使用2D医学影像进行3D打印模块化定制大骨缺损支架

来源：生物设计与制造BDM

增材制造技术（AM）革新了组织工程应用中用于患者个体化、三维复杂多孔结构支架的设计和制造。先进的图像获取技术、图像处理和计算机辅助设计方法使得精确设计和增材制造解剖学符合患者个体情况的植入物和支架成为可能。然而这些复杂的技术可能需要花费大量时间、人力和金钱。此外，在紧急治疗时，对于创伤患者可能没有迅速获得必要的成像和制造设备。本研究提出了一种新颖的设计和增材制造方法，用于开发模块化和可定制的支架方块，以适应患者的骨缺损区域。这些模块化支架方块可以根据二维（2D）医学影像，快速组合成任何患者个体化支架，也能解决外科医生无法使用3D打印机或无法等待手术过程中冗长的3D成像、建模和3D打印的问题。该方法首先通过开发骨表面建模算法，根据2D医学影像测量重建患者骨骼模型，无需昂贵的3D成像或分割。该算法可生成患者个体化和平均骨模型。此外，还开发了一种仿生连续路径规划方法，用于根据2D数据或图像直接制造具有所需生物力学特性的多孔支架方块。作者应用该算法，设计的支架方块使用基于挤出的AM工艺进行了3D打印。同时提供指导和说明，以协助外科医生组装支架方块，实现患者个体化大骨缺损的自我修复。

图1 从2D医学图像直接生成最佳配件支架的方法示意图

图2 (a, b) 参考几何实体（RGE）的定义、特征参数和模型参数；(c) 股骨区域

图3 算法II的一般步骤：(a) 创建辅助平面，(b)获取横截面曲线，(c) 聚类横截面曲线，(d) 曲线拟合，(e) 模块的3D模型

图4 算法III的一般步骤

图5 使用逆向工程方法（蓝色）和股骨表面建模算法（红色）获得的不同股骨模型

图6 不同的支架模块图案

图7 最佳配件支架的股骨模型

图8 采用图案1的模块组装最佳配件支架