組織損傷原位定制化修復的積木式3D打印支架

來源： EngineeringForLife

急性創(chuàng)傷時需要個性化定制的生物支架來修復骨缺損，然而目前定制支架需要經(jīng)歷掃描、醫(yī)工交互設(shè)計、送工廠3D打印、手術(shù)植入等眾多步驟，周期過長，難以滿足臨床快速響應需求。LEGO®積木通過基本的模塊可以組裝成各種形狀，那可否先3D打印出生物支架的基本模塊，在手術(shù)現(xiàn)場根據(jù)缺損位置形狀快速原位拼裝，從而實現(xiàn)創(chuàng)傷的精準修復？為此，來自杭州電子科技大學的邵惠鋒副教授與浙江大學賀永教授合作，創(chuàng)新性地提出了類似LEGO®積木概念的模塊化支架，結(jié)合機器視覺在手術(shù)現(xiàn)場輔助醫(yī)生快速組裝，實現(xiàn)了針對不規(guī)則缺損形狀的個性化支架智能制造。相關(guān)研究成果以“Modular scaffolds with intelligent visual guidance system for in situ bone tissue repair”為題發(fā)表于《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上，博士生夏鵬程和碩士生張濤為論文的共同一作，杭電邵惠鋒副教授和浙大賀永教授為共同通訊作者。

研究的創(chuàng)新之處在于提出了模塊化支架的創(chuàng)新理念，利用靈活的骨支架單元結(jié)構(gòu)在手術(shù)現(xiàn)場進行快速組裝，解決了常規(guī)3D打印生物支架制造周期長的痛點；通過機器視覺技術(shù)精確識別組織缺損并捕獲3D圖像，結(jié)合智能算法生成支架的最優(yōu)組裝策略，為患者提供高度個性化的修復方案。（圖1所示）

圖1 一種針對特定缺損快速智能組裝模塊化支架的創(chuàng)新系統(tǒng)

作者提出了一種創(chuàng)新性的模塊化骨支架系統(tǒng)，通過標準化設(shè)計的多種骨支架單元，結(jié)合梯形榫卯界面優(yōu)化，實現(xiàn)了高機械強度、靈活拼接和精準適配的效果。通過優(yōu)化界面高度、寬度和斜率等參數(shù)，顯著提升了支架的抗彎強度。模塊化支架能夠靈活組裝成多種形狀，以滿足不同骨缺損類型的治療需求，為復雜臨床情況提供了高度個性化的解決方案。（如圖2所示）

圖2 骨支架單元接口的設(shè)計及其靈活裝配

作者還提出了一種結(jié)合機器視覺技術(shù)和計算機視覺算法的智能化骨支架裝配系統(tǒng)。通過立體相機采集三維骨缺損圖像，實現(xiàn)骨缺損的數(shù)字化表示，并基于患者特征和骨缺損形態(tài)，通過計算機視覺算法生成個性化裝配方案。（如圖3所示）   

圖3 在兔顱骨缺損模型中的植入模塊化支架

總的來說本研究提出了一種基于機器視覺技術(shù)的模塊化支架智能快速組裝方案，該方案可在臨床快速制造個性化支架并完成支架植入，有效提高臨床組織修復的治療效率。未來可通過賦予模塊化支架抗菌、抗腫瘤等功能，并結(jié)合人工智能等技術(shù)，提升其臨床應用效果。

文章來源：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad943f