[发明专利]孔隙率可控的仿生支架的构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种骨科医疗修复用的人工骨的构建方法，特别涉及一种基于自然骨的孔隙率可控的仿生支架的构建。

背景技术

随着材料科学和医学技术的迅速发展以及人们生活水平、医疗保健、康复水平的提高，加之人口的老龄化，人们对人体组织、器官及骨骼缺损的修复和置换等方面的要求日益迫切。修复由于创伤、感染、肿瘤等疾病导致的各类骨缺损，尤其是肢体长骨骨干的大段缺损，一直是骨科医生面临的难题。骨移植是常规的治疗方法，但自体骨来源有限，异体骨移植则存在免疫排斥及传播疾病的危险。近年来，骨组织工程的兴起为骨缺损的修复治疗开辟了新的研究领域，成骨细胞与支架载体复合在体外共同培养，是骨组织工程构建的起始和关键，也是目前国内外研究的热点。针对这一状况，提出了一种新的解决方案——仿生设计与制造。

具有生物活性的人工骨的构建是仿生学的重要研究内容之一。其是在人体内部植入一种由生物可降解的天然的或人工合成三维细胞支架，并注入一种称为生长因子的分子。细胞按照预制形态的三维支架增殖、分化，与此同时支架逐步降解，最后在人体内生成一个与原来组织的功能和形态基本一致的新的骨骼。

仿生支架是骨组织工程的三要素之一，支架不仅为特定的细胞提供结构支撑，而且还能引导组织再生、控制组织结构。为了满足这些要求，仿生支架的的微观多孔结构构建就显得尤为重要。

目前，随着生物CAD建模技术和快速成型技术的成熟，骨组织多孔结构的三维重建成为可能。但在重建过程中，由人工设计的支架微观孔隙结构与自然真实骨的结构还是有很大差别的，微观组织的孔隙率和连通性不能得到控制，难以完全保证其结构的功能性；并且，传统支架建立方法大多不使用参数化构建思路，致使建立的仿生支架的孔隙率不能及时针对病患的自然骨特性作出调整。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于参数化的孔隙率可控的仿生支架的构建方法，构建更为便捷捷；所得的内部微孔支架模型的微观结构和孔隙率与自然骨更接近，更有利于细胞的培养和成骨替代；内部微孔结构连通率达到100％；其外形轮廓符合破碎骨部分，有利于人工骨的植入。

为了达到上述目的，本发明构思是：首先使用Micro-CT对自然骨进行整体扫描，以获得自然真实骨的微观三维微孔结构信息和三维空间位置密度信息的断面图像，然后利用不同的组织密度不同则其图像的阈值不同的原理，对各断层图像进行阈值处理，区分出组织，获得其二值化的图像。抽取上述二维数据中松质骨的部分，设定生成的三维模型参数值后，便可获得由数字资料构建的松质骨多孔结构模型。其次使用Mimics计算构建的松质骨的孔隙率及贯通率。按此孔隙率在UGNX中建立孔隙结构良好的参数化单元体模型。对所得单元体模型按破碎骨的所需尺寸进行镜像处理，获得一个略大于破碎骨尺寸的多孔结构模型。将该模型与破碎骨的实体模型进行布尔求交运算，即可得到所需的微孔结构的仿生支架模型。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于参数化的孔隙率可控的仿生支架多孔结构的构建，其特征在于操作步骤如下：

(1)使用Micro-CT对所选自然骨进行整体扫描：

使用Micro-CT对所选自然骨整体进行整体扫描，以获得自然真实骨的微观三维微孔结构信息和三维空间位置密度信息的断面图像；

(2)利用阈值法将Micro-CT数据处理为二值化的图像：

对上述各Micro-CT扫描获得的断层图像使用阈值法进行二值化处理，得到仅有黑白两种灰度的图像；

(3)重建自然骨的松质骨多孔结构模型：

在上述灰度图像中，选取其中松质骨的图像区域，设定生成的三维模型参数值后，便可获得由数字资料构建的松质骨多孔结构模型；

(4)使用Mimics软件计算模型的孔隙率及贯通率：

将三维重建后的松质骨多孔结构模型导入Mimics软件中进行计算，得到相关参数；

(5)UG NX下建立单元体模型：

建立按此孔隙率建立孔隙结构良好的参数化单元体模型；

(6)对单元体进行镜像处理：

将单元体模型进行整体缩放，得到一个微孔结构完整、尺寸为2x2x2mm的单元体模型。对该单元体模型进行镜像处理，可得到所需的多孔结构模型；

(7)获得支架模型：

建立真实骨的实体模型，将通过镜像处理获得尺寸大于真实骨模型的三维微孔结构模型，与真实骨模型进行布尔求交运算，即得到所需的多孔结构支架模型。