一种测定3D打印多孔植入物的孔径及其分布的方法

一种测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的方法
技术领域
1.本发明涉及3d打印植入物技术领域，尤其涉及一种测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的方法。


背景技术：

2.3d打印技术被誉为第四次工业革命，极大的推动制造业升级发展，广泛应用于航空航天与医疗领域。在骨缺损修复中，高活性骨植入支架提供局部结构支撑，并影响细胞增殖、生长及成骨分化。多孔骨修复支架通常采用牺牲模板法制备，其内部孔结构由牺牲模板的形状、大小及位置决定，呈现不稳定、不均一甚至局部不连通的问题。3d打印技术通过层层堆积制备个性化修复体，内部孔结构同样可以设计，孔隙率可高达75％以上，孔道连通率可达99.99％。
3.研究表明，3d打印内植物的孔径及分布对干细胞的粘附、迁移及血管的生成影响巨大。但3d打印多孔植入物为网状结构孔，所有结构单元孔互联互通，目前还没有可以对多孔植入物进行孔径和孔径分布情况评价分析的方法。
4.cn111728742a公开了一种多孔半月板替代物建模及其制备方法，建模方法如下：用ct扫描患者半月板部位，对扫描图进行图像处理，获取与患者相匹配的半月板模型，对患者半月板处股骨、胫骨以及半月板部位的集中压缩应力和剪切应力、应力分布进行参数采集，采用参数化建模方式，对多孔半月板替代物中孔的孔隙形状、孔径和孔隙率进行设定获得最终的半月板替代物模型。将模型通过3d打印或注模工艺，即可获得多孔半月板替代物。所述方法制备的多孔半月板替代物能够匹配用户自身半月板、移植后有利于半月板组织的快速成型、生物力学性能满足膝关节部位的需求等优点，另外水凝胶与多孔支架的配合，可以极大地提升半月板替代物传递负荷、吸收振荡、提高关节稳定性的效果。但是该专利没有公开如何准确测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布。
5.cn106421904a公开一种凝胶注模3d打印及电解还原制备多孔植入物的方法，包括如下步骤：根据所要植入部位的人体特征，使用医疗影像数据反求模型进行具有微观结构的个性化梯度多孔植入物负型模具的设计；使用光固化成形设备制备梯度多孔植入物负型树脂模具；通过凝胶注模将金属氧化物陶瓷浆料注入负型树脂模具中，高温烧结，得到金属氧化物陶瓷多孔支架；再通过熔盐原位还原制造初级多孔金属植入物；利用化学气相沉积的方法在初级多孔金属植入物表面沉积金属涂层。该方法克服了传统多孔植入物制备方法难以制造形状复杂、尺寸精密、微观结构不可控的缺点，且能实现结构纳米化，有望开辟多孔植入物制备的新途径。但是该方法也没有公开如何准确测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布。
6.cn110146525a公开了一种基于分形理论及ct扫描的煤体孔渗参数预测方法，该方法包括：首先对煤样进行ct扫描实验，获取煤样的二维ct切片；利用三维重建软件准确的对煤样的真实孔裂隙结构进行三维重建，分别得到6种煤样的三维孔裂隙结构模型，统计出各煤样微观参数；然后利用matlab程序导入三维孔裂隙结构数据体，并计算各煤样的三维体
积分形维数；最后，基于ct三维重建得到的孔裂隙结构参数结合迂曲度分形数学模型求得三维空间的迂曲度分形维数，得到孔隙率、渗透率与分形维数的拟合函数，进而准确预测孔隙率、渗透率。但该方法并不能直接转用于3d打印多孔植入物的孔径及其分布的测定。
7.因此，开发一种可以准确测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的方法具有重要意义。


技术实现要素：

8.鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的方法，所述方法通过3d打印多孔植入物进行三维重建，对其中的孔结构进行球形拟合，可以精确测定分析各类复杂的3d打印多孔植入物的孔径及其分布情况，有效解决了现有技术无法测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的问题。
9.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
10.本发明提供一种测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的方法，所述方法包括如下步骤：
11.(1)对3d打印多孔植入物进行x射线ct扫描，得到ct扫描数据；
12.(2)软件处理所述ct扫描数据，得到3d打印多孔植入物的三维重建图像；
13.(3)对所述三维重建图像的孔数据进行处理，构建孔网络模型，对所述孔网络模型中的孔结构进行球形拟合，得出3d打印多孔植入物的孔径及其分布情况。
14.本发明所述的测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的方法首先对3d打印多孔植入物进行x射线ct扫描，对其进行三维重建，在三维重建图像的基础上，拟合每个孔结构的内切球，拟合得到的内切球的直径代表3d打印多孔植入物的孔径，通过统计内切球的直径分布得出孔分布情况。本发明所述的方法测试精度高，准确度好，而且不会对待测定分析的3d打印多孔植入物造成破坏，所述方法操作简单，实现了不同材质，不同成型工艺制得的具有各类复杂孔结构的3d打印多孔植入物的孔径及其分布的快速精确测定。
15.优选地，步骤(1)所述3d打印多孔植入物的材质包括金属、无机非金属或高分子材料中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制的组合包括金属和无机非金属的组合，高分子材料和金属的组合或高分子材料、金属和无机非金属三者的组合。
16.优选地，步骤(1)所述3d打印多孔植入物所采用的成型工艺包括熔融沉积成型工艺、光固化成型工艺、直接挤出工艺、选择性激光烧结工艺、选择性激光熔融工艺或数字光处理工艺中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制的组合包括熔融沉积成型工艺和光固化成型工艺的组合，选择性激光烧结工艺和选择性激光熔融工艺的组合，数字光处理工艺和熔融沉积成型工艺的组合或光固化成型工艺、选择性激光烧结工艺和选择性激光熔融工艺三者的组合。
17.优选地，步骤(1)所述3d打印多孔植入物的孔形状包括均一孔、梯度孔、圆形孔、方形孔或异形孔中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制的组合包括均一孔和梯度孔的组合，圆形孔和方形孔的组合，异形孔和均一孔的组合或梯度孔、圆形孔和方形孔三者的组合。
18.优选地，步骤(1)所述ct扫描的精度≤1μm，例如可以是1μm、0.9μm、0.8μm、0.5μm、0.3μm或0.1μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
19.优选地，所述ct扫描的样本大小≥150μm，例如可以是150μm、180μm、200μm、300μm、500μm或800μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
20.本发明所述ct扫描的样本大小≥150μm，是指样本的长度≥150μm，宽度≥150μm及高度≥150μm。
21.本发明中对ct扫描的电压、电流、分辨率和投影数量不进行详细的限定，可以采用本领域技术人员公知的ct扫描的操作参数进行。
22.优选地，步骤(2)所述软件包括三维重建软件。
23.优选地，所述三维重建软件包括avizo或dragonfly。
24.本发明采用的三维重建软件包括avizo或dragonfly是本领域公知的三维设计可视化软件。
25.优选地，步骤(3)对所述三维重建图像的孔数据进行处理，构建孔网络模型的具体步骤为：
26.(ⅰ)将所述三维重建图像的孔数据导入到软件中，选取多孔材料，使用表面定义将孔隙提取出；
27.(ⅱ)使用指令“分离对象”对孔隙进行分割，划分连通孔和孤立孔；
28.(ⅲ)使用指令“生成孔隙网络模型”构建孔隙网络模型。
29.优选地，步骤(3)对所述孔网络模型中的孔结构进行球形拟合时，拟合球与四周材料为相切关系，拟合球与拟合球之间为相切关系或相离关系。
30.优选地，步骤(3)所述球形拟合得出的拟合球的直径及分布情况即为3d打印多孔植入物的孔径及其分布情况。
31.本发明通过拟合球获得3d打印多孔植入物的孔径、孔隙体积，统计孔径最大值、平均值、标准差，可得到孔径分布柱状图。
32.作为本发明优选的技术方案，所述方法包括如下步骤：
33.(1)对3d打印多孔植入物进行x射线ct扫描，得到ct扫描数据；
34.所述3d打印多孔植入物的材质包括金属、无机非金属或高分子材料中的任意一种或至少两种的组合；所述3d打印多孔植入物所采用的成型工艺包括熔融沉积成型工艺、光固化成型工艺、直接挤出工艺、选择性激光烧结工艺、选择性激光熔融工艺或数字光处理工艺中的任意一种或至少两种的组合；所述3d打印多孔植入物的孔形状包括均一孔、梯度孔、圆形孔、方形孔或异形孔中的任意一种或至少两种的组合；
35.所述ct扫描的精度≤1μm，样本大小≥150mm；
36.(2)软件处理所述ct扫描数据，得到3d打印多孔植入物的三维重建图像；所述软件包括三维重建软件；所述三维重建软件包括avizo或dragonfly；
37.(3)将所述三维重建图像的孔数据导入到软件中，选取多孔材料，使用表面定义将孔隙提取出；之后，使用指令“分离对象”对孔隙进行分割，划分连通孔和孤立孔；最后，使用指令“生成孔隙网络模型”构建孔隙网络模型；对所述孔网络模型中的孔结构进行球形拟合，拟合球与四周材料为相切关系，拟合球与拟合球之间为相切关系或相离关系，得出的拟合球的直径及分布情况即为3d打印多孔植入物的孔径及其分布情况。
38.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
39.本发明提供的测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的方法解决了传统压汞法
无法测定3d打印多孔植入物孔径的问题，通过软件进行三维重建与球形拟合，实现了非破坏性、高精度的分析测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布。
附图说明
40.图1是实施例1中3d打印多孔植入物的三维重建图像。
41.图2是实施例1中3d打印多孔植入物进行球形拟合后的孔径分析图。
42.图3是实施例1中3d打印多孔植入物的孔径分布柱状图。
具体实施方式
43.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
44.下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
45.实施例1
46.本实施例提供一种测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的方法，3d打印多孔植入物为规则的3d打印多孔植入物，所述方法包括如下步骤：
47.(1)将6
×6×
6mm规则的3d打印多孔植入物固定于扫描台，调整方位以利于提高扫描精度；设置扫描参数：电压160kv，电流110μa，分辨率16μm，投影数量1600，扫描精度1μm；对进行x射线ct扫描，得到ct扫描数据；
48.所述规则的3d打印多孔植入物的材质为金属，所采用的成型工艺为光固化成型工艺和选择性激光熔融工艺的组合，孔形状为均一孔、圆形孔和方形孔的组合；
49.(2)采用三维重建软件avizo处理所述ct扫描数据，得到规则的3d打印多孔植入物的三维重建图像，如图1所示；
50.(3)将所述三维重建图像的孔数据导入到软件中，选取多孔材料，使用表面定义将孔隙提取出；之后，使用指令“分离对象”对孔隙进行分割，划分连通孔和孤立孔；最后，使用指令“生成孔隙网络模型”构建孔隙网络模型；对所述孔网络模型中的孔结构进行球形拟合，拟合球与四周材料为相切关系，拟合球与拟合球之间为相切关系或相离关系，孔径分析图如图2所示；通过拟合球获得本实施例中规则的3d打印多孔植入物的孔径、孔隙体积，统计孔径最大值、平均值、标准差，可得到孔径分布柱状图，如图3所示。
51.实施例2
52.本实施例提供一种测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的方法，3d打印多孔植入物为3d打印月骨，所述方法包括如下步骤：
53.(1)将样本大小≥150μm的不规则的3d打印月骨样品固定于扫描台，调整方位以利于提高扫描精度；设置扫描参数：电压180kv，电流120μa，分辨率8μm，投影数量3200，扫描精度0.5μm；对进行x射线ct扫描，得到ct扫描数据；
54.所述3d打印月骨的材质为无机非金属和高分子材料的组合，所采用的成型工艺为熔融沉积成型工艺，孔形状为圆形孔和方形孔的组合；
55.(2)采用三维重建软件软件dragonfly处理所述ct扫描数据，得到3d打印月骨的三维重建图像；
56.(3)将所述三维重建图像的孔数据导入到软件中，选取多孔材料，使用表面定义将
孔隙提取出；之后，使用指令“分离对象”对孔隙进行分割，划分连通孔和孤立孔；最后，使用指令“生成孔隙网络模型”构建孔隙网络模型；对所述孔网络模型中的孔结构进行球形拟合，拟合球与四周材料为相切关系，拟合球与拟合球之间为相切关系或相离关系，得出的拟合球的直径及分布情况即为本实施例不规则的3d打印月骨样品的孔径及其分布情况。
57.实施例3
58.本实施例提供一种测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的方法，3d打印多孔植入物为3d打印股骨头，所述方法包括如下步骤：
59.(1)将样本大小≥150μm的不规则的3d打印股骨头样品固定于扫描台，调整方位以利于提高扫描精度；设置扫描参数：电压160kv，电流120μa，分辨率12μm，投影数量2400，扫描精度0.8μm；对进行x射线ct扫描，得到ct扫描数据；
60.所述3d打印股骨头的材质为无机非金属，所采用的成型工艺为选择性激光烧结工艺和数字光处理工艺，孔形状为均一孔、梯度孔、圆形孔和异形孔的组合；
61.(2)采用三维重建软件软件avizo处理所述ct扫描数据，得到3d打印股骨头的三维重建图像；
62.(3)将所述三维重建图像的孔数据导入到软件中，选取多孔材料，使用表面定义将孔隙提取出；之后，使用指令“分离对象”对孔隙进行分割，划分连通孔和孤立孔；最后，使用指令“生成孔隙网络模型”构建孔隙网络模型；对所述孔网络模型中的孔结构进行球形拟合，拟合球与四周材料为相切关系，拟合球与拟合球之间为相切关系或相离关系，得出的拟合球的直径及分布情况即为本实施例不规则的3d打印股骨头样品的孔径及其分布情况。
63.综上所述，本发明提供的测定3d打印多孔植入物的孔径及其分布的方法解决了传统压汞法等无法测定3d打印多孔植入物孔径的问题，采用三维重建与球形拟合，实现了不同材质，不同成型工艺制得的具有各类复杂孔结构的3d打印多孔植入物的孔径及其分布的快速精确测定。
64.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。