CN110974488A - 基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构的制备方法，属于医用人工骨领域。步骤包括对患者断骨截面进行计算机断层扫描或用高分辨率相机拍照得到灰度图像；设计人工骨植入物，使人工骨与自体骨截面相同；根据骨植入物在人体的承重位置调控骨小梁厚度，实现在结构上与自体骨的高度一致；逐层打印构造的人工骨；模拟真实服役条件下对人工骨试样进行摩擦抗冲击等测试，确定适合人工骨结构的参数。本发明提出的基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构，有效提升人工骨力学性能寿命且利于后续骨组织长入。

Description

基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构的制备方法

技术领域

本发明涉及医用人工骨领域，特别涉及一种基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构的制备方法。

背景技术

骨是目前人体移植最多的组织之一，发病率近15％，每年有上百万的骨折病例。生物体骨移植和非生物体骨移植是骨移植的两种修复方式。生物体骨移植带来的疼痛，感染和免疫排斥阻碍了其发展。在这种情况下，非生物体骨移植成了骨移植的主要选择，临床证明大多数普通的支架缺乏足够的机械强度和血管形成的合适环境。最佳的骨支架应该具有所有层次的自体骨特性(机械、生物、质量、运输和微观结构几何性质)，以便细胞渗透和营养物质扩散以及在人工骨服役过程中的生物降解。

随着增材制造的普及，其中，快速成型技术是制造三维不规则多孔支架的最佳技术。发生了人工骨设计向计算机辅助组织工程设计的转变。利用先进的成像工具，可再生支架的设计和制造，使具有理想的孔隙率、孔隙形状和机械性能的人工骨设计大大简化。人工骨支架的骨小梁结构影响了组织工程骨的功能，从而决定新生组织的功能。因此，必须深入了解支架拓扑特征的影响。传统的制造方法包括纯金属、金属粉末的气体发泡等，这使得只能从宏观上控制整个人工骨的机械性能，而不能从微观上控制其几何结构，精确的微观结构的人工骨在体外测试过程中比传统的制造方法得到增强。并且人工骨的内部结构是影响组织再生的关键因素，如营养物质的扩散、细胞的粘附和基质的沉积等，因此人工骨的内部结构设计显得尤为重要，设计过程中同时要考虑到具体服役情况下的机械和物质运输。

在临床应用的人工骨中最为常见的就是致密金属，致密金属模量远高于自体骨模量，在服役过程中会出现应力遮挡的情况，加速骨植入物与其他组织的交界面失效疲劳破坏，且致密的金属并未给骨长入及组织生成长留出足够的空间。在后续的人工骨的研究中，一些结构中应用了三维胞元镶嵌的方法，在不同的物理尺度上创建单个胞元，可以阵列组装成复杂的骨支架结构。胞元的设计可以从基于实体、面和线框的单个胞元开始设计，使用CAD软件或基于图像的设计方法创建。这种方法避免了由于模量差异过高引起的失效，但忽略了断骨截面处的组织生长情况及自体骨骨小梁梯度分布的情况。

综上所述，人工骨植入物已在临床上有较为成熟的应用，设计过程简便，金属密致模型进行人工骨设计的方法已经被广泛使用，三维胞元镶嵌或是桁架结构阵列也逐渐在临床有了应用，如何实现如自体骨中呈现的中空内软外硬的梯度分布结构、及利于断骨截面处的骨组织生长亟待研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构的制备方法，解决了现有技术存在的上述问题。泰森多边形结构被用于设计三维人工骨多孔支架。扫描断骨面或是通过简单的灰度图片找到断骨处的生物组织位置，即可通过计算机设计软件对初始块体模型进行处理，得到与原自体骨断面处组织位置相同的三维各向同性多孔互联结构，与骨小梁的主要组织形态指标(骨小梁厚度、骨小梁间距、骨小梁数、骨体积与总体积比、骨表面与骨体积比等)精确匹配。在设计阶段进行调整人工骨性能，以完全匹配自体骨骨小梁的性能。对这些骨结构进行了进一步的计算，机械(弹性模量)和流体质量传输(渗透性)特性。此外，相同的总孔隙率模型可以设计成具有不同的骨表面积的模型，因此，这种特定的微观结构特征可以用来促进细胞粘附、迁移，并最终促进新的骨细胞附着(骨细胞分化)。结果表明，在支架的微观结构和组织形态初始设计阶段，支架的最终性能是可以控制的。对三维模型充分表征和优化，就可以通过增材制造或立体成像技术进行3D打印，制造出满足服役条件的人工骨。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构的制备方法，适用于具有高连通梯度人工骨植入物结构设计，包括以下步骤：

步骤（1）对患者断骨截面进行计算机断层扫描或用高分辨率相机拍照得到灰度图像，提取骨组织中心位置点坐标，得到断骨截面两端的血管组织位置，导出组织中心位置三维坐标；

步骤（2）根据断骨截面组织中心三维坐标位置，设计人工骨植入物，使人工骨与自体骨截面相同，在固定孔隙率的条件下，固定区域内，导入步骤（1）中所述的点坐标，在人工骨区域内设置离散点，离散点位置为预期组织长入的位置，离散点位置数量均可控，由离散点形成泰森多边形三维结构的线框；三维结构的线框成面，面划分网格后增厚形成实体；

步骤（3）自体骨截面结构为中空、内韧外硬的梯度结构，人工骨的结构也具有梯度结构，以实现在宏观上具有内韧外硬、吸能增韧的仿生结构；孔隙率可从致密到百分之九十连续可控变化，且可根据骨植入物在人体的承重位置调控骨小梁厚度，实现在结构上与自体骨的高度一致；

步骤（4）人工骨材质为增材制造中，运用金属粉末或羟基磷灰石生物材料，逐层打印构造的人工骨，人工骨材料表面的孔隙结构可以促进界面成骨，增强界面融合，诱导界面处骨干细胞的成骨分化，骨组织和人工骨植入物更牢固的结合；

步骤（5）做人工骨的拉伸件测试其不同孔隙率下对应的弹性模量，与自体骨模量匹配；模拟真实服役条件下对人工骨试样进行摩擦抗冲击测试，确定人工骨结构的参数。

步骤2）所述的设计人工骨植入物，具体是：

2.1）搭建人工骨区域，将人工骨内形成的线框架，每一块多边形的框线向内缩小可控的距离并圆角，将两组框线结合成面，对面划分网格，网格数量随骨小梁数量增加而增加；偏移网格至可控距离，将两组网格间距离填充形成人工骨植入物实体；

2.2）不同孔隙率的网格面分别增加厚度，在为网格面增厚的步骤中赋予骨小梁厚度，用于实现不同位置的骨小梁宽度，从而达到人体不同骨骼的承重需求；

2.3）实现不对称的梯度人工骨结构；

2.4）选取钛、钴铬钼合金粉末两种原料作为增材技术的原料，骨小梁分别作为通过快速成型技术制备标准拉伸试样及人工骨试件；对试件进行计算机断层扫描，检查体外制备人工骨植入物的孔隙率、弹性模量、泰森多边形骨小梁成型质量、及与骨组织结合性的检测；对所应用的材料进行组织相容性及血液相容性能的检测。

本发明的有益效果在于：当前临床人工骨植入物中采用的固定方式有两种，即骨水泥固定和生物固定。采用生物固定方式时，人工骨通过表面结构形成的骨附着生长或通过骨骼之间形成紧密压配，或在结构中的孔隙有骨长入而形成生物固定，能够有效缓解人工骨植入物的机械型松动和下沉，并在一定程度上缓解了骨溶解、少用性骨质疏松的发生。生物固定效果的好坏，人工骨植入物的结构起到了非常关键的作用。钛、钴铬钼合金及羟基磷灰石等常用材料。为使断骨处的后续骨组织生长不受阻，基于断面设计的人工骨与自体骨结合界面相通。为提高人工骨与骨组织的结合强度，取得良好的生物固定效果，在人工骨内部及表面形成不规则仿生多孔结构。此多孔层具有三维联通的孔隙结构，在体内允许骨组织长入，人工骨与自体骨之间形成锁合，从而提高二者之间的结合强度。并且多孔结构将对钴铬钼合金等的力学性能产生一定的影响，是否仍能满足植入体功能发挥并具有一定的服役寿命，经过适当的性能评价。简单而有效的方法之一即是在摩擦磨损试验机上模拟近似骨服役环境进行人工骨的磨损性能测试。该种泰森多边形拓扑结构可设计为孔隙率变化的梯度模型，外部孔隙小内部孔隙大的结构与自体骨性能一致在受到冲击时候可吸收撞击能量起到缓冲的作用。本发明提出的基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构，有效提升人工骨力学性能寿命且利于后续骨组织长入。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的断骨骨面的股组织中心位置的示意图；

图2为本发明的三维泰森多边形模型建立、网格划分及网格增厚生成实体的示意图；

图3为本发明的不同骨小梁厚度、孔隙率的仿生人工骨结构图；

图4为本发明的孔隙率梯度变化的仿生人工骨拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4所示，本发明的基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构的制备方法，适用于具有高连通梯度人工骨植入物结构设计，包括以下步骤：

步骤（1）对患者断骨截面进行计算机断层扫描或用高分辨率相机拍照得到灰度图像，提取骨组织中心位置点坐标，得到断骨截面两端的血管组织等位置，导出组织中心位置三维坐标；

步骤（2）根据断骨截面组织中心三维坐标位置，设计人工骨植入物，使人工骨与自体骨截面相同，在固定孔隙率的条件下，固定区域内，导入步骤（1）中所述的点坐标，在人工骨区域内设置其他离散点，离散点位置为预期组织长入的位置，离散点位置数量均可控，由离散点形成泰森多边形三维结构的线框；三维结构的线框成面，面划分网格后增厚形成实体；

步骤（3）自体骨截面结构为中空、内韧外硬的梯度结构，人工骨的结构具有相似的梯度结构，以实现在宏观上具有内韧外硬、吸能增韧的仿生结构；孔隙率可从致密到百分之九十连续可控变化，且可根据骨植入物在人体的承重位置调控骨小梁厚度，实现在结构上与自体骨的高度一致；

步骤（4）人工骨材质为增材制造中，运用金属粉末或羟基磷灰石等生物材料，逐层打印构造的人工骨，人工骨材料表面的孔隙结构可以促进界面成骨，增强界面融合，诱导界面处骨干细胞的成骨分化，骨组织和人工骨植入物更牢固的结合；

步骤（5）做人工骨的拉伸件测试其不同孔隙率下对应的弹性模量，与自体骨模量匹配；模拟真实服役条件下对人工骨试样进行摩擦抗冲击等测试，确定适合人工骨结构的参数。

实施例：

参见图1至图4所示，本发明的基于断骨骨面的与人自体骨模量一致的仿生人工骨结构，有利于仿生加工骨植入物结构，在各个层面复制自然骨的特性(如微观结构、机械、质量传输和生物特性)，并具有极佳的细胞渗透、营养物质扩散和骨传导特性。泰森多边形人工骨支架结构的机械和流体性质取决于微观多孔结构，总孔隙率，这也依赖微观骨指数（小梁厚度、小梁间隙和小梁数），所有这些指标在本发明的结构设计过程中均是可控的。且基于断骨骨面的设计为后续断骨界面处的骨组织生长提供了有利的生长条件。本发明的仿生人工骨结构，在揭示人工骨与自体骨界面磨损与疲劳失效机制基础上，从实现增韧、减阻、耐磨、物质交换促进骨长入原理与方法出发，应用仿生原理研究内部骨结构和材料的多因素藕合作用以及人工骨梯度力学性能的构建等科学问题，为提升人工骨的服役性能提供可靠结构。该方法面向生物医学工程，机械等交叉领域对高性能人工骨的迫切需求，借助计算机断层扫描手段分析所述人工骨内部结构，根据仿生学原理对抗冲击的性能，将人工骨结构设计为梯度形式，使人工骨具有外硬内韧的仿生结构，通过原位摩擦磨损测试研究所述结构的摩擦磨损行为，采用近似生物体环境的情况研究人工骨损伤机理，从而获取人工骨表面的磨损失效机制，实现增韧、减阻、物质交换促进骨长入等功能特性，为新型人工骨提供新颖可靠的结构。

本发明基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构，该结构适用于具有三周期孔隙的梯度仿生人工骨设计，包括以下步骤：

步骤1、对断骨截面进行计算扫描或高清相机拍照提取截面灰度图像，提取骨组织中心位置坐标，该坐标为人工骨植入物的两端，如图1所示，原骨组织可以在人工骨植入物中不受限制的分化生长。

步骤2、在人工骨内部生成可控数量的离散点，离散点间自动构建三角网。对离散点和形成的三角形编号，记录每个三角形是由哪三个离散点构成的。找出与每个离散点相邻的所有三角形的编号，并记录下来。这只要在已构建的三角网中找出具有一个相同顶点的所有三角形即可。对每个离散点相邻的三角形按顺时针或逆时针方向排序，以便下一步连接生成泰森多边形。计算每个三角形的外接圆圆心，根据每个离散点的相邻三角形，连接这些相邻三角形的外接圆圆心，即得到泰森多边形，如图2所示。对于三角网边缘的泰森多边形，可作垂直平分线与图廓相交，与图廓一起构成泰森多边形。

2.1）应用三维绘图软件，搭建以体积为10×10×10mm³的人工骨区域为例，如图2所示。将人工骨内形成的线框架，每一块多边形的框线向内缩小可控的距离并圆角，将两组框线结合成面，在分网软件中对面划分网格，网格数量至少4000，网格数量随骨小梁数量增加而增加。偏移网格至可控距离，将两组网格间距离填充形成人工骨植入物实体

2.2）如图3所示，以三种不同孔隙率的网格面分别增加厚度0.3mm、0.5mm为例，在为上述网格面增厚的步骤中可以赋予骨小梁任意厚度，用于实现不同位置的骨小梁宽度，从而达到人体不同骨骼的承重需求。

2.3）人体骨骼结构由外部的骨密质和内部的骨松质构成，骨的横截面呈现内部中空外部致密的梯度结构。从骨的横截面来看，骨小梁分布是不对称的，图4以骨小梁厚度0.3mm，孔隙率从10％到60％为例实现不对称的梯度人工骨结构。

2.4）选取钛、钴铬钼合金粉末两种原料作为增材技术的原料，骨小梁分别作为通过快速成型技术制备标准拉伸试样及如图3所示的人工骨试件。对制备试件进行计算机断层扫描，检查体外制备人工骨植入物的孔隙率、弹性模量、泰森多边形骨小梁成型质量、及与骨组织结合性的检测。对所应用的材料进行组织相容性（涵盖细胞吸附性、无抑制细胞生长性、细胞激活、无致畸性等）及血液相容性能（抗血小板血栓形成、抗凝血性、抗溶血性、抗白血细胞减少性、抗补体系统亢进性、抗血浆蛋白吸附性和抗细胞因子吸附性等）检测。

步骤3、以钛、钴铬钼合金为例制作的人工骨标准拉伸件，在原位拉伸测试装备上测试具有泰森多边形镶嵌结构的钛或钴铬钼合金作为人工骨材料的弹性模量，应力应变曲线，孔隙率过高会导致人工骨强度受限，孔隙率过低有于人工骨与自体骨模量差异过大会有应力遮挡现象，在界面处容易被磨损，导致关节失效。测量模量与孔隙率的实验可求解二者间关系，确定人工骨的适合孔隙率，提升人工骨服役寿命。

步骤4、对图4人工骨结构梯度模型，开展人骨近似真实服役条件下的摩擦磨损测试和抗冲击试验，在摩擦磨损实验机上加入关节润滑液，使用氧化锆摩擦球进行往复摩擦磨损实验基于人骨服役条件下失效机制测试的复合应力原位摩擦磨损测试，在人工骨样品表面形成带有预压的固液两相摩擦界面，通过将原位观测平台与摩擦平台兼容使用，直接对摩擦过程中等人工骨摩擦粘附、疲劳失效等进行观测记录。抗冲击试验采用简支梁式摆锤冲击实验机，实验时摆锤从垂直位置挂于机器扬臂上，让其自由落下，计算泰森多边形梯度人工骨抗冲击能力。

步骤5、受生物启发的具有梯度力学性能的骨小梁结构，通过增材技术将粉末成型为人工骨结构模型，构建出梯度人工骨模型，当人工骨与自体骨交界面产生摩粒时，泰森多边形结构可容纳磨粒，防止磨粒划擦和硬质挤压等二次磨损的发生，且该种结构体现出高承载与抗冲击吸收应力的效应，从而提高人工骨整体承受大应变的塑性变形能力，进而提高人工骨的使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构的制备方法，其特征在于：适用于具有高连通梯度人工骨植入物结构设计，包括以下步骤：

步骤（1）对患者断骨截面进行计算机断层扫描或用高分辨率相机拍照得到灰度图像，提取骨组织中心位置点坐标，得到断骨截面两端的血管组织位置，导出组织中心位置三维坐标；

步骤（2）根据断骨截面组织中心三维坐标位置，设计人工骨植入物，使人工骨与自体骨截面相同，在固定孔隙率的条件下，固定区域内，导入步骤（1）中所述的点坐标，在人工骨区域内设置离散点，离散点位置为预期组织长入的位置，离散点位置数量均可控，由离散点形成泰森多边形三维结构的线框；三维结构的线框成面，面划分网格后增厚形成实体；

步骤（3）自体骨截面结构为中空、内韧外硬的梯度结构，人工骨的结构也具有梯度结构，以实现在宏观上具有内韧外硬、吸能增韧的仿生结构；孔隙率可从致密到百分之九十连续可控变化，且可根据骨植入物在人体的承重位置调控骨小梁厚度，实现在结构上与自体骨的高度一致；

步骤（4）人工骨材质为增材制造中，运用金属粉末或羟基磷灰石生物材料，逐层打印构造的人工骨，人工骨材料表面的孔隙结构可以促进界面成骨，增强界面融合，诱导界面处骨干细胞的成骨分化，骨组织和人工骨植入物更牢固的结合；

步骤（5）做人工骨的拉伸件测试其不同孔隙率下对应的弹性模量，与自体骨模量匹配；模拟真实服役条件下对人工骨试样进行摩擦抗冲击测试，确定人工骨结构的参数。

2.根据权利要求1所述的基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构的制备方法，其特征在于：步骤2）所述的设计人工骨植入物，具体是：

2.1）搭建人工骨区域，将人工骨内形成的线框架，每一块多边形的框线向内缩小可控的距离并圆角，将两组框线结合成面，对面划分网格，网格数量随骨小梁数量增加而增加；偏移网格至可控距离，将两组网格间距离填充形成人工骨植入物实体；

2.2）不同孔隙率的网格面分别增加厚度，在为网格面增厚的步骤中赋予骨小梁厚度，用于实现不同位置的骨小梁宽度，从而达到人体不同骨骼的承重需求；

2.3）实现不对称的梯度人工骨结构；

2.4）选取钛、钴铬钼合金粉末两种原料作为增材技术的原料，骨小梁分别作为通过快速成型技术制备标准拉伸试样及人工骨试件；对试件进行计算机断层扫描，检查体外制备人工骨植入物的孔隙率、弹性模量、泰森多边形骨小梁成型质量、及与骨组织结合性的检测；对所应用的材料进行组织相容性及血液相容性能的检测。

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