组织损伤原位定制化修复的积木式3D打印支架

来源： EngineeringForLife

急性创伤时需要个性化定制的生物支架来修复骨缺损，然而目前定制支架需要经历扫描、医工交互设计、送工厂3D打印、手术植入等众多步骤，周期过长，难以满足临床快速响应需求。LEGO®积木通过基本的模块可以组装成各种形状，那可否先3D打印出生物支架的基本模块，在手术现场根据缺损位置形状快速原位拼装，从而实现创伤的精准修复？为此，来自杭州电子科技大学的邵惠锋副教授与浙江大学贺永教授合作，创新性地提出了类似LEGO®积木概念的模块化支架，结合机器视觉在手术现场辅助医生快速组装，实现了针对不规则缺损形状的个性化支架智能制造。相关研究成果以“Modular scaffolds with intelligent visual guidance system for in situ bone tissue repair”为题发表于《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上，博士生夏鹏程和硕士生张涛为论文的共同一作，杭电邵惠锋副教授和浙大贺永教授为共同通讯作者。

研究的创新之处在于提出了模块化支架的创新理念，利用灵活的骨支架单元结构在手术现场进行快速组装，解决了常规3D打印生物支架制造周期长的痛点；通过机器视觉技术精确识别组织缺损并捕获3D图像，结合智能算法生成支架的最优组装策略，为患者提供高度个性化的修复方案。（图1所示）

图1 一种针对特定缺损快速智能组装模块化支架的创新系统

作者提出了一种创新性的模块化骨支架系统，通过标准化设计的多种骨支架单元，结合梯形榫卯界面优化，实现了高机械强度、灵活拼接和精准适配的效果。通过优化界面高度、宽度和斜率等参数，显著提升了支架的抗弯强度。模块化支架能够灵活组装成多种形状，以满足不同骨缺损类型的治疗需求，为复杂临床情况提供了高度个性化的解决方案。（如图2所示）

图2 骨支架单元接口的设计及其灵活装配

作者还提出了一种结合机器视觉技术和计算机视觉算法的智能化骨支架装配系统。通过立体相机采集三维骨缺损图像，实现骨缺损的数字化表示，并基于患者特征和骨缺损形态，通过计算机视觉算法生成个性化装配方案。（如图3所示）   

图3 在兔颅骨缺损模型中的植入模块化支架

总的来说本研究提出了一种基于机器视觉技术的模块化支架智能快速组装方案，该方案可在临床快速制造个性化支架并完成支架植入，有效提高临床组织修复的治疗效率。未来可通过赋予模块化支架抗菌、抗肿瘤等功能，并结合人工智能等技术，提升其临床应用效果。

文章来源：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad943f