人工股骨支架的计算机辅助仿生设计与优化

《人工股骨支架的计算机辅助仿生设计与优化》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、人工股骨支架的计算机辅助仿生设计与优化l绪论1．1课题研究的背景及意义组织、器官的丧失或功能障碍是人类健康面临的主要危害之一，也是人类疾病和死亡的主要原因，因此对组织、器官进行缺损的移植治疗就显得尤为急迫，而骨移植是人类除血液移植外最普遍的组织移植。仅在美国每年都有50万例以上的骨移植手术，而在全世界每年要实施220万例的骨缺损修复手术【-】。骨移植的概念从19世纪提出并进行了实施手术以来，随着现代科学的发展，目前临床常用的治疗方法有三种：自体组织移植、异体组织移植、人工合成组织代用品。自体组织移植被称为是“黄金标准’’，但

2、是其骨源非常有限，而且附加的外科手术会增加患者的痛苦；异体移植可以减少患者的痛苦，但是不能保证随时取用，而且还存在排异问题；而广泛采用的金属合金、高分子聚合物等各种人工骨代替物，由于个体的外形匹配率和孔隙率不高，连通性和生物相容性差等缺点，故在性能上总是不理想，不能参与正常的新陈代谢活动，还会产生异物反应。因此促使人们寻求更优化的治疗模式，随着组织工程学的提出和建立，为人们指引了新的方向12]。组织工程学是生物医学工程的新兴领域，是材料学、工程学和生命科学原理共同发展并相互融合的产物，是组织培养、材料科学和移植技术领域进展的

3、必然结果，是研究开发能够修复、维持或改善损伤组织功能的生物替代物的一门科学。目前组织工程学主要研究：(1)组织工工程化皮肤的研究；(2)组织工程化外周神经的研究；(3)组织工程化骨和软骨的研究；(4)组织工程化肌腱的研究；(5)组织工程化牙体、牙髓和牙周组织的研究：(6)组织工程化心脏瓣膜的研究；(7)泌尿系统的组织工程研究131。组织工程仿生支架的研究是组织工程研究的主要问题之一。在此主要介绍人工骨仿生支架。人工骨仿生支架的作用是它能够创造一种微环境，以利于细胞的粘附、增殖和功能发挥。人工骨仿生支架除了其制造材料应具有生物

4、相容性和降解性，其结构还必须具有较高的孔隙率、良好的连通性和足够的机械强度，以满足体内生长环境的要求。而且，由于病人个体化的差异，人工骨仿生支架应具有与缺损骨高度相似的外部轮廓，以利于与其它部位更好的匹配，可大大提高缺损骨的修复成功率。因此亟待建立一种人工骨仿生支架，使其既要具有与病人个性化缺损骨高度相似的外形，又要具有合适的孔径、孔隙率和三维贯通性，利于细胞的附着，组织液流动，引导组织再生，并且还要满足机械性能、加工性能的要求，同时，能够在支架内部植入骨生长因子、成骨细胞等活性物质，达到快速与人体微循环相连通，从而促进骨组

5、织的生长，具有重要的理论意义和应用价值。陕西科技大学硕士学位论文1．2人工骨仿生支架概述组织工程(TissueEngineering，TE)的主要研究内容是将细胞、合成材料或者处理过的天然材料以及组织、细胞因子和基因治疗广泛地应用于体内的组织再生或体外的组织构建。组织工程有很多的优越性，可以设计具有功能性的三维组织或器官i町。组织工程中发展得较迅速并取得可喜成绩的是骨与软骨组织工程研究领域。根据成骨细胞生成位置不同，骨组织工程应用分为两种：一是在体外细胞培养技术中获得足够的成骨细胞，然后在体外给予辅助载体材料组装后植入体内：

6、另一种是直接利用成骨因子与载体材料组装后植入体内，成骨因子在体内诱导细胞分化。人工骨仿生支架是骨组织工程的细胞载体支架，它是一种梯度微孔结构，要求为细胞增殖创造适宜的环境，而且应该随着细胞的增殖生长而逐渐降解，直至消失，使得形成的组织或器官具有与支架相似的形状。所以支架的材料应具有生物降解性，就是在生理或者体内的大环境下，材料中的高分子链自动断裂，进而形成的小分子能逐渐通过机体代谢或被吸收；另外材料的降解速度要与细胞增殖速度相匹配，由降解所形成的小分子不能对细胞繁殖不利，所以组织工程支架材料必须具有一定的生物降解性和降解速度

7、，以及良好的生物相容性fIJ。骨科生物医用金属材料具有良好的生物相容性、可降解性及力学性能，可植入人体，替换骨组织，使其能够恢复并达到人体骨骼的正常生理功能，广泛应用于骨科临床，其中钛是最具有发展前景的材料之一f5J。1993年，Hofmann把柱状材料植入人体胫骨末端关节，该材料表面涂有多孔Ti和多孔Co．Cr合金，得到不同的骨长入指数和平均矿化速率旧。Onishi等在多孔Ti合金表面涂覆羟基磷灰石(HA)，植入狗体内3个月后，就能观察到大量的骨长入现象t7】。目前在大多数骨移植手术中，骨源不足始终是医生和患者所面临的棘手

8、问题。人们已经研发出各种人工合成的骨移植替代物，并且已经应用于临床，仿生支架是骨组织工程研究的主要方面之一。在外形方面，为了更好的与人体缺损部位相匹配，要求支架必须与患者自体骨表面轮廓相一致，并且要求仿形表面的孑L隙随着外轮廓的曲率的变化而均匀分布，孔隙与外表面轮廓接触处无尖角、无破损等；