骨組織工程1骨組織工程1前言骨缺損在臨床上十分常見,治療比較困難。如何促進(jìn)骨缺損的盡快愈合,一直是骨科領(lǐng)域努力解決的問題。傳統(tǒng)的治療方法一般采用有自體骨移植、同種異體骨移植和人工骨材料替代,這些方法均不同程度地存在著來源局限且有創(chuàng),免疫排斥及成骨能力不確定等缺點。2前言骨缺損在臨床上十分常見,治療比較困難。如何促前言上世紀(jì)80年代組織工程學(xué)的誕生，為骨缺損的臨床治療開辟了嶄新的道路。組織工程支架的建構(gòu)為骨缺損的臨床治療提供了可能。3前言上世紀(jì)80年代組織工程學(xué)的誕生，為骨缺損的臨兩個概念組織工程：組織工程是運用工程科學(xué)和生命科學(xué)的原理及方法,從根本上認(rèn)識正常的和病理的哺乳動物組織和結(jié)構(gòu)功能的關(guān)系,并研究生物學(xué)的替代物,以恢復(fù)、維持和改進(jìn)組織的生物替代物。組織工程支架：組織工程支架是組織工程學(xué)研究的人工的細(xì)胞外基質(zhì),為細(xì)胞黏附、生長、增殖、新陳代謝、形成新組織提供三維支持。4兩個概念組織工程：組織工程是運用工程科學(xué)和生命科學(xué)的原理及方組織工程支架的三維重建運用組織工程學(xué)的方法，研究組織工程支架的三維重建及其生物材料實現(xiàn)，用程序?qū)崿F(xiàn)支架重建與層層打印。若在建構(gòu)的組織工程支架上植入種子細(xì)胞和生長因子后，能夠使病變或損傷的骨組織恢復(fù)到天然狀態(tài)，達(dá)到骨缺損修復(fù)的極致，從而為臨床治療骨缺損提供技術(shù)支持和保障。5組織工程支架的三維重建運用組織工程學(xué)的方法，研究組織工程支1、三維重構(gòu)

基于斷層數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)是現(xiàn)在國內(nèi)外研究的熱點,最初的應(yīng)用是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。近年來,這項技術(shù)又與工業(yè)上興起的RP技術(shù)相結(jié)合,根據(jù)重構(gòu)的結(jié)果,輔以特殊材料快速制造出病體的替代品,這在外科手術(shù)中取得顯著成效.1973年,第一臺臨床用的計算機斷層掃描裝置(CT)研制成功，隨著電子計算機科學(xué)的發(fā)展,使對CT圖像進(jìn)行三維重構(gòu)成為可能,由此發(fā)展起來一系列的三維重構(gòu)理論。如1990年,德國應(yīng)用快速制造技術(shù)研制出個體匹配性能較好的人工髖關(guān)節(jié)假肢;1997年,美國應(yīng)用快速成型制造出人工下頜骨替代病變骨.61、三維重構(gòu)6臺灣ChangGungUniversity和ChangGungMemorialHospital合作在計算機的輔助下成功的完成了一個八歲患兒的顱骨修復(fù)手術(shù)，醫(yī)生在手術(shù)前利用3D-CT在計算機上重建了顱骨缺損部分的形狀模型，再通過快速成型技術(shù)用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制造出移植的修補骨，與傳統(tǒng)的手術(shù)方法相比，大大減少了手術(shù)時間，提高了手術(shù)效率，保障了手術(shù)的成功率。7臺灣ChangGungUniversity和Chang國內(nèi)外研究現(xiàn)狀清華大學(xué)與第四軍醫(yī)大學(xué)等單位合作，通過快速成型工藝開發(fā)了與人骨組織孔隙結(jié)構(gòu)和材料結(jié)構(gòu)高度類似的大斷骨修復(fù)物，并在國際上率先完成了兔橈骨20mm節(jié)段性缺損修復(fù)試驗，正在積極準(zhǔn)備臨床試驗研究。上海交通大學(xué)與上海市第九人民醫(yī)院合作，在國內(nèi)首次將快速成型技術(shù)設(shè)計與制造的定做式人工關(guān)節(jié)用于臨床實踐。8國內(nèi)外研究現(xiàn)狀清華大學(xué)與第四軍醫(yī)大學(xué)等單位合作，通過快速成型國內(nèi)外研究現(xiàn)狀計算機輔助成型是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的，它采用離散／堆積的概念制造組織工程支架．該技術(shù)首先對實體或其模型的三維CAD進(jìn)行分層處理，得到實體或模型的二維界面信息數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每層的界面數(shù)據(jù)，以特定的方法生成與該層界面形狀一致的薄片．這一過程反復(fù)進(jìn)行，逐層累加，直至完成三維支架模型．9國內(nèi)外研究現(xiàn)狀計算機輔助成型是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的大連理工大學(xué)應(yīng)用Pro/E軟件實現(xiàn)人膝蓋骨的三維重建10大連理工大學(xué)應(yīng)用Pro/E軟件實現(xiàn)人膝蓋骨的三維重建102、三維打印

自1993年美國麻省理工學(xué)院提出基于噴射粘接劑粘接粉末工藝的3DP成形技術(shù)以來，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，國外已經(jīng)開發(fā)出多種新材料新工藝的3DP成形技術(shù)，并已生產(chǎn)出相應(yīng)的三維打印機。美國ZCorp公司與日本RikenInstitute于2000年研制出基于噴墨打印技術(shù)的、能夠作出彩色原型件的三維打印機。美國3DSystems、荷蘭TNO以及德國BMT公司等都生產(chǎn)出自己研制的3DP設(shè)備。112、三維打印11美國的Stratasys公司在03和04年分別銷售了545臺和831臺Dimension系列三維打印機，憑著這優(yōu)異成績連續(xù)兩年超過了3DSystems公司，同樣ZCorp公司也連續(xù)兩年占據(jù)著銷售量第二的位置。目前清華大學(xué)、西安交大、上海大學(xué)等國內(nèi)科研院所也在積極研發(fā)此類設(shè)備。三維打印成型圖片如下幾圖：12美國的Stratasys公司在03和04年分別銷售了545臺不同材料的三維打印技術(shù)成型如下圖：13不同材料的三維打印技術(shù)成型如下圖：131414151516163、三維支架材料分類：1、天然無機材料：珊瑚和珊瑚羥基磷灰石(coralhydroxyapatiteCHA)，陶瓷化骨(trueboneceramicTBC)，膠原(collogen)，殼聚糖(chitosan)，天然骨衍生材料(bioticbonederivedmaterials)2、人工合成的無機材料：主要以生物活性陶瓷和磷酸鈣水泥(calciumphosphatecement，CPC)為主．3、常用的可降解合成高分子材料有聚乳酸(polymerlacticacid，PLA)、聚乙醇酸(polygly—collicacid，PGA)、以及其共聚物PLGA、和聚已內(nèi)酯(polycaprolactam，PCL)等173、三維支架17Vozzi等用微孔注射沉積法制備了PLGA三維多孔支架．該方法是在計算機控制下，通過三軸微孔沉積技術(shù)制備支架的，并能用計算機來控制三維支架的，孔徑等參數(shù)．Narbat等采用溶劑澆鑄法制成了羥基磷灰石-明膠的多孔組織工程支架。Xiong等用低溫沉積技術(shù)制備了聚乳酸／磷酸三鈣復(fù)合材料的三維多孔支架，通過該法制得的支架孔隙率高達(dá)89．6％以上，并且制得支架的機械強度高，可用于骨修復(fù)18Vozzi等用微孔注射沉積法制備了PLGA三維多孔支架．該三、目前研究要點主要研究內(nèi)容：

1、骨組織工程支架的立體重建使用Matlab軟件實現(xiàn)羊前腿骨（部分）的三維重建。腿骨先進(jìn)行斷層掃描（天津第一中心醫(yī)院提供的CT掃描機），然后對圖像進(jìn)行處理，最后完成三維重建?；贑T圖像的人體三維建模大體處理過程是:(1)CT圖像采集和預(yù)處理采集到的斷層圖像首先應(yīng)按序編號整理并進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理內(nèi)容包括圖像格式轉(zhuǎn)換(醫(yī)學(xué)圖像大都采用DICOM格式)和去污濾波處理等。19三、目前研究要點主要研究內(nèi)容：19(2)二維斷層圖像分割和融合把一個斷面圖像劃分為互不相交的多個區(qū)域,每個區(qū)域只包含同一屬性組織(例如肌肉、骨骼等)。正確的分割是正確建模的前提。再將源圖像分割的結(jié)果進(jìn)行綜合（即融合）。(3)多層圖像的綜合不同層圖像的相互位置校準(zhǔn)對整、層間插值和相同屬性人體組織的三維合并。(4)建模存儲及可視化顯示采用合理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲三維數(shù)據(jù),生成各種可視化顯示。其流程如圖2所示。20(2)二維斷層圖像分割和融合20

圖2三維建模及可視化流程圖數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理分層圖像分割多層對齊、插值、區(qū)域合并生成模型存儲可視化顯示21 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理分層圖像分割多層對齊、插值、區(qū)域合并生成模2、骨組織工程支架的三維打印最早由美國麻省理工學(xué)院(MIT)于1993年開發(fā)的三維打印成型技術(shù)(3DP)三維立體打印(ThreeDimensionPrinting，3DP)是快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing，RPM)的一種方法。3DP是用普通的噴墨打印機來實現(xiàn)的。三維立體打印可以生成任何幾何形狀，亦可以打印任何材料包括陶瓷、金屬、聚合物等，甚至可以控制材料組分、微結(jié)構(gòu)、和表層紋理222、骨組織工程支架的三維打印22三維立體打印的過程23三維立體打印的過程233、骨組織工程支架的材料實現(xiàn)根據(jù)支架的組織工程學(xué)的要求，選用聚乳酸（PLA）來完成腿骨支架。通過選用不同的制孔劑和采用不同的方法來提高支架的孔隙率和孔徑，為支架提供更好的支持。

243、骨組織工程支架的材料實現(xiàn)24支架要求：

理想的組織工程支架應(yīng)具備以下條件：⑴良好的生物相容性．在生物體內(nèi)不會引起炎癥或致畸反應(yīng)．⑵適當(dāng)?shù)纳锟山到庑裕诩?xì)胞生長繁殖的同時支架材料同步降解．⑶較高的孔隙率和比表面積，以適于細(xì)胞的黏附和生長，細(xì)胞間的信號傳導(dǎo)，養(yǎng)分傳送，以及降解產(chǎn)物和新陳代謝產(chǎn)物的排出．⑷一定的機械強度．⑸作為細(xì)胞、生長因子和基因的生物載體，并能控制生長因子的釋放．⑹易于加工成所需要的形狀．25支架要求：25組織工程支架的制備技術(shù)1、纖維粘接技術(shù)(fiberbonding)2、微粒瀝濾技術(shù)(particulateleaching)3、氣體發(fā)泡技術(shù)(gasfoaming)4、相分離技術(shù)(phaseseparation)5、微孔注射法（microsyringedeposition）6、薄膜層疊法(membranelamination)等。7、計算機輔助成型技術(shù)包括計算機輔助／低溫沉積技術(shù)(LDM)和計算機輔助／固態(tài)自由成型技術(shù)(快速成型)(RP)兩種。實際使用中常將多種方法混合使用。26組織工程支架的制備技術(shù)26骨組織工程27骨組織工程1前言骨缺損在臨床上十分常見,治療比較困難。如何促進(jìn)骨缺損的盡快愈合,一直是骨科領(lǐng)域努力解決的問題。傳統(tǒng)的治療方法一般采用有自體骨移植、同種異體骨移植和人工骨材料替代,這些方法均不同程度地存在著來源局限且有創(chuàng),免疫排斥及成骨能力不確定等缺點。28前言骨缺損在臨床上十分常見,治療比較困難。如何促前言上世紀(jì)80年代組織工程學(xué)的誕生，為骨缺損的臨床治療開辟了嶄新的道路。組織工程支架的建構(gòu)為骨缺損的臨床治療提供了可能。29前言上世紀(jì)80年代組織工程學(xué)的誕生，為骨缺損的臨兩個概念組織工程：組織工程是運用工程科學(xué)和生命科學(xué)的原理及方法,從根本上認(rèn)識正常的和病理的哺乳動物組織和結(jié)構(gòu)功能的關(guān)系,并研究生物學(xué)的替代物,以恢復(fù)、維持和改進(jìn)組織的生物替代物。組織工程支架：組織工程支架是組織工程學(xué)研究的人工的細(xì)胞外基質(zhì),為細(xì)胞黏附、生長、增殖、新陳代謝、形成新組織提供三維支持。30兩個概念組織工程：組織工程是運用工程科學(xué)和生命科學(xué)的原理及方組織工程支架的三維重建運用組織工程學(xué)的方法，研究組織工程支架的三維重建及其生物材料實現(xiàn)，用程序?qū)崿F(xiàn)支架重建與層層打印。若在建構(gòu)的組織工程支架上植入種子細(xì)胞和生長因子后，能夠使病變或損傷的骨組織恢復(fù)到天然狀態(tài)，達(dá)到骨缺損修復(fù)的極致，從而為臨床治療骨缺損提供技術(shù)支持和保障。31組織工程支架的三維重建運用組織工程學(xué)的方法，研究組織工程支1、三維重構(gòu)

基于斷層數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)是現(xiàn)在國內(nèi)外研究的熱點,最初的應(yīng)用是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。近年來,這項技術(shù)又與工業(yè)上興起的RP技術(shù)相結(jié)合,根據(jù)重構(gòu)的結(jié)果,輔以特殊材料快速制造出病體的替代品,這在外科手術(shù)中取得顯著成效.1973年,第一臺臨床用的計算機斷層掃描裝置(CT)研制成功，隨著電子計算機科學(xué)的發(fā)展,使對CT圖像進(jìn)行三維重構(gòu)成為可能,由此發(fā)展起來一系列的三維重構(gòu)理論。如1990年,德國應(yīng)用快速制造技術(shù)研制出個體匹配性能較好的人工髖關(guān)節(jié)假肢;1997年,美國應(yīng)用快速成型制造出人工下頜骨替代病變骨.321、三維重構(gòu)6臺灣ChangGungUniversity和ChangGungMemorialHospital合作在計算機的輔助下成功的完成了一個八歲患兒的顱骨修復(fù)手術(shù)，醫(yī)生在手術(shù)前利用3D-CT在計算機上重建了顱骨缺損部分的形狀模型，再通過快速成型技術(shù)用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制造出移植的修補骨，與傳統(tǒng)的手術(shù)方法相比，大大減少了手術(shù)時間，提高了手術(shù)效率，保障了手術(shù)的成功率。33臺灣ChangGungUniversity和Chang國內(nèi)外研究現(xiàn)狀清華大學(xué)與第四軍醫(yī)大學(xué)等單位合作，通過快速成型工藝開發(fā)了與人骨組織孔隙結(jié)構(gòu)和材料結(jié)構(gòu)高度類似的大斷骨修復(fù)物，并在國際上率先完成了兔橈骨20mm節(jié)段性缺損修復(fù)試驗，正在積極準(zhǔn)備臨床試驗研究。上海交通大學(xué)與上海市第九人民醫(yī)院合作，在國內(nèi)首次將快速成型技術(shù)設(shè)計與制造的定做式人工關(guān)節(jié)用于臨床實踐。34國內(nèi)外研究現(xiàn)狀清華大學(xué)與第四軍醫(yī)大學(xué)等單位合作，通過快速成型國內(nèi)外研究現(xiàn)狀計算機輔助成型是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的，它采用離散／堆積的概念制造組織工程支架．該技術(shù)首先對實體或其模型的三維CAD進(jìn)行分層處理，得到實體或模型的二維界面信息數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每層的界面數(shù)據(jù)，以特定的方法生成與該層界面形狀一致的薄片．這一過程反復(fù)進(jìn)行，逐層累加，直至完成三維支架模型．35國內(nèi)外研究現(xiàn)狀計算機輔助成型是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的大連理工大學(xué)應(yīng)用Pro/E軟件實現(xiàn)人膝蓋骨的三維重建36大連理工大學(xué)應(yīng)用Pro/E軟件實現(xiàn)人膝蓋骨的三維重建102、三維打印

自1993年美國麻省理工學(xué)院提出基于噴射粘接劑粘接粉末工藝的3DP成形技術(shù)以來，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，國外已經(jīng)開發(fā)出多種新材料新工藝的3DP成形技術(shù)，并已生產(chǎn)出相應(yīng)的三維打印機。美國ZCorp公司與日本RikenInstitute于2000年研制出基于噴墨打印技術(shù)的、能夠作出彩色原型件的三維打印機。美國3DSystems、荷蘭TNO以及德國BMT公司等都生產(chǎn)出自己研制的3DP設(shè)備。372、三維打印11美國的Stratasys公司在03和04年分別銷售了545臺和831臺Dimension系列三維打印機，憑著這優(yōu)異成績連續(xù)兩年超過了3DSystems公司，同樣ZCorp公司也連續(xù)兩年占據(jù)著銷售量第二的位置。目前清華大學(xué)、西安交大、上海大學(xué)等國內(nèi)科研院所也在積極研發(fā)此類設(shè)備。三維打印成型圖片如下幾圖：38美國的Stratasys公司在03和04年分別銷售了545臺不同材料的三維打印技術(shù)成型如下圖：39不同材料的三維打印技術(shù)成型如下圖：134014411542163、三維支架材料分類：1、天然無機材料：珊瑚和珊瑚羥基磷灰石(coralhydroxyapatiteCHA)，陶瓷化骨(trueboneceramicTBC)，膠原(collogen)，殼聚糖(chitosan)，天然骨衍生材料(bioticbonederivedmaterials)2、人工合成的無機材料：主要以生物活性陶瓷和磷酸鈣水泥(calciumphosphatecement，CPC)為主．3、常用的可降解合成高分子材料有聚乳酸(polymerlacticacid，PLA)、聚乙醇酸(polygly—collicacid，PGA)、以及其共聚物PLGA、和聚已內(nèi)酯(polycaprolactam，PCL)等433、三維支架17Vozzi等用微孔注射沉積法制備了PLGA三維多孔支架．該方法是在計算機控制下，通過三軸微孔沉積技術(shù)制備支架的，并能用計算機來控制三維支架的，孔徑等參數(shù)．Narbat等采用溶劑澆鑄法制成了羥基磷灰石-明膠的多孔組織工程支架。Xiong等用低溫沉積技術(shù)制備了聚乳酸／磷酸三鈣復(fù)合材料的三維多孔支架，通過該法制得的支架孔隙率高達(dá)89．6％以上，并且制得支架的機械強度高，可用于骨修復(fù)44Vozzi等用微孔注射沉積法制備了PLGA三維多孔支架．該三、目前研究要點主要研究內(nèi)容：

1、骨組織工程支架的立體重建使用Matlab軟件實現(xiàn)羊前腿骨（部分）的三維重建。腿骨先進(jìn)行斷層掃描（天津第一中心醫(yī)院提供的CT掃描機），然后對圖像進(jìn)行處理，最后完成三維重建?；贑T圖像的人體三維建模大體處理過程是:(1)CT圖像采集和預(yù)處理采集到的斷層圖像首先應(yīng)按序編號整理并進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理內(nèi)容包括圖像格式轉(zhuǎn)換(醫(yī)學(xué)圖像大都采用DICOM格式)和去污濾波處理等。45三、目前研究要點主要研究內(nèi)容：19(2)二維斷層圖像分割和融合把一個斷面圖像劃分為互不相交的多個區(qū)域,每個區(qū)域只包含同一屬性組織(例如肌肉、骨骼等)。正確的分割是正確建模的前提。再將源圖像分割的結(jié)果進(jìn)行綜合（即融合）。(3)多層圖像的綜合不同層圖像的相互位置校準(zhǔn)對整、層間插值和相同屬性人體組織的三維合并。(4)建模存儲及可視化顯示采用合理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲三維數(shù)據(jù),生成各種可視化顯示。其流程如圖2所示。46(2)二維斷層圖像分割和融合20

圖2三維建模及可視化流程圖數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理分層圖像分割多層對齊、插值、區(qū)域合并生成模型存儲可視化顯示47 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理分層圖像分割多層對齊、插值、區(qū)域合并生成模2、骨組織工程支架的三維打印最早由美國麻省理工學(xué)院(MIT)于1993年開發(fā)的三維打印成型