CN111728742B

CN111728742B - 一种多孔半月板替代物建模及其制备方法

Info

Publication number: CN111728742B
Application number: CN202010621722.4A
Authority: CN
Inventors: 朱莉娅; 程明; 孙文晨; 蒋青; 李澜
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2023-03-10
Anticipated expiration: 2040-06-30
Also published as: CN111728742A

Abstract

一种多孔半月板替代物建模及其制备方法，建模方法如下：用CT扫描患者半月板部位，对扫描图进行图像处理，获取与患者相匹配的半月板模型，对患者半月板处股骨、胫骨以及半月板部位的集中压缩应力和剪切应力、应力分布进行参数采集，采用参数化建模方式，对多孔半月板替代物中孔的孔隙形状、孔径和孔隙率进行设定获得最终的半月板替代物模型。将模型通过3D打印或注模工艺，即可获得多孔半月板替代物。本发明制备的多孔半月板替代物能够匹配用户自身半月板、移植后有利于半月板组织的快速成型、生物力学性能满足膝关节部位的需求等优点，另外水凝胶与多孔支架的配合，可以极大地提升半月板替代物传递负荷、吸收振荡、提高关节稳定性的效果。

Description

一种多孔半月板替代物建模及其制备方法

技术领域

本发明涉及仿生材料技术领域，具体涉及一种多孔半月板替代物建模及其制备方法。

背景技术

半月板是膝关节内的纤维软骨结构，具有重要的缓冲和保护软骨作用。半月板的结构呈半环形，外周较厚，内缘薄锐；上面凹陷，与股骨髁相适应；下面平坦，与胫骨平台相适应。半月板撕裂后难以自愈，无论是撕裂本身，还是磨损碎裂或手术部分切除和全切除，都会导致胫骨和股骨之间的接触应力增大，明显增加膝关节骨关节炎发生的风险。

当人体内半月板撕裂后，多使用半月板替代物。目前所使用的半月板替代物包括自体组织移植再生半月板、同种异体半月板移植、异种异体组织移植替代、人工合成材料移植替代物。但是目前市场上的半月板替代物材料还存在各种各样的问题。

NUsurface，目前主流的商用半月板替代物，其结构为实心，所用材料为一种医用塑料聚碳酸酯-聚氨酯（PCU），主要通过传统的注模工艺制备，多项实验证明其主要对半月板的损伤修复在短期时间内有着较好的效果，但是长期使用，会有一系列的并发关节炎等病症出现。与多孔结构相比，关节液不能够进入替代物内，同时也不能够刺激组织生长，长期可能会导致磨损、疲劳等不适，甚至会有关节炎等并发症出现。

公开号为CN109620477A的中国专利申请中公开了一种半月板替代物及具有其的膝关节假体，其中，半月板替代物包括：基托体，设置在胫骨的胫骨平台或胫骨平台假体上；聚合物关节体，设置在基托体上；骨螺钉，穿设在胫骨中并与基托体相连。该发明的技术方案有效地解决了现有技术中半月板替代物不能提供有效的约束、与骨质结合的不稳定导致的治疗效果不理想的问题。该半月板替代物为多孔结构，其骨组织整合部孔径范围为150-1200 μm，软组织整合部孔径范围为400-2000 μm；主要通过3D打印技术或者金属颗粒烧结技术制成，只说明固定所用骨螺钉材料为医用金属或医用高分子材料制成，半月板替代物所用材料只在具体实施方式中提及，为聚合物材料，具体未详细说明。并且，该专利申请未对半月板替代物的制备有详细的描述，主要提及其为多孔结构以及骨组织整合部和软组织整合部的孔径，主要强调半月板替代物在移植入体后对其的固定作用，而影响半月板替代物在植入体内后的因素有很多，仅仅靠3D打印聚合物材料结合固定的多孔结构并不能完全使人体适应，也不能够刺激人体组织的生长。

另外，公开号为CN110466148 A的中国专利申请中公开了一种液体支撑介质内生物三维打印人工半月板制作方法，液体支撑介质由以下质量份数的原料制成：壳聚糖5-50、海藻酸5-50、环糊精5-50、淀粉5-50、白蛋白5-50、明胶5-50、溶剂5-50。有益效果为：该半月板生物支架具有良好的力学性能，为关节运动提供足够的支撑，支架负载了软骨细胞，不仅提供了大量种子细胞，而且快速实现了细胞的黏附、定植；同时携带了润滑相关物质，使该支架具有抗黏连、促进润滑的效果，促进半月板结构的重建以及后续正常功能的恢复。但是该专利申请所获得的半月板三维模型仅仅是考虑到大小形状上的适用，打印时多孔结构设计参照的是CAD建模法，其打印后的孔隙结构调节范围有限，所以其半月板替代物在生物力学性能上的表现会有所局限。根据打印路径的设置，该专利申请中孔隙结构只有三种，极大地限制了半月板替代物在生物力学性能上的表现。

这两者的还有一项共同的不足，其大小形状不能够根据患者的具体半月板大小形状进行个性化定制。

发明内容

解决的技术问题：针对现有技术中存在半月板替代物仅针对用户的外观轮廓，采用实心结构不利于植入物固定或采用多孔结构但孔隙结构单一、生物力学性能存在局限性等技术问题，本发明提供一种多孔半月板替代物建模及其制备方法，制备的多孔半月板替代物能够匹配用户自身半月板，移植后有利于关节液贯通，提升半月板替代物传递负荷、吸收振荡、生物力学性能满足膝关节部位的需求，另外水凝胶与多孔支架的配合，有利于促进新组织生长、进一步提高替代物与周围组织间结合的稳定性。

技术方案：一种多孔半月板替代物的建模方法，步骤如下：

步骤一.用CT扫描患者半月板部位，对扫描图进行图像处理，获取与患者相匹配的半月板模型；

步骤二.对患者半月板处股骨、胫骨以及半月板部位的集中压缩应力和剪切应力、应力分布进行参数采集，采用参数化建模方式创建多孔半月板替代物模型中的孔，对孔的孔隙形状、孔径和孔隙率进行设定，然后与图像处理后的半月板模型进行布尔运算拟合成多孔半月板替代物模型后，通过膝关节力学有限元仿真测试，测试多孔半月板替代物模型的集中压缩应力和剪切应力、应力分布，如果多孔半月板替代物模型仿真数据与用户自身半月板数据匹配，则构建成功，反之，重新调整多孔半月板替代物模型中孔的孔隙形状、孔径和孔隙率，重复上述步骤，直至获得最终的半月板替代物模型。

作为优选，所述图像处理步骤如下：将图像进行二值化处理，再利用中值滤波去除CT图像获取和数字化过程中掺杂的噪声，然后利用边缘检测方法对滤波后的图像进行边缘检测及轮廓提取，将批量处理后的图像导入Mimics软件中，对曲线轮廓进行拟合，最终获取与患者相匹配的半月板模型。

作为优选，所述参数化建模方式具体过程如下：通过三重周期性基元参数建模方法来创建多孔半月板替代物模型中的孔，采用三重周期性基元参数建模方法中不规则的Primitive结构或Gyroid结构形，通过调整Primitive和Gyroid曲面构造参数，进而调整多孔半月板替代物模型中孔的孔隙形状、孔径和孔隙率，多孔半月板替代物模型中孔的孔径为0.1~2 mm，孔隙率为10~80%。

上述方法制备的多孔半月板替代物模型。

上述模型制备多孔半月板替代物的方法，所述方法为3D打印或注模工艺，当采用3D打印时，对多孔半月板替代物模型进行切片处理，获得3D打印机的打印路径，然后将支撑材料注入3D打印机的料筒中，加热至185~220℃熔化，然后使用200~500 kPa的压力和2~10mm/s的沉积速度通过直径为100~1000 μm的喷嘴在平台上成型得到支撑骨架，获得多孔半月板替代物，经过切片处理并3D打印后的多孔半月板替代物会生成规则孔，规则孔的孔径、孔隙率和孔隙形状与切片处理中喷头直径、打印层高、填充率、打印速度和支撑填充角度有关；当采用注模工艺时，根据多孔半月板替代物模型获得模具，在注模材料中添加致孔剂后注入模具，待半月板替代物成型后，通过物理化学操作去除致孔剂即可获得多孔半月板替代物，3D打印或注模工艺过程中控制孔的孔径为0.1~2 mm，孔隙率为10~80%。

作为优选，3D打印包括单喷头打印和多喷头打印，当采用单喷头打印时，通过3D打印机制得支撑骨架后，手动填充水凝胶进入支撑骨架的多孔结构中，最终得到多孔半月板替代物；当采用多喷头打印时，通过3D打印机在制备支撑骨架时将水凝胶填充至支撑骨架的多孔结构中，最终得到多孔半月板替代物。

作为优选，所述支撑材料为高分子聚合物，包括聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、热塑性聚氨酯（TPU）和聚碳酸酯型聚氨酯（PCU）中的至少一种，当采用注模工艺时，注模材料为所述支撑材料或水凝胶材料，致孔剂为藻酸盐微粒、聚氨酯或PEG4000。各高分子聚合物因生产厂家不同，其具体型号、颗粒大小也不尽相同，但在本专利中保护的高分子聚合物的共同特性为医疗级高分子聚合物粉末、颗粒或丝材。

作为优选，所述水凝胶为天然或合成的水凝胶，包括琼脂糖、藻酸盐、胶原蛋白、明胶、HA、壳聚糖、结冷胶、纤维素、纤维蛋白、聚乙烯醇、聚乙二醇和聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物中的至少一种。填充材料中的各种水凝胶有各自的不同特性，可以单一使用，也可以多种材料混合使用具有更加全面的性能。

作为优选，填充水凝胶时，添加光固化剂，当光固化剂与水凝胶的粉末充分搅拌混合后加入去离子水，混合料的质量浓度为2-15%，最终配得水凝胶，填充水凝胶后通过紫外线或者无毒化学试剂加速水凝胶的固化，所述光固化剂为聚乙二醇二丙烯酸酯或聚氨酯丙烯酸酯，光固化剂与水凝胶的质量比为1:1000，所述无毒化学试剂为5 wt.%氯化钙溶液。

上述方法制备的多孔半月板替代物。

有益效果：1.本发明针对现有技术中仅针对用户半月板处的外观轮廓进行建模处理、孔隙结构单一、生物力学性能存在局限性等问题，提出一种多孔半月板替代物模型的制备方法，本发明所述技术方案是在获得半月板轮廓后，结合患者自身的各个身体部位情况，通过参数化建模方法，能够根据各个年龄层、不同身高体重特征的患者半月板处所承受的不同负荷，进行膝关节仿真测试，通过改变孔径、孔隙率、孔隙形状等参数，获得在股骨、胫骨以及半月板部位的集中压缩应力和剪切应力、应力分布等数据，进而获得与患者膝关节部位最匹配的多孔半月板替代物结构模型，能够减小应力极限，避免移植后出现应力集中和半月板挤压导致膝关节狭窄的情况。

2.本发明还根据多孔半月板替代物结构模型提供了半月板替代物的制备方法，通过3D打印法或注模工艺，可以根据患者的具体损伤程度得到部分修补或者完全替换的半月板替代物。

3.本发明采用3D打印的方法，能够快速成型，制备时间短。

4.本发明采用高分子聚合物材料作为支撑骨架为成型后的半月板替代物提供接近天然半月板的机械性能。支撑骨架材料选择不可降解材料，具备无毒性与亲水性，再加上多孔性结构，通过在孔隙中填充载有生长因子或者干细胞的水凝胶，进一步提升半月板替代物移植后骨细胞在孔隙中增殖、分化能力，便于半月板替代组织的快速成型，新组织长入有利于半月板替代物与周围组织固定，同时利于关节液流通，能够很好起到传递负荷、吸收振荡、使替代物生物力学性能满足膝关节受力需求，同时，水凝胶与多孔支架的配合，可以促进新组织长入、提高关节稳定性的效果，因此本发明制备的半月板替代物不仅有着接近天然半月板的机械性能，其在生物化学方面，与受体也有着亲和性。

5. 本发明所述支撑骨架采用多孔结构，所述多孔结构分为规则孔与不规则孔，规则孔和不规则孔的孔径均为0.1~2 mm，孔隙率均为10~80%。规则孔为切片处理后受打印填充率、支撑填充角度等参数影响，生成的规则孔，在宏观上体现为纤维排布方向，通常为60°、45°、90°等常见角度。不规则孔则是在模型生成过程中通过建模方法所构建的非常规形状的孔隙。本发明中选用三重周期性（TPMS）基元参数建模方法中的P形孔和G形孔，经过曲面构造参数的拟合改变后，变成非规则的椭圆形或其他形状，规则孔和不规则孔的结合对关节液的吸收能力较强，还可以实现较好的营养物质输送以及代谢废物的排除，也有益于细胞的长入和半月板替代组织的快速成型。

6.对健康膝关节、实心半月板植入物、本发明实施例1和实施例2中制备的不同孔径结构多孔（P1、P2、P3、G1、G2和G3）半月板植入物下股骨软骨、胫骨软骨压缩应力与剪切应力极值通过力学有限元仿真数据对比，结果如图4所示，从图中可以看出，实心结构半月板所接触的软骨受力远大于天然半月板下的软骨受力极值。与实心结构相比，多孔半月板植入物可以有效降低膝关节软骨所承受的压缩应力与剪切应力。同时，多孔植入物结构（孔径尺寸、孔隙率）的改变会影响关节软骨受力情况。

附图说明

图1为本发明基于三重周期性基元参数建模方法构建的多孔半月板替代物模型图，图中a为Primitive曲面，b为 Gyroid曲面，c~e为Primitive曲面孔半月板替代物模型结构，f~h为 Gyroid曲面孔半月板替代物模型结构，c为孔径为500μm、孔隙率为47%的Primitive曲面孔半月板替代物模型结构（P1），d为500μm、孔隙率为41%的Primitive曲面孔半月板替代物模型结构（P2），e为孔径为700μm、孔隙率为47%的Primitive曲面孔半月板替代物模型结构（P3），f为孔径为500μm、孔隙率为47%的Gyroid曲面孔半月板替代物模型结构（G1），g为孔径为500μm、孔隙率为41%的Gyroid曲面孔半月板替代物模型结构（G2），h为孔径为700μm、孔隙率为47%的Gyroid曲面孔半月板替代物模型结构（G3）；

图2为CT扫描图像处理后的人半月板组织三维重建模型图；

图3为实施例1制备的包含P1形孔的半月板替代物模型；

图4为健康膝关节、实心半月板植入物、本发明实施例1和实施例2中制备的不同孔径结构多孔半月板植入物（P1、P2、P3、G1、G2和G3）下股骨软骨、胫骨软骨压缩应力与剪切应力极值对比结果图，图中a为股骨软骨峰值剪切应力，b为股骨软骨峰值压缩应力，c为胫骨软骨峰值剪切应力，d为胫骨软骨峰值压缩应力。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

一种多孔半月板替代物模型的制备方法，步骤如下：

（1）用CT扫描患者半月板部位，对扫描图进行图像处理，获取与患者相匹配的半月板模型，图像处理步骤如下：由于半月板与周围组织之间的距离很接近，很难直接进行轮廓的提取，因此先对图像进行二值化处理，再利用中值滤波去除CT图像获取和数字化过程中掺杂的噪声，然后利用边缘检测方法对滤波后的图像进行边缘检测及轮廓提取，将批量处理后的图像导入Mimics软件中，对曲线轮廓进行拟合，最终获取与患者相匹配的半月板模型（CT扫描图像处理后的人半月板组织三维重建模型图参见图2）；

（2）获取患者自身半月板周围相关峰值应力数值。对患者足推进角（footprogression angle, FPA）类型的步态动作捕捉数据进行分析。通过运动捕捉获得标记数据和底面反作用力（the ground reaction force, GRF）等数据，使用逆运动力学计算半月板周围10块主要肌肉受力作用，包括股二头肌长头，股二头肌短头，筋膜张肌，腹肌，股直肌，中间肌，腓肠肌内侧，比目鱼肌，胫骨后肌，胫骨前肌。最后通过Abaqus仿真软件进行膝关节部位有限元模型仿真，获得股骨、胫骨软骨在峰值所受的拉伸/压缩应力。

（3）采用参数化建模方式创建多孔半月板替代物模型中的孔，对孔的孔隙形状、孔径和孔隙率进行设定（同一个模型中孔的结构是相同的，同向分布），然后与图像处理后的半月板模型进行布尔运算拟合成多孔半月板替代物模型后，使用Abaqus仿真软件进行膝关节力学有限元仿真测试，整体测试多孔半月板替代物模型的集中压缩应力和剪切应力、应力分布，如果多孔半月板替代物系列仿真数据与用户自身半月板数据匹配（制备的半月板替代物在峰值上与之相匹配即可），则构建成功，反之，重新调整多孔半月板替代物模型中孔的孔隙形状、孔径和孔隙率，直至获得最终的半月板替代物模型，参数化建模方式具体过程如下：通过三重周期性基元参数建模方法来生成不规则的Primitive结构作为多孔结构，通过调整Primitive结构曲面构造参数，进而调整多孔半月板替代物模型的孔隙形状、孔径和孔隙率。Primitive曲面参见图1a，三重周期性（TPMS）基元Primitive（P）结构是椭圆形的，在纵轴方向上半径最大。原始的多孔结构可通过如下找到TPMS方程的ϕ = 0等值面来生成。该表面是实体和空隙材料相之间的边界。

（Ⅰ）

式(Ⅰ)中，孔径和表面结构由上述函数中的参数a、b和c控制。孔隙度由参数d控制。面积Φ≥0表示实体，Φ<0表示孔隙。（ax、by、cz在取值后为2π的倍数， d的取值正负均可，通过调整a、b、c、d的参数使Primitive（P）结构变为具有不同孔径、表面结构、孔隙度的孔）。

利用式(Ⅰ)生成P形孔结构三维模型，如图1 a所示，调整Primitive曲面构造参数，并与图像处理后的半月板三维模型进行布尔运算后，获得孔径大小或孔隙率不同的半月板替代物模型，获得的模型进行下股骨软骨、胫骨软骨压缩应力与剪切应力极值通过力学有限元仿真数据对比，如果与人体自身半月板数据相匹配，则构建成功，反之，重新调整a、b、c、d的值，直到模型构建成功，本实施例构建的半月板替代物模型参见图1 c ~e和图3。图1c为孔径为500μm、孔隙率为47%的Primitive曲面孔半月板替代物模型结构（P1），图1d为500μm、孔隙率为41%的Primitive曲面孔半月板替代物模型结构（P2），图1e为孔径为700μm、孔隙率为47%的Primitive曲面孔半月板替代物模型结构（P3）。包含P1形孔的半月板替代物模型参见图3。

本实施例中用户健康半月板的股骨软骨峰值剪切应力为2.054 MPa，股骨软骨峰值压缩应力为4.43 MPa，胫骨软骨峰值剪切应力为2.535 MPa，胫骨软骨峰值压缩应力为7.649 MPa。另外对直接将步骤（1）中得到的半月板模型和P1孔替代物、P2孔替代物、P3孔替代物分别使用Abaqus仿真软件进行膝关节力学有限元仿真测试，得到数据参见图4。

利用上述P1孔替代物模型、P2孔替代物模型和P3孔替代物模型制备多孔半月板替代物的方法，本实施例中所述方法为3D打印法，采用单喷头打印，不填充水凝胶。所述支撑材料为PCU。

具体步骤如下：对多孔半月板替代物模型进行切片处理，获得3D打印机的打印路径（切片处理就是使用相关软件，本实施例为Simplify 3D，设置喷头直径为0.4 mm、打印层高为0.3mm、填充率为20%、打印速度为2mm/s、支撑填充角度为45°，对多孔半月板替代物模型进行切片处理，获得完成模型的打印路径，切片处理后受打印填充率、支撑填充角度等参数影响，会生成规则孔，在宏观上体现为纤维排布方向，角度为60°、45°或90°等常见角度），然后将支撑材料注入3D打印机的料筒中，加热至185℃熔化，然后使用200 kPa的压力和2mm/s的沉积速度通过直径为0.4 mm的喷嘴在平台上成型获得多孔半月板替代物。

实施例2

本实施例中多孔半月板替代物模型的制备方法同实施例1，区别在于，参数化建模方式具体过程如下：通过三重周期性（TPMS）基元参数建模方法来生成不规则的Gyroid结构作为多孔结构，通过调整Gyroid结构曲面构造参数，进而调整多孔半月板替代物模型的孔隙形状、孔径和孔隙率。Gyroid曲面参见图1b，原始的多孔结构可通过如下找到TPMS方程的ϕ = 0等值面来生成。该表面是实体和空隙材料相之间的边界。

(Ⅱ)

式(Ⅱ)中，孔径和表面结构由上述函数中的参数a、b和c控制。孔隙度由参数d控制。面积Φ≥0表示实体，Φ<0表示孔隙。（ax、by、cz在取值后为2π的倍数， d的取值正负均可，通过调整a、b、c、d的参数使Gyroid（G）结构变为具有不同孔径、表面结构、孔隙度的孔）。

根据式(Ⅱ)生成G形孔结构三维模型，如图1 b所示，调整Gyroid曲面构造参数，并与图像处理后的半月板三维模型进行布尔运算后，获得孔径大小或孔隙率不同的半月板替代物模型，获得的模型进行下股骨软骨、胫骨软骨压缩应力与剪切应力极值通过力学有限元仿真数据对比，如果跟人体自身半月板匹配或优于人体自身半月板，则构建成功，反之，重新调整a、b、c、d的值，直到模型构建成功，本实施例构建的半月板替代物模型参见图1 f~h。图1f为孔径为500μm、孔隙率为47%的Gyroid曲面孔半月板替代物模型结构（G1），图1g为孔径为500μm、孔隙率为41%的Gyroid曲面孔半月板替代物模型结构（G2），图1h为孔径为700μm、孔隙率为47%的Gyroid曲面孔半月板替代物模型结构（G3）。

本实施例中用户健康半月板的股骨软骨峰值剪切应力为2.054 MPa，股骨软骨峰值压缩应力为4.43 MPa，胫骨软骨峰值剪切应力为2.535 MPa，胫骨软骨峰值压缩应力为7.649 MPa。另外对直接将步骤（1）中得到的半月板模型和G1孔替代物、G2孔替代物、G3孔替代物分别使用Abaqus仿真软件进行膝关节力学有限元仿真测试，得到数据参见图4。

从图4中可以看出， Primitive曲面构成的多孔结构表现出较低的压缩应力；而Gyroid曲面构成的多孔结构表现出较低的剪切应力。原因在于压力通常集中在单元连接处，Primitive曲面结构所采用的球形连接能够非常有效的完成从上至下的力传导，且Primitive结构仅在与载荷施加平行方向上受到压缩应力。而对于Gyroid曲面结构而言，由于缺少与负载作用平行方向上的连接单元，且单元曲面曲率较大，当受到压缩应力作用时，导致局部应力较大。同时，在所提出三种P型结构中，P2结构（孔隙率为41%）比P1、P3（孔隙率为47%）结构能多承受8%压缩应力，可见高密度有利于结构吸能受力。对G型结构而言，孔径尺寸对受力情况影响更为明显。G3型结构（孔径尺寸为700μm）比G1、G2结构（孔径尺寸为500μm）所受剪切应力低21%。从图中还可以看出，实心结构半月板所接触的软骨受力远大于天然半月板下的软骨受力极值。与实心结构相比，多孔半月板植入物可以有效降低膝关节软骨所承受的压缩应力与剪切应力。同时，多孔植入物结构（孔径尺寸、孔隙率）的改变会影响关节软骨受力情况。

利用上述G1孔替代物模型、G2孔替代物模型和G3孔替代物模型制备多孔半月板替代物的方法，本实施例中所述方法为3D打印法，采用单喷头打印，不填充水凝胶，所述支撑材料为PCU。

具体步骤如下：对多孔半月板替代物模型进行切片处理，获得3D打印机的打印路径（切片处理就是使用相关软件，本实施例为Simplify 3D，设置喷头直径为0.4 mm、打印层高为0.3mm、填充率为20%、打印速度为2mm/s、支撑填充角度为45°，对多孔半月板替代物模型进行切片处理，获得完成模型的打印路径，切片处理后受打印填充率、支撑填充角度等参数影响，会生成规则孔，在宏观上体现为纤维排布方向，角度为60°、45°或90°等常见角度），然后将支撑材料注入3D打印机的料筒中，加热至185℃熔化，然后使用200 kPa的压力和2mm/s的沉积速度通过直径为0.4 mm的喷嘴在平台上成型得到多孔半月板替代物。

实施例3

本实施例中多孔半月板替代物模型的设计方法同实施例1。

利用制备的多孔半月板替代物模型制备多孔半月板替代物时，本实施例采用的方法为3D打印法，采用双喷头打印，通过3D打印机填充水凝胶，本实施例中水凝胶为聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物，所述支撑材料为聚碳酸酯型聚氨酯（PCU）颗粒。

具体步骤如下：对多孔半月板替代物模型进行切片处理，获得3D打印机的打印路径（切片处理就是使用相关软件，本实施例为Simplify 3D，设置喷头直径为0.4 mm、打印层高为0.3 mm、填充率为20%、打印速度为2 mm/s、支撑填充角度为45°，对多孔半月板替代物进行切片处理，获得完成模型的打印路径，切片处理后受打印填充率、支撑填充角度等参数影响，会生成规则孔，在宏观上体现为纤维排布方向，角度为60°、45°或90°等常见角度），然后将支撑材料注入3D打印机的料筒中，加热至185℃熔化，然后使用200 kPa的压力和2 mm/s的沉积速度通过直径为0.4 mm的喷嘴在平台上成型得到支撑骨架，沉积制备支撑骨架的同时，将水凝胶填充至支撑骨架的多孔结构中，最终得到多孔半月板替代物。

实施例4

本实施例中多孔半月板替代物模型的设计方法同实施例1。

利用制备的多孔半月板替代物模型制备多孔半月板替代物时，本实施例采用的方法为注模工艺。所述注模材料为水凝胶材料，本实施例中选用明胶/聚乙烯醇复合水凝胶，所述致孔剂为海藻酸钠微粒。

具体步骤如下：首先根据多孔半月板替代物模型获得模具，在明胶/聚乙烯醇复合水凝胶中添加致孔剂后注入模具，待半月板替代物成型后，取出后将其浸泡于乙二胺四乙酸（EDTA）溶液中10天，半月板替代物中海藻酸钠微粒完全溶解，即可获得多孔半月板替代物。

实施例5

同实施例3，区别在于，本实施例中水凝胶为海藻酸钠，当填充水凝胶时，添加光固化剂，当光固化剂与水凝胶的粉末充分搅拌混合后，以混合料与去离子水质量比为1:9的比例加入去离子水配得水凝胶，填充水凝胶后通过紫外线加速水凝胶的固化，所述光固化剂为聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA），光固化剂与水凝胶的质量比为1:1000。海藻酸钠也可以替换为其他聚合物材料（胶原蛋白、明胶、HA、壳聚糖、结冷胶、纤维素、纤维蛋白、聚乙烯醇、聚乙二醇或聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物）。

实施例6

同实施例5，区别在于，所述光固化剂为聚氨酯丙烯酸酯（PUA），填充水凝胶后通过无毒化学试剂加速水凝胶的固化，所述无毒化学试剂为5 wt.%氯化钙溶液。当PUA与海藻酸钠的粉末充分搅拌混合后，加入去离子水，混合料的质量浓度为2%-15%浓度，最终配得水凝胶。

本说明书中支撑材料为高分子聚合物，可以为聚己内酯、聚乳酸、热塑性聚氨酯和聚碳酸酯型聚氨酯中的一种或多种，注模材料为支撑材料或水凝胶材料，水凝胶材料为琼脂糖、藻酸盐、胶原蛋白、明胶、HA、壳聚糖、结冷胶、纤维素、纤维蛋白、聚乙烯醇、聚乙二醇和聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物中的一种或多种，所述致孔剂为藻酸盐微粒、聚氨酯或PEG4000，可以进行替换。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种多孔半月板替代物的建模方法，其特征在于，步骤如下：

步骤二.对患者半月板处股骨、胫骨以及半月板部位的集中压缩应力和剪切应力、应力分布进行参数采集，采用参数化建模方式创建多孔半月板替代物模型中的孔，对孔的孔隙形状、孔径和孔隙率进行设定，然后与图像处理后的半月板模型进行布尔运算拟合成多孔半月板替代物模型后，通过膝关节力学有限元仿真测试，测试多孔半月板替代物模型的集中压缩应力和剪切应力、应力分布，如果多孔半月板替代物模型仿真数据与用户自身半月板数据匹配，则构建成功，反之，重新调整多孔半月板替代物模型中孔的孔隙形状、孔径和孔隙率，重复上述步骤，直至获得最终的半月板替代物模型；

所述参数化建模方式具体过程如下：通过三重周期性基元参数建模方法创建多孔半月板替代物模型中的孔，采用三重周期性基元参数建模方法中不规则的Primitive结构或Gyroid结构，通过调整Primitive结构和Gyroid结构曲面构造参数，进而调整多孔半月板替代物模型中孔的孔隙形状、孔径和孔隙率。

2.根据权利要求1所述的一种多孔半月板替代物的建模方法，其特征在于，所述图像处理步骤如下：将图像进行二值化处理，再利用中值滤波去除CT图像获取和数字化过程中掺杂的噪声，然后利用边缘检测方法对滤波后的图像进行边缘检测及轮廓提取，将批量处理后的图像导入Mimics软件中，对曲线轮廓进行拟合，最终获取与患者相匹配的半月板模型。

3.根据权利要求1所述的一种多孔半月板替代物的建模方法，其特征在于，多孔半月板替代物模型中孔的孔径为0.1～2mm，孔隙率为10～80％。

4.基于权利要求1-3中任一所述的方法制备的多孔半月板替代物模型。

5.一种基于权利要求4所述的模型制备多孔半月板替代物的方法，其特征在于，所述方法为3D打印或注模工艺，当采用3D打印时，对多孔半月板替代物模型进行切片处理，获得3D打印机的打印路径，然后将支撑材料注入3D打印机的料筒中，加热至185～220℃熔化，然后使用200～500kPa的压力和2～10mm/s的沉积速度通过直径为100～1000μm的喷嘴在平台上成型得到支撑骨架，获得多孔半月板替代物；当采用注模工艺时，根据多孔半月板替代物模型获得模具，在注模材料中添加致孔剂后注入模具，待半月板替代物成型后，通过物理化学操作去除致孔剂即可获得多孔半月板替代物，3D打印或注模工艺过程中控制孔的孔径为0.1～2mm，孔隙率为10～80％。

6.根据权利要求5所述的多孔半月板替代物的制备方法，其特征在于，3D打印包括单喷头打印和多喷头打印，当采用单喷头打印时，通过3D打印机制得支撑骨架后，手动填充水凝胶进入支撑骨架的多孔结构中，最终得到多孔半月板替代物；当采用多喷头打印时，通过3D打印机在制备支撑骨架时将水凝胶填充至支撑骨架的多孔结构中，最终得到多孔半月板替代物。

7.根据权利要求6所述的多孔半月板替代物的制备方法，其特征在于，所述支撑材料为高分子聚合物，包括聚己内酯、聚乳酸、热塑性聚氨酯和聚碳酸酯型聚氨酯中的至少一种，当采用注模工艺时，注模材料为所述支撑材料或水凝胶材料，致孔剂为藻酸盐微粒、聚氨酯或PEG4000。

8.根据权利要求6所述的一种多孔半月板替代物的制备方法，其特征在于，所述水凝胶为天然或合成的水凝胶，包括琼脂糖、藻酸盐、胶原蛋白、明胶、HA、壳聚糖、结冷胶、纤维素、纤维蛋白、聚乙烯醇、聚乙二醇和聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物中的至少一种。

9.根据权利要求6所述的一种多孔半月板替代物的制备方法，其特征在于，填充水凝胶时，添加光固化剂，当光固化剂与水凝胶的粉末充分搅拌混合后加入去离子水，混合料的质量浓度为2-15％，最终配得水凝胶，填充水凝胶后通过紫外线或者无毒化学试剂加速水凝胶的固化，所述光固化剂为聚乙二醇二丙烯酸酯或聚氨酯丙烯酸酯，光固化剂与水凝胶的质量比为1:1000，所述无毒化学试剂为5wt.％氯化钙溶液。

10.权利要求5-9中任一所述的方法制备的多孔半月板替代物。