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1、人工股骨支架的計(jì)算機(jī)輔助仿生設(shè)計(jì)與優(yōu)化l緒論1．1課題研究的背景及意義組織、器官的喪失或功能障礙是人類健康面臨的主要危害之一，也是人類疾病和死亡的主要原因，因此對組織、器官進(jìn)行缺損的移植治療就顯得尤為急迫，而骨移植是人類除血液移植外最普遍的組織移植。僅在美國每年都有50萬例以上的骨移植手術(shù)，而在全世界每年要實(shí)施220萬例的骨缺損修復(fù)手術(shù)【-】。骨移植的概念從19世紀(jì)提出并進(jìn)行了實(shí)施手術(shù)以來，隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，目前臨床常用的治療方法有三種：自體組織移植、異體組織移植、人工合成組織代用品。自體組織移植被稱為是“黃金標(biāo)準(zhǔn)’’，但
2、是其骨源非常有限，而且附加的外科手術(shù)會增加患者的痛苦；異體移植可以減少患者的痛苦，但是不能保證隨時(shí)取用，而且還存在排異問題；而廣泛采用的金屬合金、高分子聚合物等各種人工骨代替物，由于個(gè)體的外形匹配率和孔隙率不高，連通性和生物相容性差等缺點(diǎn)，故在性能上總是不理想，不能參與正常的新陳代謝活動，還會產(chǎn)生異物反應(yīng)。因此促使人們尋求更優(yōu)化的治療模式，隨著組織工程學(xué)的提出和建立，為人們指引了新的方向12]。組織工程學(xué)是生物醫(yī)學(xué)工程的新興領(lǐng)域，是材料學(xué)、工程學(xué)和生命科學(xué)原理共同發(fā)展并相互融合的產(chǎn)物，是組織培養(yǎng)、材料科學(xué)和移植技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)展的
3、必然結(jié)果，是研究開發(fā)能夠修復(fù)、維持或改善損傷組織功能的生物替代物的一門科學(xué)。目前組織工程學(xué)主要研究：(1)組織工工程化皮膚的研究；(2)組織工程化外周神經(jīng)的研究；(3)組織工程化骨和軟骨的研究；(4)組織工程化肌腱的研究；(5)組織工程化牙體、牙髓和牙周組織的研究：(6)組織工程化心臟瓣膜的研究；(7)泌尿系統(tǒng)的組織工程研究131。組織工程仿生支架的研究是組織工程研究的主要問題之一。在此主要介紹人工骨仿生支架。人工骨仿生支架的作用是它能夠創(chuàng)造一種微環(huán)境，以利于細(xì)胞的粘附、增殖和功能發(fā)揮。人工骨仿生支架除了其制造材料應(yīng)具有生物
4、相容性和降解性，其結(jié)構(gòu)還必須具有較高的孔隙率、良好的連通性和足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以滿足體內(nèi)生長環(huán)境的要求。而且，由于病人個(gè)體化的差異，人工骨仿生支架應(yīng)具有與缺損骨高度相似的外部輪廓，以利于與其它部位更好的匹配，可大大提高缺損骨的修復(fù)成功率。因此亟待建立一種人工骨仿生支架，使其既要具有與病人個(gè)性化缺損骨高度相似的外形，又要具有合適的孔徑、孔隙率和三維貫通性，利于細(xì)胞的附著，組織液流動，引導(dǎo)組織再生，并且還要滿足機(jī)械性能、加工性能的要求，同時(shí)，能夠在支架內(nèi)部植入骨生長因子、成骨細(xì)胞等活性物質(zhì)，達(dá)到快速與人體微循環(huán)相連通，從而促進(jìn)骨組
5、織的生長，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1．2人工骨仿生支架概述組織工程(TissueEngineering，TE)的主要研究內(nèi)容是將細(xì)胞、合成材料或者處理過的天然材料以及組織、細(xì)胞因子和基因治療廣泛地應(yīng)用于體內(nèi)的組織再生或體外的組織構(gòu)建。組織工程有很多的優(yōu)越性，可以設(shè)計(jì)具有功能性的三維組織或器官i町。組織工程中發(fā)展得較迅速并取得可喜成績的是骨與軟骨組織工程研究領(lǐng)域。根據(jù)成骨細(xì)胞生成位置不同，骨組織工程應(yīng)用分為兩種：一是在體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)中獲得足夠的成骨細(xì)胞，然后在體外給予輔助載體材料組裝后植入體內(nèi)：
6、另一種是直接利用成骨因子與載體材料組裝后植入體內(nèi)，成骨因子在體內(nèi)誘導(dǎo)細(xì)胞分化。人工骨仿生支架是骨組織工程的細(xì)胞載體支架，它是一種梯度微孔結(jié)構(gòu)，要求為細(xì)胞增殖創(chuàng)造適宜的環(huán)境，而且應(yīng)該隨著細(xì)胞的增殖生長而逐漸降解，直至消失，使得形成的組織或器官具有與支架相似的形狀。所以支架的材料應(yīng)具有生物降解性，就是在生理或者體內(nèi)的大環(huán)境下，材料中的高分子鏈自動斷裂，進(jìn)而形成的小分子能逐漸通過機(jī)體代謝或被吸收；另外材料的降解速度要與細(xì)胞增殖速度相匹配，由降解所形成的小分子不能對細(xì)胞繁殖不利，所以組織工程支架材料必須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。骨科生物醫(yī)用金屬材料具有良好的生物相容性、可降解性及力學(xué)性能，可植入人體，替換骨組織，使其能夠恢復(fù)并達(dá)到人體骨骼的正常生理功能，廣泛應(yīng)用于骨科臨床，其中鈦是最具有發(fā)展前景的材料之一f5J。1993年，Hofmann把柱狀材料植入人體脛骨末端關(guān)節(jié)，該材料表面涂有多孔Ti和多孔Co．Cr合金，得到不同的骨長入指數(shù)和平均礦化速率舊。Onishi等在多孔Ti合金表面涂覆羥基磷灰石(HA)，植入狗體內(nèi)3個(gè)月后，就能觀察到大量的骨長入現(xiàn)象t7】。目前在大多數(shù)骨移植手術(shù)中，骨源不足始終是醫(yī)生和患者所面臨的棘手
8、問題。人們已經(jīng)研發(fā)出各種人工合成的骨移植替代物，并且已經(jīng)應(yīng)用于臨床，仿生支架是骨組織工程研究的主要方面之一。在外形方面，為了更好的與人體缺損部位相匹配，要求支架必須與患者自體骨表面輪廓相一致，并且要求仿形表面的孑L隙隨著外輪廓的曲率的變化而均勻分布，孔隙與外表面輪廓接觸處無尖角、無破損等；
