專利名稱：仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到骨組織工程領域的一種仿生骨支架的建模方法，特別是仿生骨支 架內部微觀孔結構的建模方法。
背景技術：
在骨組織工程研究領域中，成骨細胞與仿生骨支架的復合體在體外的共同培 養(yǎng)，是構建組織工程化骨的起始和關鍵，也是目前國內外研究的熱點。從骨組織工程 角度來說，仿生骨支架起到了骨細胞外基質的作用，是對骨細胞外基質結構和功能的仿 生。仿生骨支架是一種由非均質多微孔連通的三維支架結構，它創(chuàng)造一種有利于骨細胞 的粘附、生長、增殖和功能發(fā)揮的微環(huán)境。醫(yī)學研究表明，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狀結構，以利于組織液的滲透、骨 細胞和血管的生長。因此，仿生骨支架模型應該滿足以下的要求(1)具有很大的表面積，以利于細胞的黏附、增殖和分化，以及生長因子等生物 信號分子的負載；(2)具有合適的孔尺寸、高的孔隙率，既要保持一定的力學性能，又要為細胞、 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，且相互導通，以利于細胞生長、營養(yǎng)物質和代謝產物 的流動。關于仿生骨支架內部微觀孔結構的建模，國內外已經報道了一些相關的研究成 果。S.J.Hollister等提出了基于自組織和拓撲優(yōu)化的均勻化理論來構建骨支架的微觀孔 結構，以解決支架的力學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 法來構建骨支架的微觀孔結構，該方法先采用蒙特卡洛法生成骨支架微觀孔結構的二維 模型，然后通過拉伸和疊加構建其的三維模型；吳懋亮和李莉敏等提出了采用CAD方 法來構建骨支架的微觀孔結構，該方法通過單元模型的規(guī)則空間組合構建微觀孔結構的 負型，采用布爾運算獲得骨支架微觀孔結構的三維模型；劉豐等提出了材料點單元堆積 造型方法來構建骨支架的微觀孔結構，以建立具有材料梯度和結構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構，但是仍然存在以下的問 題(1)內部微觀孔形狀比較單一，微觀孔分布比較規(guī)則，不利于骨細胞的黏附和增 殖；(2)有些建模算法比較復雜，人工干預較多，建模效率相對較低；(3)特別是采用蒙特卡洛法構建的支架模型，層與層之間容易產生盲孔，微觀孔 的連通性比較差。

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

圖1所示，通過統(tǒng)計分析發(fā)現，人體骨骼內部的微觀孔是不規(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，選擇橢球體作為負模型的單元 體，其模型定義為一個八元組
權利要求
1.一種仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法，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，運用OBB原理計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，以橢球體作為負模型的單元體，構建支架微觀孔結 構的單元體模型；(3)以橢球單元體模型作為負模型的構建單元，基于多約束背包問題模型，構建支架 微觀孔結構的負模型；(4)針對所構建的支架微觀孔結構的負模型，利用混合遺傳算法求解支架微觀孔結構 負模型的最優(yōu)解；(5)將不含微觀孔的仿生骨支架模型與最優(yōu)化的負模型進行布爾減運算，以生成支架 的內部微觀孔結構。
2.根據權利要求1所述的仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法，其特征在于所 述步驟(2)中，以橢球作為基本單元體，來構建支架微觀孔結構的單元體模型，該模型 定義為一個八元組
3.根據權利要求1所述的仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法，其特征在于所 述步驟(3)中，基于多約束背包問題模型，來構建支架內部微觀孔結構的負模型，該模 型的數學表達如下
4.根據權利要求1所述的仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法，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構負模型的最優(yōu)解，該算法定義為一個 九元組
5.根據權利要求4所述的仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法，其特征在于所 述混合遺傳算法中，以孔隙率作為個體適應度的評價指標，個體適應度函數定義為
6.根據權利要求4所述的仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法，其特征在于所 述混合遺傳算法中，所設計的遺傳算子包括選擇算子Φ、交叉算子Γ、變異算子Ψ、擾 動算子D; Φ采用比例選擇與最優(yōu)保存策略相結合的混合選擇算子；Γ采用均勻交叉算 子；Ψ采用均勻變異算子；D設計為以擾動概率Pd = 0.05產生一個滿足約束的隨機個 體，替代群體中適應度最高的個體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種仿生骨支架內部微觀孔結構的建模方法。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，運用混合遺傳算法來求解支架內部微觀孔結構的負模型；然后，通過不含微觀孔的支架模型與微觀孔結構的負模型之間的布爾減運算，來構造包含微觀孔結構的仿生骨支架模型。本發(fā)明在保證仿生骨支架內部微觀孔結構具有較高的孔隙率和表面積的情況下，改善其內部微觀孔形狀單一、分布不均勻的情況，增大其內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)先權日2010年9月21日
發(fā)明者姚遠, 尤飛, 溫婷, 胡慶夕 申請人:上海大學