基于三维周期性极小化曲面的骨组织支架建模方法研究

发布时间：2019-11-24 17:19

【摘要】：信号分子(生长因子、诱导因子)、组织支架和诱导细胞构成了骨组织工程的三要素，其中支架的设计和制造技术是整个研究领域的核心。在骨组织构建过程中，支架承载了信号分子和诱导细胞，并引导骨细胞向特定的形状增殖和分化，支架的孔隙率和孔的大小对这些性能会产生很大的影响，因此在三维骨组织工程支架的构建时，必然要使孔隙率和孔的大小保持在一个合适的范围内。本文从以下几个方面研究骨组织工程支架的构建方法，并保证支架的相关要素能够满足一定的要求。 (1)开发了可以按照不同的切层高度对各种3D模型进行分层的算法，并且对切层后得到的轮廓线段按照一定的规律(逆时针或顺时针)进行了排序，，得到存储了轮廓环拓扑信息的容器。 (2)论述一种新的支架造孔单元—TPMS(Triply Periodic Minimal Surfaces)，给出了其构建的方法,并确定了TPMS可作为造孔的单元的可行性。确定了造孔单元的相关设计参数与孔隙率和孔隙大小的关系，并根据这种关系设计满足实际需求的造孔单元。 (3)针对3D模型切层后可能得到各种二维截面轮廓，开发了各自对应的填充算法，从而得到既能保持模型的整个外观结构，又能包含其内部拓扑信息的填充数据。 (4)在VC++6.0平台上结合OpenGL技术，开发出骨组织工程支架建模的软件。通过分析快速成型设备的CLI格式接口文件的数据格式，实现了将构建的组织支架保存为这种类型的文件。
【图文】：

分形结构,轮廓

tarly[29]等人提出将三维 CAD 模型进行一定的处理，生成 RP 设的文件，而不用转化为通用的 STL 文件。这种方法的好处是省件的步骤，构建三维模型比较直接，效率高，而且生成的文件只拓扑信息，最后得到的数据文件较小，更重要的是这种方法避免件后所带来的数据冗余过大对计算机处理性能以及模型拓扑信息但是不同的快速成型设备所支持的文件格式也不一样，因而这种性。作炳[30]分析骨组织的微孔结构发现，这些微孔大小不一，轮廓是它们的结构却存在一定的相似性，用统计学的话说是具有分形性些典型的分形轮廓图。他利用这个发现，提出了一种新的支架构种轮廓作为种子，利用 Monte Carlo 撒点法，在模型的二维轮廓后构建成具有孔隙结构的二维支架模型，如图 1-3 所示，然后再维的支架。这种方法得到的支架内部孔隙分布比较散乱，孔隙率要求进行控制，而且孔与孔之间的连通性也较差，在接种了种子质和代谢废物不能顺利进行运输。

蒙特卡罗法,骨组织,支架

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文6图1-3 蒙特卡罗法构建的骨组织二维微观结构(二) 先生成支架的三维模型再快速成型制造A.Armillotta[31]等人根据 FDM 技术的加工特点，提出了一种先在 CAD 模型中构建数字化的堆叠模型，可以任意控制间隙，然后将堆叠后的模型与仿生支架的外形进行布尔求交，得到具有孔隙结构的支架数据模型，然后输出为 STL 文件，导入到快速成型机中进行加工。用这种方法构建支架时，整个模型孔隙率的分布比较均匀，孔与孔之间的连通性也较好，至于孔隙率的控制，则可以在 CAD建模时进行控制。这样得到的支架模型虽然整体外观与原始模型接近，但仍然比较粗糙。吴懋亮[32]等人提出了一种通过预先在三维造型软件中设计微单元体(球体、正十二面体)，然后根据仿生组织整体的外形尺寸在空间中对这些单元体进行排列
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R318.08;TP391.7

【参考文献】