[发明专利]一种基于孔隙网络模型的仿生骨支架设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种骨科手术修复用的人工骨支架的设计方法，特别涉及一种基于孔隙网络模型（PNM）的仿生骨支架构建方法。

背景技术

长期以来骨缺损的治疗是困扰人类的一大难题。随着医学技术特别是骨科技术的迅速发展以及医疗保健、康复消费水平的快速提高，和现代生活节奏的加快导致的车祸等意外的骨骼创伤案例的增多，再加上人口趋于老龄化，这些因素都直接导致人们对骨骼缺损的修复和置换的要求日益迫切。在骨科手术中，肢体长骨骨干的大段缺损，一直是骨科医生面临的难题。临床证明，骨移植是修复由于骨意外事故造成的骨创伤、疾病造成的各类骨缺损的最佳方法。但是自体骨的来源非常有限，并且不适合大块骨缺损的修补；另一方面，异体骨移植是一种可接受的方法，但也存在供需矛盾和排异反应等问题。因此，在医学界人们渴望得到一种能取代自体同源骨和同种异体骨的仿生骨移植，它既能减少自体骨移植中附加给患者的痛苦，又可以避免了术后的各种排异反应。随着生物医学、材料科学、计算机、先进制造技术的发展，组织工程技术被越来越多的用于可替换骨组织的培养，并发展成为专门的骨组织工程技术。骨组织工程的发展，为骨缺损修复提供了骨科手术的材料——人工骨。

随着包括医学连续切片处理、CT、MRI、光学显微镜等等非侵入性影像技术和仪器的发展，以及数字图像处理、计算机图形学的发展，使得我们可以方便地获得自然骨的解剖学三维影像数据，从而得到自然骨的三维结构与形态，为得到适合的仿生骨支架成为可能。计算机辅助组织工程（CATE）的出现、计算机辅助设计（CAD）软件和快速成形技术（RP）的发展则为仿生骨支架的制造提供了技术支持。将这些技术结合起来，可以更好的实现对骨支架外观特征和内部结构的设计。

组织工程的基本思路是将骨源细胞植入到可体内降解的人工骨支架上，在有利于细胞和组织生长的环境下培养一段时间成半成品骨，然后植入体内以取代受损骨，同时骨支架随着骨细胞的增殖和钙化逐步降解，逐渐生长为一个与原有骨组织的功能和形态基本一致的新骨骼，最终与宿主融为一体。

在组织工程研究中，骨支架是种子细胞生长的温床，是工程化组织的骨支架。它作为骨源细胞的载体和引导细胞生长和分化的管道，骨支架在微观上具有复杂的多孔介质三维结构。

目前，随着医学CAD建模技术和RP技术的发展，骨组织多孔介质三维结构的重建成为可能。但在重建过程中，由现有的骨支架微观孔隙结构与自然真实骨差别很大，微观组织结构上，孔隙率、连通率不能得到有效控制，或由于孔隙管道结构太过规则而难以保证其结构的功能性，并且难以进行参数控制。

本发明是基于孔隙网络模型（PNM）的构建方法，仿生岩心模型的多孔介质三维空间结构，本方法易于实现，内部微孔模型结构保证骨支架的孔隙率和连通性，有利于骨源细胞的繁殖和分化钙化。

岩心模型的重构采用PNM模型的原理，二维仿生岩心结构图和按照模拟退火算法生成的岩心孔隙网络模型已经被重构出来，并在石油开采、环保等领域应用普遍。

PNM由喉道及其相连的孔隙体构成，喉道代表狭长的“管道”空间，孔隙代表喉道交接处相对较大的空间。在渗流理论中，孔隙和喉道相当于两个术语——“点”和“边”。根据渗流理论的基本思想，可以用不同大小的、相互连接的“点”和“边”构成的随机网络模型近似代表空间结构复杂的多孔介质系统。孔隙体和喉道被设定为一些理想的几何形状，并具有相应的几何参数，如球体，圆柱体、椭球体等。孔隙之间的连通性用配位数z描述，孔隙体相连的喉道数即为z，当所有喉道的z≥2时，介质可以在网络模型中运移，我们用所有喉道的平均配位数Z来表征贯通率，Z越大，PNM贯通率越大。是一种随机的PNM模型。

PNM算法思想是：根据所需实体外观尺寸建立空间三维实体A，然后在实体A内部按照设定算法撒上一定数量的点作为球心，并给这些球赋予一定的直径，然后用实体A对这些球体进行布尔减运算，最后通过修补和完善，得到PNM模型骨支架。PNM骨支架除了用球空腔取代孔隙空间外，还可以用其他的理想形状，如椭球体、圆柱、长方体等，也可综合运用。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于孔隙网络模型的仿生骨支架建模方法，它将PNM建模思想引入到骨支架的构建中。本方法易于实现，其内部微孔模型结构保证骨支架的孔隙率和连通性，有利于骨源细胞的繁殖和分化钙化。