[发明专利]一种基于遗传算法的骨支架孔径分布控制方法

说明书

本发明公开了一种基于遗传算法的骨支架孔径分布控制方法，包括以下步骤：1.1采用等效孔径建立孔径与六面体网格体积之间的关系；1.2确定自然骨内的孔数量；1.3运用网格划分算法对自然骨的表面轮廓模型进行六面体网格划分，并控制六面体的网格数量与自然骨内孔数量相近，计算各组孔的数量；1.4使用遗传算法，通过生成初始种群、计算个体适应值、选择、交叉和变异操作实现自然骨模型内孔大小满足测定的孔径分布规律；1.5将TPMS孔单元映射到每一个六面体网格中，得到满足孔径分布的骨支架模型。本发明易于实现，孔隙模型的生成完全由程序控制，整个骨支架模型的孔隙率以及孔之间的连通能够得到保证，有利于骨细胞生成和成熟分化。

技术领域

本发明涉及骨支架多孔结构建模技术领域，具体地说是，一种基于遗传算法的骨支架孔径分布控制方法。

背景技术

由于骨疾病、先天性畸形、骨创伤等原因，人类会产生大面积的骨缺损，因其很难通过自身愈合恢复，治疗大面积骨缺损的唯一办法就是通过骨移植进行修复。然而，当前采用自体骨、异体骨或人工替代材料修复骨缺损的方法都有各自的局限性，并不能从根本上解决问题。

近年来，随着分子生物学研究的深入和组织工程学的迅速发展，应用生长因子和骨组织工程技术构建组织工程化骨移植材料、进行骨缺损的修复治疗方法有望克服上述方法的局限性，因而逐渐成为领域热点。其基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机体组织、器官病损部位，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的具有形态和功能的相应组织、器官，达到修复创伤和重建功能的目的。

骨组织工程的核心是建立仿生骨支架。仿生支架必须能为新生的骨组织提供必要的力学支撑，同时为骨细胞的黏附、增殖提供合适的三维空间；而且，支架内部的微观孔必须相互贯通，为骨细胞提供合适的营养通道，引导新的骨细胞生成和成熟分化。医学研究证实，仿生支架与种子细胞复合体在体外培养的过程中，支架内部微观孔结构的孔隙率和孔隙大小，对于引导骨组织的再生极其重要。如果孔隙太小，细胞的迁移将受到限制，导致在支架周围形成细胞囊，这种情形将会限制营养物质的扩散和废物的排出；反之，如果孔隙太大，骨支架中的机械性能等将难以满足需求。因此，控制骨支架内部的孔径大小及分布在骨支架的研制中具有重要的地位。

上海大学申请的专利(申请号201010584974)公开了一种基于孔隙网格模型的仿生骨支架设计方法，其主要内容为：使用Micro-CT和Mimics获得人骨外形尺寸数据与内部微观数据，根据孔隙网络模型(PNM)原理，在UG NX软件上生成PNM骨支架三维模型。文献“基于形函数控制的组织工程骨架孔隙结构实体建模方法”(蔡升勇,习俊通,《机械工程学报》,2009：p.297-304)采用有限元中六面体单元对实体模型进行网格剖分；利用有限元中的八结点六面体形函数将参数域中的基本孔隙单元映射为空间域中各种不规则孔隙几何单元，最后通过布尔运算得到骨组织支架模型。虽然这两种方法可以设计出保证孔隙率和连通性的骨支架，但基础孔单元依然为简单的球体，对孔大小未进行有效的控制，设计出的骨支架模型并不能反映自然的孔隙结构。文献“Porous scaffold design using the distancefield and triply periodic minimal surface models”(Yoo DJ,《Biomaterials》,2011:p.7741-7754)介绍了一种基于距离场和三周期极小化曲面(TPMS)的三维多孔支架设计方法。通过距离场算法在解剖模型中的布尔运算和基于TPMS单元库的应用，可以很容易得到具有复杂内部结构和精确外轮廓的多孔支架模型，但该方法并未对孔径分布进行有效控制。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种基于遗传算法的骨支架孔径分布控制方法。

本发明采用如下技术方案实现：

一种基于遗传算法的骨支架孔径分布控制方法，包括以下步骤：