[发明专利]一种基于三周期极小曲面的多尺度多孔支架设计方法

说明书

本发明公开了一种基于三周期极小曲面的多尺度多孔支架设计方法，包括分别输入四级三周期极小曲面各自的函数表达式，偏置厚度，三角化最小三角形角度，最大三角形边长；生成一级三周期极小曲面的分层填充区域，得到大孔结构的分层填充区域；生成二级三周期极小曲面的分层孔洞区域，计算介孔结构的分层填充区域；生成三级三周期极小曲面的分层填充区域将分离实体连接为一体，生成可增材制造介孔结构的分层填充区域；生成四级三周期极小曲面的分层孔洞区域，计算微孔结构的分层填充区域；最终输出多尺度多孔支架的分层填充区域。本发明方法稳定可靠，精确高效，在二维平面内进行复杂的多尺度多孔设计，降低了计算资源的消耗。

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计CAD(Computer aided design)和组织工程技术领域，尤其是涉及一种基于三周期极小曲面的多尺度多孔支架设计方法。

背景技术

多孔支架是组织工程技术的关键技术之一，为细胞的吸附、增殖提供基础的生长环境，同时也是营养物质与代谢废物的运输通道，对于细胞的增殖分化情况有直接的影响。不同生化功能以及不同细胞生长对多孔支架的孔径大小需求有很大的差异，在一般的细胞培养环境中，存在孔径大于50nm的大孔、孔径2～50nm的介孔，以及孔径小于2nm的微孔。三种尺度的结构一般同时存在于真实人体组织中发挥着不同的功能，为了尽可能贴近细胞生长的环境，理想的多孔支架应具有多尺度的孔洞，满足各项细胞活动的需求。

传统制造多孔支架的工艺一般包括气体发泡法、纤维粘结法、热致相分离法等，普遍缺乏对生成的孔洞形状、大小的控制，生成的支架连通性难以得到保障，降低了支架的使用性能。近年来，增材制造技术的出现为多孔支架的制造提供了新的解决方案，越来越多研究人员尝试利用增材制造技术工艺制造具有复杂孔洞特征的多孔支架。增材制造技术将三维数字模型离散成一系列的二维层片，再通过不同种类的材料堆积成型设计形状，制造成本与模型内部拓扑复杂程度并无直接关系，因而特别适合制造多孔支架此类复杂拓扑结构。

制造产品的数字模型是增材制造技术的数据输入，精确、高效地设计生成具有多尺度特征的多孔结构是当前计算机辅助设计CAD领域的挑战之一。一般来说设计此类复杂拓扑结构主要有两大技术难点：首先是设计生成的多孔结构必须满足细胞培养的生长需要，为了辅助细胞的附着生长，生成的多孔结构应具有较为光滑的表面，而且孔洞之间应该互相贯通，保证支架的渗透性能；此外计算此类多尺度多孔结构会消耗大量的计算资源，生成的三维模型如果利用增材制造领域通用的离散网格模型保存会消耗庞大的内存空间，给后续的增材制造处理流程带来负担。

三周期极小曲面是一种具有理想表面性能特征的隐式曲面，通过设置不同的曲面函数参数可以直接控制结构的孔隙率和比表面积等关键性能，特别适合建模多孔支架结构。光滑的表面为细胞吸附提供了良好的环境，互相贯通的表面保证了结构的渗透性。目前研究人员尝试利用三周期极小曲面生成多孔支架进行细胞培养增殖，但对于多尺度三周期极小曲面支架的设计方法研究还较少。Yoo提出了一种利用迭代布尔运算的方法生成多尺度的三周期极小曲面多孔支架(参见Yoo D.New paradigms in hierarchical porousscaffold design for tissue engineering[J].Materials Science and Engineering:C,2013,33(3):1759-1772.)，该方法在三维空间迭代挖去孔洞以生成多尺度结构，但是存在计算效率低下、计算结果缺陷较多的缺点，生成的最终结构部分会离散分布，不便于增材制造处理。Yang等人提出了一种边界递变函数生成功能梯度以及多尺度的三周期极小曲面多孔支架(参见Yang N,Zhou K.Effective method for multi-scale gradient porousscaffold design and fabrication[J].Materials Science and Engineering:C，2014，43：502-505.)，该方法本质上还是需要在三维空间进行三周期极小曲面的支架布尔运算，运算效率较低，产生的多尺度结构模型文件较为庞大。