骨组织工程专题知识专家讲座

骨组织工程骨组织工程专题知识专家讲座第1页前言骨缺损在临床上十分常见,治疗比较困难。怎样促进骨缺损尽快愈合,一直是骨科领域努力处理问题。传统治疗方法普通采取有自体骨移植、同种异体骨移植和人工骨材料替换,这些方法均不一样程度地存在着起源局限且有创,免疫排斥及成骨能力不确定等缺点。骨组织工程专题知识专家讲座第2页前言上世纪80年代组织工程学诞生，为骨缺损临床治疗开辟了崭新道路。组织工程支架建构为骨缺损临床治疗提供了可能。骨组织工程专题知识专家讲座第3页两个概念组织工程：组织工程是利用工程科学和生命科学原理及方法,从根本上认识正常和病理哺乳动物组织和结构功效关系,并硕士物学替换物,以恢复、维持和改进组织生物替换物。组织工程支架：组织工程支架是组织工程学研究人工细胞外基质,为细胞黏附、生长、增殖、新陈代谢、形成新组织提供三维支持。骨组织工程专题知识专家讲座第4页组织工程支架三维重建利用组织工程学方法，研究组织工程支架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，能够使病变或损伤骨组织恢复到天然状态，到达骨缺损修复极致，从而为临床治疗骨缺损提供技术支持和保障。骨组织工程专题知识专家讲座第5页1、三维重构

基于断层数据三维重构是现在国内外研究热点,最初应用是在医学领域。近年来,这项技术又与工业上兴起RP技术相结合,依据重构结果,辅以特殊材料快速制造出病体替换品,这在外科手术中取得显著成效.1973年,第一台临床用计算机断层扫描装置(CT)研制成功，伴随电子计算机科学发展,使对CT图像进行三维重组成为可能,由此发展起来一系列三维重构理论。如1990年,德国应用快速制造技术研制出个体匹配性能很好人工髋关节假肢;1997年,美国应用快速成型制造出人工下颌骨替换病变骨.骨组织工程专题知识专家讲座第6页台湾ChangGungUniversity和ChangGungMemorialHospital合作在计算机辅助下成功完成了一个八岁患儿颅骨修复手术，医生在手术前利用3D-CT在计算机上重建了颅骨缺损部分形状模型，再经过快速成型技术用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制造出移植修补骨，与传统手术方法相比，大大降低了手术时间，提升了手术效率，保障了手术成功率。骨组织工程专题知识专家讲座第7页国内外研究现实状况清华大学与第四军医大学等单位合作，经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，正在主动准备临床试验研究。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定做式人工关节用于临床实践。骨组织工程专题知识专家讲座第8页国内外研究现实状况计算机辅助成型是20世纪80年代后期发展起来，它采取离散／堆积概念制造组织工程支架．该技术首先对实体或其模型三维CAD进行分层处理，得到实体或模型二维界面信息数据，然后依据每层界面数据，以特定方法生成与该层界面形状一致薄片．这一过程重复进行，逐层累加，直至完成三维支架模型．

骨组织工程专题知识专家讲座第9页大连理工大学应用Pro/E软件实现人膝盖骨三维重建骨组织工程专题知识专家讲座第10页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3DP成形技术以来，经过十几年发展，国外已经开发出各种新材料新工艺3DP成形技术，并已生产出对应三维打印机。美国ZCorp企业与日本RikenInstitute于研制出基于喷墨打印技术、能够作出彩色原型件三维打印机。美国3DSystems、荷兰TNO以及德国BMT企业等都生产出自己研制3DP设备。骨组织工程专题知识专家讲座第11页美国Stratasys企业在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出了3DSystems企业，一样ZCorp企业也连续两年占据着销售量第二位置。当前清华大学、西安交大、上海大学等国内科研院所也在主动研发这类设备。三维打印成型图片以下几图：骨组织工程专题知识专家讲座第12页不一样材料三维打印技术成型以下列图：骨组织工程专题知识专家讲座第13页骨组织工程专题知识专家讲座第14页骨组织工程专题知识专家讲座第15页骨组织工程专题知识专家讲座第16页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(coralhydroxyapatiteCHA)，陶瓷化骨(trueboneceramicTBC)，胶原(collogen)，壳聚糖(chitosan)，天然骨衍生材料(bioticbonederivedmaterials)2、人工合成无机材料：主要以生物活性陶瓷和磷酸钙水泥(calciumphosphatecement，CPC)为主．3、惯用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、和聚已内酯(polycaprolactam，PCL)等骨组织工程专题知识专家讲座第17页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，经过三轴微孔沉积技术制备支架，并能用计算机来控制三维支架，孔径等参数．Narbat等采取溶剂浇铸法制成了羟基磷灰石-明胶多孔组织工程支架。Xiong等用低温沉积技术制备了聚乳酸／磷酸三钙复合材料三维多孔支架，经过该法制得支架孔隙率高达89．6％以上，而且制得支架机械强度高，可用于骨修复骨组织工程专题知识专家讲座第18页三、当前研究关键点主要研究内容：

1、骨组织工程支架立体重建使用Matlab软件实现羊前腿骨（部分）三维重建。腿骨先进行断层扫描（天津第一中心医院提供CT扫描机），然后对图像进行处理，最终完成三维重建。基于CT图像人体三维建模大致处理过程是:(1)CT图像采集和预处理采集到断层图像首先应按序编号整理并进行预处理。预处理内容包含图像格式转换(医学图像大都采取DICOM格式)和去污滤波处理等。骨组织工程专题知识专家讲座第19页(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多个区域,每个区域只包含同一属性组织(比如肌肉、骨骼等)。正确分割是正确建模前提。再将源图像分割结果进行综合（即融合）。(3)多层图像综合不一样层图像相互位置校准对整、层间插值和相同属性人体组织三维合并。(4)建模存放及可视化显示采取合理数据结构存放三维数据,生成各种可视化显示。其流程如图2所表示。骨组织工程专题知识专家讲座第20页

图2三维建模及可视化流程图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放可视化显示骨组织工程专题知识专家讲座第21页2、骨组织工程支架三维打印最早由美国麻省理工学院(MIT)于1993年开发三维打印成型技术(3DP)三维立体打印(ThreeDimensionPrinting，3DP)是快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing，RPM)一个方法。3DP是用普通喷墨打印机来实现。三维立体打印能够生成任何几何形状，亦能够打印任何材料包含陶瓷、金属、聚合物等，甚至能够控制材料组分、微结构、和表层纹理骨组织工程专题知识专家讲座第22页三维立体打印过程骨组织工程专题知识专家讲座第23页3、骨组织工程支架材料实现依据支架组织工程学要求，选取聚乳酸（PLA）来完成腿骨支架。经过选取不一样制孔剂和采取不一样方法来提升支架孔隙率和孔径，为支架提供更加好支持。

骨组织工程专题知识专家讲座第24页支架要求：

理想组织工程支架应具备以下条件：

⑴良好生物