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。

3D打印骨支架结构设计及其应力分布研究

骨支架的应力集中会导致结构发生开裂或坍塌,严重影响骨支架的承载能力。应力集中容易发生在孔与孔的连接处,因此,孔的形状设计是影响骨支架应力的关键因素。以1 mm×1 mm×1 mm的立方体为基础单元,分别构建了正方形孔、正六边形孔、圆形孔和立方密排单元4种三维模型,通过调整孔径获得不同孔隙率的单元体模型。使用有限元方法对单元体模型进行静态压缩数值模拟,结果表明,孔隙率为36%~66%时,最大应力最小的结构是立方密排结构,分别为5.50、7.18、10.53和15.41 MPa;综合应力分布云图和压缩等效模量图,得出立方密排单元结构的力学性能最好。采用选择性激光烧结技术制备立方密排单元结构的支架,该支架具有较好的抗压强度。

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。

基于增强现实的骨缺损修复系统原型设计

结合现有骨支架设计系统和增强现实交互技术,提出一种用于骨缺损修复手术的辅助规划方法与检查系统框架。对其中的显示合成与交互方式进行阐述,并以此为基础开发原型系统,其主要目的是在完成骨支架结构模型设计后,帮助临床医生在快速成形制作的颅骨模型上检验骨支架设计的合理性,完成手术的规划和仿真过程。

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。

骨组织工程支架的研究进展

骨组织工程支架最初用于骨组织的结构性修复,现在负载生物活性物质用于骨诱导和血管形成,促进骨组织生长、修复骨缺损,并呈递生物活性物质。骨组织工程支架负载生物分子或药物等促进成骨和血管生成特性逐渐成为现在研究的热点。在对骨组织工程支架的构建方面,3D打印技术以设计方便,构建不需要模具,可以轻易制备结构复杂、孔隙均匀、几何形态各异的骨组织工程支架,被业内广泛认可。

先进材料在骨缺损修复中的应用研究进展

构筑先进材料实现高效修复骨缺损是骨再生领域的重点和难点之一。本文立足于先进材料在骨缺损修复中的最新研究进展,总结先进材料制备人工骨支架的策略及相关前沿进展,讨论生物活性物质、外源刺激、成像技术、人工智能等在骨缺损修复中的效用,分析先进材料促进骨缺损修复的优势,并对未来多功能集成智能先进材料的发展方向进行展望,以期为骨缺损修复提供更好的理论支持与治疗效果。

骨组织支架的计算机辅助设计方法综述

随着先进的计算机辅助设计和增材制造技术的快速发展,使得制造具有复杂几何结构的骨组织支架成为可能。根据骨组织支架功能设计要求,从几何形态的角度出发将其结构分为规则性多孔结构和不规则多孔结构两大类,并综述了骨组织支架的设计方法,特别强调了两种适合增材制造的设计方法,即三周期极小曲面(TPMS)和拓扑优化。针对骨组织支架结构设计面临的技术挑战,展望了骨组织支架设计方法的可能发展趋势。

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。

不同骨组织工程支架设计与骨传导性、骨诱导性及生物降解性变化的关系

背景:骨移植是临床中骨缺损治疗的主要方法,由于自体移植及异体移植的限制,组织工程骨作为替代品变得尤为重要。理想的组织工程骨需具有良好的生物学特性,这取决于支架材料的微观结构及化学性质等因素。目的:骨组织工程支架的不同设计如何影响支架的骨传导性、骨诱导性及生物降解性3种生物学特性。方法:以"骨组织工程、骨传导性、骨诱导性、黏附、扩散、物理特性、化学特性、结构特性、生长因子、离子、生物降解性、聚合物、无机材料、金属"为中文检索词检索中国知网数据库;以"bone tissue engineering,osteoconduction,osteoinductivity,adhesion,diffusion,physical characteristics,chemical characteristics,structural characteristics,growth factors,ions,biological degradability,polymer,inorganic material,metal"为英文检索词检索Pub Med数据库,收集2000年1月至2021年7月时间段与骨组织工程支架生物学特性相关的文献,最终共纳入91篇文章进行综述分析。结果与结论:(1)支架的骨传导性及骨诱导性的影响因素主要包括物理因素,如支架刚度及表面亲水性、生化因素、表面生化结构、结构因素、孔隙结构和表面形貌,此外,影响骨诱导性的因素还包括诱导分化物质的递送等。(2)对于骨传导性及骨诱导性的设计,可通过改善上述多种因素,进而通过促进蛋白的黏附、调节细胞-支架间的相互作用等机制促进骨再生过程。(3)支架的生物降解性主要与材料性质有关,聚合物、无机材料和金属等不同种类的材料具有不同降解特性和机械性能。(4)骨组织工程支架设计时,可通过结合不同性质的材料,以促进支架的降解性,同时平衡材料的降解性与机械性能间的关系。

基于有限元法的骨组织工程支架力学性能分析及改进设计

目的分析不同孔隙结构和孔隙率骨组织工程支架的力学性能,并对支架的孔隙结构进行改进设计使其性能提高。方法利用SolidWorks软件进行方形孔、球形孔和圆柱形孔3种结构55%~75%孔隙率的支架建模,计算得到各结构的表面积体积比;利用ANSYS Workbench软件进行结构受力的有限元计算,得到支架结构的应力分布和等效压缩模量;根据应力分布的特点,将方形孔的支架结构改进为长方形孔隙结构和长方体单元结构两种支架。结果随着孔隙率的增加,3种结构的表面积体积比均增大,对于相同的孔隙率,方形孔和球形孔的表面积体积比较大,圆柱形孔最小;3种结构的最大压应力总体趋势是随着孔隙率的增加而增大,对于同一孔隙率的3种结构,方形孔的最大压应力最小;3种结构的模量和孔隙率近似呈线性关系,方形孔和圆柱形孔的模量值相近;60%孔隙率的方形孔及两种改进结构应力分析表明,两种改进结构的平行于应力方向的4条棱侧壁应力可减小约15%。结论方形孔的表面积体积比和力学性能比相同孔隙率的球形孔和圆柱形孔结构要更有优势,而改进的两种结构又可以提高方形孔的力学性能,两种改进的孔隙丰富了组织工程支架的结构,研究结果为两种支架的临床应用提供力学依据。

计算机辅助组织工程的发展和现状

计算机辅助技术在组织工程学中的应用已经成为一个新的研究课题——计算机辅助组织工程(CATE)。作者回顾了计算机技术、影像学技术、计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)以及快速成型技术在组织工程学中的应用,主要介绍计算机辅助解剖建模、三维解剖显像、三维重建、基于CAD的解剖建模、计算机辅助组织分类、内植物植入及快速成型辅助外科重建的发展和应用。

计算机辅助骨组织工程技术的研究进展

计算机辅助骨组织工程作为一种新的研究领域可以帮助进行复杂的个性化支架的建模,设计和制造,使支架材料达到理想的物理,化学和生物学性能。本文从骨组织工程支架材料的设计路线出发,综述了计算机辅助技术在骨组织工程支架材料上面的应用,并着重探讨了计算机辅助组织建模、骨组织工程支架的设计和快速成型制造技术的最新进展。