專利名稱：仿生骨支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到骨組織工程領(lǐng)域的一種仿生骨支架的建模方法，特別是仿生骨支 架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的建模方法。
背景技術(shù)：
在骨組織工程研究領(lǐng)域中，成骨細(xì)胞與仿生骨支架的復(fù)合體在體外的共同培 養(yǎng)，是構(gòu)建組織工程化骨的起始和關(guān)鍵，也是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。從骨組織工程 角度來說，仿生骨支架起到了骨細(xì)胞外基質(zhì)的作用，是對骨細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的仿 生。仿生骨支架是一種由非均質(zhì)多微孔連通的三維支架結(jié)構(gòu)，它創(chuàng)造一種有利于骨細(xì)胞 的粘附、生長、增殖和功能發(fā)揮的微環(huán)境。醫(yī)學(xué)研究表明，要使仿生骨支架具有生物活 性，它必須是具備合適的孔隙率和多孔貫通的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以利于組織液的滲透、骨 細(xì)胞和血管的生長。因此，仿生骨支架模型應(yīng)該滿足以下的要求(1)具有很大的表面積，以利于細(xì)胞的黏附、增殖和分化，以及生長因子等生物 信號分子的負(fù)載；(2)具有合適的孔尺寸、高的孔隙率，既要保持一定的力學(xué)性能，又要為細(xì)胞、 血管等組織的生長提供合理的空間；(3)微觀孔呈多樣性，以利于骨單位的形成，且滿足不同組織生長的需要；(4)微觀孔分布相對均勻，且相互導(dǎo)通，以利于細(xì)胞生長、營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物 的流動(dòng)。關(guān)于仿生骨支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的建模，國內(nèi)外已經(jīng)報(bào)道了一些相關(guān)的研究成 果。S.J.Hollister等提出了基于自組織和拓?fù)鋬?yōu)化的均勻化理論來構(gòu)建骨支架的微觀孔 結(jié)構(gòu)，以解決支架的力學(xué)性能和孔隙率之間的沖突；楊楠和饒高等提出了采用蒙特卡洛 法來構(gòu)建骨支架的微觀孔結(jié)構(gòu)，該方法先采用蒙特卡洛法生成骨支架微觀孔結(jié)構(gòu)的二維 模型，然后通過拉伸和疊加構(gòu)建其的三維模型；吳懋亮和李莉敏等提出了采用CAD方 法來構(gòu)建骨支架的微觀孔結(jié)構(gòu)，該方法通過單元模型的規(guī)則空間組合構(gòu)建微觀孔結(jié)構(gòu)的 負(fù)型，采用布爾運(yùn)算獲得骨支架微觀孔結(jié)構(gòu)的三維模型；劉豐等提出了材料點(diǎn)單元堆積 造型方法來構(gòu)建骨支架的微觀孔結(jié)構(gòu)，以建立具有材料梯度和結(jié)構(gòu)梯度的仿生骨支架模 型。以上這些建模方法均可以生成仿生骨支架的微觀孔結(jié)構(gòu)，但是仍然存在以下的問 題(1)內(nèi)部微觀孔形狀比較單一，微觀孔分布比較規(guī)則，不利于骨細(xì)胞的黏附和增 殖；(2)有些建模算法比較復(fù)雜，人工干預(yù)較多，建模效率相對較低；(3)特別是采用蒙特卡洛法構(gòu)建的支架模型，層與層之間容易產(chǎn)生盲孔，微觀孔 的連通性比較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種仿生骨支架內(nèi)部微觀孔 結(jié)構(gòu)的建模方法。在保證仿生骨支架具有較高的孔隙率和表面積的情況下，改善其內(nèi)部 微觀孔形狀單一、分布不均勻的情況，增大其內(nèi)部連通孔道的扭曲度，從而提高仿生骨 支架模型的性能，使其具有較強(qiáng)的生物活性。為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案。一種仿生骨支架內(nèi)部微觀 孔結(jié)構(gòu)的建模方法，其特征在于建模步驟如下第一步計(jì)算仿生骨支架模型的最小包容盒輸入仿生骨支架的實(shí)體模型，基于OBB原理計(jì)算支架的最小包容盒，作為微觀 孔結(jié)構(gòu)負(fù)模型的空間約束邊界。第二步構(gòu)建支架微觀孔結(jié)構(gòu)的單元體模型如

圖1所示，通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，人體骨骼內(nèi)部的微觀孔是不規(guī)則的分形體， 這些微觀孔的表面積和體積之比更接近于橢球體。因此，選擇橢球體作為負(fù)模型的單元 體，其模型定義為一個(gè)八元組
權(quán)利要求
1.一種仿生骨支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的建模方法，其特征在于建模步驟為(1)基于不含微觀孔的仿生骨支架模型，運(yùn)用OBB原理計(jì)算仿生骨支架模型的最小 包容盒；(2)在最小包容盒的約束空間內(nèi)，以橢球體作為負(fù)模型的單元體，構(gòu)建支架微觀孔結(jié) 構(gòu)的單元體模型；(3)以橢球單元體模型作為負(fù)模型的構(gòu)建單元，基于多約束背包問題模型，構(gòu)建支架 微觀孔結(jié)構(gòu)的負(fù)模型；(4)針對所構(gòu)建的支架微觀孔結(jié)構(gòu)的負(fù)模型，利用混合遺傳算法求解支架微觀孔結(jié)構(gòu) 負(fù)模型的最優(yōu)解；(5)將不含微觀孔的仿生骨支架模型與最優(yōu)化的負(fù)模型進(jìn)行布爾減運(yùn)算，以生成支架 的內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生骨支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的建模方法，其特征在于所 述步驟(2)中，以橢球作為基本單元體，來構(gòu)建支架微觀孔結(jié)構(gòu)的單元體模型，該模型 定義為一個(gè)八元組
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生骨支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的建模方法，其特征在于所 述步驟(3)中，基于多約束背包問題模型，來構(gòu)建支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的負(fù)模型，該模 型的數(shù)學(xué)表達(dá)如下
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生骨支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的建模方法，其特征在于所 述步驟(4)中，利用混合遺傳算法求解微觀孔結(jié)構(gòu)負(fù)模型的最優(yōu)解，該算法定義為一個(gè) 九元組
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的仿生骨支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的建模方法，其特征在于所 述混合遺傳算法中，以孔隙率作為個(gè)體適應(yīng)度的評價(jià)指標(biāo)，個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)定義為
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的仿生骨支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的建模方法，其特征在于所 述混合遺傳算法中，所設(shè)計(jì)的遺傳算子包括選擇算子Φ、交叉算子Γ、變異算子Ψ、擾 動(dòng)算子D; Φ采用比例選擇與最優(yōu)保存策略相結(jié)合的混合選擇算子；Γ采用均勻交叉算 子；Ψ采用均勻變異算子；D設(shè)計(jì)為以擾動(dòng)概率Pd = 0.05產(chǎn)生一個(gè)滿足約束的隨機(jī)個(gè) 體，替代群體中適應(yīng)度最高的個(gè)體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種仿生骨支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的建模方法。本方法基于多約束背包問題模型，采用橢球體作為基本單元體，骨支架模型的最小包容盒作為約束空間，運(yùn)用混合遺傳算法來求解支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)的負(fù)模型；然后，通過不含微觀孔的支架模型與微觀孔結(jié)構(gòu)的負(fù)模型之間的布爾減運(yùn)算，來構(gòu)造包含微觀孔結(jié)構(gòu)的仿生骨支架模型。本發(fā)明在保證仿生骨支架內(nèi)部微觀孔結(jié)構(gòu)具有較高的孔隙率和表面積的情況下，改善其內(nèi)部微觀孔形狀單一、分布不均勻的情況，增大其內(nèi)部連通孔道的扭曲度，從而提高仿生骨支架模型的性能，使其具有較強(qiáng)的生物活性。
文檔編號G06F17/50GK102024076SQ20101029123
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者姚遠(yuǎn), 尤飛, 溫婷, 胡慶夕 申請人:上海大學(xué)