边界，设定每个圆孔距直线越远，孔径越大。
将梯度圆孔拉伸成圆柱，高度为柱体深度。
另绘制一个圆柱体，其直径、柱体高度与骨组织缺损处一致。
由于圆形区域内为支架设计所需区域，因此另绘制的圆柱体与梯度结构圆柱进行布尔差集运算，完成具有功能梯度支架的绘制。
S5.按照1：1的比例3D打印人工骨支架。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法，其特征在于：包括如下步骤:
S1.CT扫描患者骨骼数据，结合mimics软件进行逆向建模，建立一个真实的骨骼模型；
S2.进一步利用mimics软件对逆向建模的骨骼病变处进行分析；
S3.对骨骼病变处进行分析；
S4.利用三维建模软件，首先将经过处理后的骨缺损处简化为圆柱结构，借助曲线干扰命令，以圆环代替圆柱内壁，以圆环为干扰曲线，得到具有功能梯度的人工骨支架；
S5.按照1：1的比例3D打印人工骨支架。
2.根据权利要求1所述的一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法，其特征在于：在所述S4中，所述具有功能梯度的人工骨支架借助三维建模软件进行绘制的具体步骤：
S41.先绘制圆柱结构的内部投影，并以此为基准；
S42.其次绘制梯度圆孔，以圆形为基准；
S43.将梯度圆孔拉伸成梯度结构圆柱；
S44.绘制另一个圆柱体，其圆柱直径、柱体高度与骨组织缺损处一致；
S45.将S44中另一个圆柱体与梯度结构圆柱进行布尔差集运算，完成具有功能梯度的人工骨支架绘制。
3.一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法，其特征在于：包括如下步骤:
S1.CT扫描患者骨骼数据，结合mimics软件进行逆向建模，建立一个真实的骨骼模型；
S2.进一步利用mimics软件对逆向建模的骨骼病变处进行分析；
S3.对骨骼病变处进行分析；
S4.利用三维建模软件，梯度结构为横向，利用曲线干扰命令，将骨缺损处投影为一条直线，所述直线长度等于圆柱直径，直线为干扰曲线，得到具有横向梯度功能的人工骨支架；
S5.按照1：1的比例3D打印人工骨支架。
4.根据权利要求3所述的一种基于曲线干扰的功能梯度人工骨支架的制备方法，其特征在于：在所述S4中，所述具有功能梯度的人工骨支架借助三维建模软件进行绘制的具体步骤：
首先将圆柱体上表面或下表面投影为一条直线，直线为干扰曲线，绘制直线，并以此为基准；
其次绘制梯度圆孔，此时以直线为基准，以干扰直线为边界；
然后，将梯度圆孔拉伸成圆柱，高度为柱体深度；
接着，另绘制一个圆柱体，其直径、柱体高度与骨组织缺损处一致；
最后，另绘制的圆柱体与梯度结构圆柱进行布尔差集运算，完成具有功能梯度支架的绘制。
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