骨组织工程ppt

组织工程支架的三维重建
• 运用组织工程学的方法 ，研究组织工程支架 的三维重建及其生物材料实现，用程序实现 支架重建与层层打印。若在建构的组织工程 支架上植入种子细胞和生长因子后，能够使 病变或损伤的骨组织恢复到天然状态，达到 骨缺损修复的极致，从而为临床治疗骨缺损 提供技术支持和保障 。
1、三维重构
• (2) 二维断层图像分割和融合 把一个断面图像划分为互不相交的多个区域, 每个区域只包含同一属性组织(例如肌肉、骨骼 等) 。正确的分割是正确建模的前提。再将源图 像分割的结果进行综合（即融合）。 • (3) 多层图像的综合 不同层图像的相互位置校准对整、层间插值 和相同属性人体组织的三维合并。 • (4) 建模存储及可视化显示 采用合理数据结构存储三维数据, 生成各种 可视化显示。其流程如图2 所示。
• 台湾 Chang Gung University和Chang Gung Memorial Hospital合作在计算机的 辅助下成功的完成了一个八岁患儿的颅骨 修复手术，医生在手术前利用3D-CT在计算 机上重建了颅骨缺损部分的形状模型，再 通过快速成型技术用聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)材料制造出移植的修补骨，与传统 的手术方法相比，大大减少了手术时间， 提高了手术效率，保障了手术的成功率。
两个概念
• 组织工程：组织工程是运用工程科学和生 命科学的原理及方法,从根本上认识正常的 和病理的哺乳动物组织和结构功能的关系, 并研究生物学的替代物,以恢复、维持和改 进组织的生物替代物。 • 组织工程支架：组织工程支架是组织工程 学研究的人工的细胞外基质,为细胞黏附、 生长、增殖、新陈代谢、形成新组织提供 三维支持。
数据采集及预处理
分层图像分割
多层对齐、插值、区域合并
生成模型存储
可视化显示
图2 三维建模及可视化流程图
2、骨组织工程支架的三维打印
最早由美国麻省理工学院 (MIT) 于 1993 年开发的三维打印成型技术 (3DP)三 维立体打印(Three Dimension Printing， 3DP)是快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，RPM)的一种方法。3DP是用 普通的喷墨打印机来实现的。三维立体打印 可以生成任何几何形状，亦可以打印任何材 料包括陶瓷、金属、聚合物等，甚至可以控 制材料组分、微结构、和表层纹理
基于断层数据的三维重构是现在国内外研究的 热点, 最初的应用是在医学领域。近年来, 这项 技术又与工业上兴起的RP 技术相结合, 根据重构 的结果, 辅以特殊材料快速制造出病体的替代品, 这在外科手术中取得显著成效. • 1973 年, 第一台临床用的计算机断层扫描装置 (CT ) 研制成功，随着电子计算机科学的发展, 使对CT图像进行三维重构成为可能, 由此发展起 来一系列的三维重构理论。 • 如1990 年, 德国应用快速制造技术研制出个体匹 配性能较好的人工髋关节假肢; 1997 年, 美国应 用快速成型制造出人工下颌骨替代病变骨.
国内外研究现状
• 清华大学与第四军医大学等单位合作，通过 快速成型工艺开发了与人骨组织孔隙结构和 材料结构高度类似的大断骨修复物，并在国 际上率先完成了兔桡骨20mm节段性缺损修复 试验，正在积极准备临床试验研究。 • 上海交通大学与上海市第九人民医院合作， 在国内首次将快速成型技术设计与制造的定 做式人工关节用于临床实践。
• 大连理工大学应用Pro/E软件实现人膝盖骨 的三维重建
• 2、三维打印 自1993年美国麻省理工学院提出基于喷射粘 接剂粘接粉末工艺的3DP成形技术以来，经过十几 年的发展，国外已经开发出多种新材料新工艺的 3DP成形技术，并已生产出相应的三维打印机。 • 美国Z Corp公司与日本Riken Institute于2000年 研制出基于喷墨打印技术的、能够作出彩色原型 件的三维打印机。 • 美国3D Systems、荷兰TNO以及德国BMT公司等都 生产出自己研制的3DP设备。
组织工程支架的制备技术
• • • • • • • 1、纤维粘接技术(fiber bonding) 2、微粒沥滤技术(particulate leaching) 3、气体发泡技术(gas foaming) 4、相分离技术(phase separation) 5、微孔注射法（microsyringe deposition） 6、薄膜层叠法(membrane lamination)等。 7、计算机辅助成型技术包括计算机辅助／低温沉 积技术(LDM)和计算机辅助／固态自由成型技术 (快速成型)(RP)两种。 实际使用中常将多种方法混合使用。
• Vozzi 等用微孔注射沉积法制备了PLGA三 维多孔支架．该方法是在计算机控制下， 通过三轴微孔沉积技术制备支架的，并能 用计算机来控制三维支架的，孔径等参 数． • Narbat 等采用溶剂浇铸法制成了羟基磷灰 石-明胶的多孔组织工程支架。 • Xiong等用低温沉积技术制备了聚乳酸／磷 酸三钙复合材料的三维多孔支架，通过该 法制得的支架孔隙率高达89．6％以上，并 且制得支架的机械强度高，可用于骨修复
不同材料的三维打印技术成型如下图：
• 3、三维支架 • 材料分类： • 1、天然无机材料：珊瑚和珊瑚羟基磷灰石(coral hydroxyapatite CHA)，陶瓷化骨(true bone ceramic TBC)，胶原(collogen) ，壳聚糖 (chitosan)，天然骨衍生材料(biotic bone derived materials) • 2、人工合成的无机材料：主要以生物活性陶瓷和 磷酸钙水泥(calcium phosphate cement，CPC)为 主． • 3、常用的可降解合成高分子材料有聚乳酸 (polymer lactic acid，PLA)、聚乙醇酸 (polygly—collic acid，PGA)、以及其共聚物 PLGA、和聚已内酯(polycaprolactam，PCL)等
三、目前研究要点
主要研究内容：
1、骨组织工程支架的立体重建
使用Matlab软件实现羊前腿骨（部分）的三 维重建。腿骨先进行断层扫描（天津第一中心医 院提供的CT扫描机），然后对图像进行处理，最 后完成三维重建。 基于CT 图像的人体三维建模大体处理过程是: • (1) CT图像采集和预处理 采集到的断层图像首先应按序编号整理并进 行预处理。预处理内容包括图像格式转换(医学图 像大都采用DICOM 格式) 和去污滤波处理等。
• 美国的Stratasys公司在03和04年分别销售 了545台和831台Dimension系列三维打印机， 凭着这优异成绩连续两年超过了3D Systems公司，同样Z Corp公司也连续两年 占据着销售量第二的位置。 • 目前清华大学、西安交大、上海大学等国 内科研院所也在积极研发此类设备。 • 三维打印成型图片如下几图：
骨组织工程
前
言
• 骨缺损在临床上十分常见,治疗比较困难。 如何促进骨缺损的尽快愈合,一直是骨科领 域努力解决的问题。 • 传统的治疗方法一般采用有自体骨移植、 同种异体骨移植和人工骨材料替代,这些方 法均不同程度地存在着来源局限且有创,免 疫排斥及成骨能力不确定等缺点。
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前
言
• 上世纪80年代组织工程学的诞生，为骨缺 损的临床治疗开辟了崭新的道路。组织工 程支架的建构为骨缺损的临床治疗提供了 可能。
三维立体打印的过程
3、骨组织工程支架的材料实现
根据支架的组织工程学的要求，选用聚 乳酸（PLA）来完成腿骨支架。通过选用不 同的制孔剂和采用不同的方法来提高支架的 孔隙率和孔径 ，为支架提供更好的支持。
• 支架要求：
理想的组织工程支架应具备以下条件： ⑴ 良好的生物相容性．在生物体内不会 引起炎症或致畸反应．⑵ 适当的生物可降 解性．在细胞生长繁殖的同时支架材料同 步降解．⑶ 较高的孔隙率和比表面积，以 适于细胞的黏附和生长，细胞间的信号传 导，养分传送，以及降解产物和新陈代谢 产物的排出．⑷ 一定的机械强度．⑸ 作 为细胞、生长因子和基因的生物载体，并 能控制生长因子的释放．⑹ 易于加工成所 需要的形状．
国内外研究现状
• 计算机辅助成型是20世纪80年代后期发展 起来的，它采用离散／堆积的概念制造组 织工程支架．该技术首先对实体或其模型 的三维CAD进行分层处理，得到实体或模型 的二维界面信息数据，然后根据每层的界 面数据，以特定的方法生成与该层界面形 状一致的薄片．这一过程反复进行，逐层 累加，直至完成三维支架模型．