基于松质骨结构的仿生多孔支架的多目标优化设计

目的骨质疏松性骨缺损患者随年龄增长,骨再生抑制剂逐渐积累,缺损面积变大且程度不一。研究者们对骨质疏松性骨缺损进行骨再生研究时,往往缺乏对不同骨质状态的针对性,为此本研究根据骨缺损程度来个性化设计植入体结构。方法以不同月龄和骨质状态的大鼠椎体松质骨为例,根据20、30及38周龄未进行卵巢去除手术和30及38周龄卵巢去除手术大鼠椎体松质骨影像,计算其微观结构,力学性能及质量传输特性参数。然后针对30和38周龄卵巢去除椎体松质骨,通过NSGA-Ⅱ算法分别对Schoen Gyroid及Schoen I-WP支架进行多目标优化,得到高比表面积,高屈服强度和高渗透率的支架结构。最后通过复杂比例因子评估方法,分别对30OVX组和38OVX组优化出来的支架综合性能进行评估得到适合每组卵巢去除椎体松质骨的最优支架。结果及结论相比未进行卵巢去除手术大鼠,卵巢去除大鼠椎体松质骨结构严重退化,力学性能下降,发生骨质疏松性骨缺损,且随月龄增加,该负面影响逐渐加剧。多目标优化出来的4个支架均满足力学和生物学要求,但不管是30OVX组还是38OVX组,均为Schoen I-WP支架的综合性能优于Schoen Gyroid支架。本研究提出的优化设计方法框架适用于不同年龄段、骨骼部位及骨质状态骨缺损,对骨缺损修复的个性化治疗具有应用潜力。