骨组织工程中传统与仿生支架结构设计的差异

背景:多孔支架作为新骨生长的临时基质在骨修复过程中起着关键作用,其中多孔支架的结构设计是骨修复过程中的研究重点。目的:综述传统支架(规则、均匀的支架)和仿生支架(不规则、不均匀的支架)在骨组织工程研究领域的应用。方法:检索中国知网(CNKI)、维普、万方、Web of Science、Science Direct、PubMed、EI等数据库,选取2008年1月至2024年3月发表的文献,中文检索词为“骨组织工程,仿生支架,骨小梁,传统支架,骨修复,三周期极小曲面”,英文检索词为“bone tissue engineering,bionic scaffolds,bone trabeculae,traditional scaffolds,bone repair,TPMS”。最终纳入81篇文献进行综述。结果与结论:骨支架的结构设计是实现骨修复和骨再生的关键,骨组织工程中的支架技术已取得显著进展。传统的规则多孔支架因简单的制造流程和良好的机械性能被广泛应用,然而这类支架往往缺乏生物活性,难以模拟自然骨组织的复杂微环境,限制了其在促进细胞增殖和骨再生方面的能力。相反,仿生支架通过模拟自然骨组织的结构特征,提供了更适宜的生理微环境,促进了成骨细胞的增殖、分化及新骨的形成,为骨缺损有效治疗提供了新的思路。尽管仿生支架在理论上具有巨大的潜力,但在实际应用中仍面临诸多挑战,支架的生物相容性、生物活性及长期稳定性等因素仍需通过临床试验进行进一步验证。

基于分形理论的人体骨微观结构仿生设计

利用分形理论对人体骨微观结构进行了分形特性描述 ,根据分形维构造符合人体要求的微孔结构 ,利用快速成型制造技术 ,从仿生学的角度提出了一种新的人体骨微观结构三维建模设计方法。

基于知识库的骨支架可控分形设计

骨支架微观结构知识表达的欠缺,制约了可靠的人工骨支架仿生设计的科学依据和准则,间接影响骨支架仿生制造的研究和进展。基于Hausdorff分形几何理论,按照分形维数建立骨骼微孔形态分形维数知识规则,并根据分`形维数与孔隙率关系模型建立了二维平面骨支架孔隙率知识规则。系统地建立了从骨骼微观形态到人体骨微孔支架仿生设计的知识库设计方法。在分形维数与孔隙率双耦合因素作用下系统分析了孔隙率、孔填充数量与孔分形维数之间的关系,并分析和研究了微孔的分形维数和数量对填充之后的二维结构图的分形维数和孔隙率的影响。结果表明基于知识库的人工骨支架可控分形理论可以根据个体差异仿生设计骨支架微观结构特征,能够有效地为仿生制造提供驱动模型。

基于医学图像的人工骨三维仿生设计

基于医学图像的人工骨三维仿生设计,包括两方面内容:在对医学图像数字化处理分析的基础上进行的人工骨外部结构三维重建和内部微观结构仿生设计。由此能够设计出具有仿生微孔内部结构并与人体实际骨外部形状极其相似的人工骨。本文同时提出了一种基于人工骨三维仿生模型的多材料快速成型加工方法。

立体编织构造的仿生微结构及对骨修复的促进作用

本文提出应用立体编织技术和快速成形技术分别制造支架内部结构的负型模具和外形结构的支撑模具,将多种生物材料和生长因子装配制备可降解生物仿生骨支架。设计25mm犬桡骨缺损修复实验,研究材料相同时,构造结构的支架(试验组)和均匀混合材料的支架(对照组)对骨修复的作用。结果显示两种支架均具有良好的生物相容性、骨传导和骨诱导作用。构造结构的支架明显促进新骨形成,材料内外同时降解,并引导新生组织首先在设计管道内成骨。分析认为该方法在复合多种材料时不需要高温烧结,不产热、可塑性极好,不改变材料和生长因子的性质,连通的管道保证了短时间内不同的生物材料对新骨形成作用同时存在,相互促进。

基于知识的人工骨三维结构仿生设计研究

针对目前人工骨设计中产生的生物活性差、设计周期长、植入人体内出现排异现象等问题,提出了一种基于知识的人工骨三维结构仿生设计方法;结合人体的知识模型,分成人工骨外部三维重建和内部微观结构仿生设计两部分,可以设计出具有内部仿生微观结构和外部与实际骨形状相似的人工骨。

骨支架多孔结构建模综述

3D打印技术的快速发展为复杂多孔骨支架的加工成型开创了条件,也使得组织工程支架研究工作重心从制造转向原型设计和高端个性定制。针对仿生骨支架复杂结构建模问题,重点介绍了造孔单元和功能梯度结构设计的研究现状,总结了现阶段仿生骨支架数字化设计中存在的问题,并展望了未来可能的研究方向。

图像处理技术在人工骨三维仿生设计中的应用

基于图像的人工骨三维仿生设计,包括两方面内容:在对图像数字化处理分析的基础上进行的人工骨外部结构三维重建和内部微观结构仿生设计。由此能够设计出具有与人体实际骨外部形状极其相似的人工骨。图像处理包括图像预处理、图像分割、三维可视化三个功能子集。