功能化生物活性组织/器官体外精准制造基础
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1.面向生物3D打印的水凝胶挤出路径优化研究
- 指导老师： 赵丹阳
- 0年
- 学位论文
生物3D打印技术在快速成型与增材制造技术的基础上,结合多种学科而形成。其最终目标是实现特定器官的定向打印,满足临床患者移植的需求,解决目前捐赠器官不能满足患者需求的数量的问题。本文综述了现有生物3D打印方式与路径规划方法研究现状,选取了有着打印材料来源丰富、交联方法多样、应用广泛等多种优点的水凝胶挤出型生物3D打印方式作为研究方向,针对现有3D打印路径规划方法仅面向传统打印方式,在水凝胶打印领域尚缺乏研究这一不足,提出一种基于模型边界信息的水凝胶3D打印路径优化方法,简称POB算法（Path Optimization from Boundary）。具体研究内容包括:首先,根据水凝胶材料性质与打印制品的需求改进现有的路径填充算法,使用改进的平行直线填充算法填充轮廓内部区域,使用改进的轮廓偏置填充算法勾勒轮廓边界路径,获得一种复合路径填充方法。然后,在对STL储存格式的模型进行切片前,修复模型在三维模型转换过程中因STL算法的不足而产生的缺陷。修复后对模型文件进行切片,同时提出一种切片层最佳扫描角度的检验方法,针对传统扫描角度检验方法没考虑到层间角度变化这一问题的不足,通过完全检验打印模型,检验扫描线与轮廓边缘交点的数量最少的扫描角度。其次,在路径填充前,根据切片层内外轮廓与扫描直线交点数目变换的信息,对切片层进行区域分割。然后根据分割后子区域内部的路径填充信息进行区域合并,获得最少的打印区域,以减少路径截断点数目。然后检验并优化拐角连接,在降低打印制品过填充与欠填充面积的同时,避免同层路径发生干涉,最终获得连续性强的切片层填充路径。最后,设计计算机模拟检验与水凝胶打印实验。基于MATLAB平台将优化路径规划算法程序化,获得用于3D打印的填充路径G代码。在3D打印模拟器中比较,对比得到的模拟结果,发现POB优化路径算法比传统路径算法路径的截断点数目减少,路径的整体连续性有所提高;同时设计水凝胶打印实验,搭建水凝胶打印平台,使用海藻酸钠与明胶的混合凝胶作为打印材料,使用气动型生物3D打印机进行打印实验。对比两种算法的打印结果,发现POB优化算法提升了打印效率的同时,打印制品的质量和精度也有所提高。
...2.基于CT影像的肝脏及其肿瘤分割方法研究
- 指导老师： 赵丹阳
- 0年
- 学位论文
肝脏疾病对于人类的健康是巨大的威胁,临床上对于这类疾病的诊断和治疗是十分依赖计算机辅助技术的。因此如何从CT图像中获取肝脏以及肝脏肿瘤的位置、大小等特征,是进行肝病诊断、手术规划、功能评估和治疗决策的重要前提。然而依靠专业人员进行纯手工分割是耗时费力的,另一方面,由于肝脏以及肿瘤在CT图像中表现出边缘模糊、低对比度和灰度不均等特性,完全依靠计算机进行自动分割也是较为困难的。因此,本研究针对肝脏和肝脏肿瘤在CT图像中的特征,分别搭建了一种半自动分割方法,以实现高效准确地分割。主要研究内容如下:首先,利用一种以改进的水平集模型为主体的算法进行分割。基于区域或边缘单一信息驱动的水平集模型是不容易完成肝脏分割任务的,该水平集模型在基于全局和局部信息的区域型水平集基础上,引入边缘信息,构建了一种混合水平集模型,并对模型中的边缘指示函数进行二值化,利用区域增长算法从中提取水平集演化的初始轮廓,来完成肝脏分割任务。利用该算法对40套人体腹部CT图像序列和20套MR图像序列进行分割,同样取得较好分割结果。然后,利用骨骼信息进行肝脏分割约束构建。该算法首先通过阈值法获取骨骼信息,接着利用椭圆拟合算法寻找特征点,最后通过三次插值算法构造约束。利用该算法对一些肝脏和肌肉粘连处边缘缺失的CT图像进行约束,有效地解决了了肝脏分割过程中因肝脏与肌肉粘连带来的过分割问题。此外,利用改进的模糊C均值聚类算法完成半自动分割。该方法首先通过人机交互定位肝脏肿瘤,然后利用目标区域的灰度分布直接获取聚类中心和隶属度矩阵,根据隶属度对像素进行分类,完成肝脏肿瘤分割。利用该算法对3Dircadb数据集中的肿瘤进行分割,取得了误差结果较小的分割结果。最后,利用提出的分割算法对其他人体器官和动物器官进行分割,同样取得了较为理想的分割结果,证明了本研究算法具有鲁棒性和适用性。
...3.面向生物3D打印的心脏主动脉血流动力学分析及结构优化
- 指导老师： 赵丹阳
- 0年
- 学位论文
心血管疾病是世界疾病负担的首要原因,主动脉所受到的各项冲击与损耗在心血管中最为严重。因此,对主动脉疾病治疗的研究意义重大。人工血管植入手术是主动脉疾病治疗的最终方案。生物3D打印人工血管在主动脉植入领域具有巨大的发展潜力,但由于主动脉周边约束繁多,本身结构以及内部血流状况较为复杂,因此缺乏在生理层面考虑个体特异性需求的三维模型作为制造基础。人工血管的结构优化设计可以对其几何形态和机械性能加以改善。本文以升主动脉、主动脉弓及其三大分支为研究对象,针对该主动脉人工置换物几何形态影响其受冲刷程度,进而影响其寿命的问题,基于结合医疗影像以及解剖学原理所构建的主动脉三维模型,提出考虑模型几何参数的主动脉结构优化设计方法,在符合主动脉基本几何形态并考虑其周边约束前提下,降低其受冲刷程度,进而提升了主动脉人工置换物使用寿命。主要研究内容包括:首先,建立满足个体特异性需求的主动脉参数化三维模型,采用有限元方法分析主动脉的血流状况,获取不同阶段主动脉血液流动、壁面压力以及壁面剪切应力分布状况以及变化趋势,结合心血管病理学对该血管段易患病区域进行分析。结果表明三大分支近心侧、主动脉弓降段内侧以及降主动脉内侧患动脉粥样硬化风险相对较高,升主动脉区域、三大分支远心侧根部以及主动脉弓出口外侧患主动脉夹层风险较高。然后,在所构建的主动脉三维模型以及较为明确的病理学分析指标的基础上,分析血液黏度对不同易病变区域的影响情况,结果表明高血液黏度会提升主动脉弓降段外侧与三大分支远心侧根部患主动脉夹层风险,增加主动脉弓顶部内侧动脉粥样硬化患病几率。同时,分析不同结构参数对各易病变区域的影响情况,结果表明:升主动脉与主动脉弓交点矢状面方向坐标、升主动脉与主动脉弓交点冠状面方向坐标、主动脉弓顶部偏转角、主动脉弓顶点与其前控制点间距以及主动脉弓顶点与其后控制点间距这五项主动脉几何参数对主动脉弓出口外侧、左颈总动脉远心侧根部患主动脉夹层的风险,以及主动脉弓顶部内侧患动脉粥样硬化的风险都有一定影响。最后,针对主动脉人工置换物几何形态影响其受冲刷程度,进而影响其寿命的问题,提出与有限元分析相结合的Kriging代理模型优化方法,获取主动脉几何参数在设计空间下的最优解。结果表明,目标区域最大壁面剪切应力峰值下降16.22%,该区域受血流冲刷的影响大幅降低,主动脉人工置换物的使用寿命得到提升。
...4.材料拓扑结构和硬度调控间充质干细胞旁分泌性能及机制探讨
- 指导老师： 0年
- 学位论文
间充质干细胞（MSCs）能从抑制炎症、促进血管新生、激活细胞等多个方面发挥作用,促进组织修复,在细胞替代治疗及组织工程中得到广泛应用。近年来,越来越多的证据显示MSCs主要通过旁分泌途径,即分泌各种可溶性因子（炎症抑制因子、营养因子等）和外泌体等改善组织微环境,促进组织修复。因此,诱导激活MSCs的旁分泌功能,使其分泌促进组织修复的活性因子/外泌体,成为近年来的研究热点之一。大量研究显示材料的各种物理学因素（拓扑结构、硬度、流变学性质、表面粗糙度等）,均可以调控MSCs的迁移、增殖、分化等行为。然而这些物理性质对MSCs旁分泌性能的影响还不清楚。因此,本研究选取两种研究最为广泛的物理调控因素,即拓扑结构和硬度,探究材料物理性质对MSCs旁分泌性能的调控规律及内在机制。首先,本研究结合软光刻和熔融铸膜法构建了表面具有不同拓扑结构（沟槽结构和平面结构）的聚己内酯基底,探究拓扑结构对大鼠脂肪来源间充质干细胞（r ASCs）旁分泌性能的影响。结果显示,沟槽结构表面可刺激r ASCs表达更高水平的组织修复相关基因并分泌更多外泌体。同时,相较于平面,沟槽结构表面的r ASCs分泌的外泌体包含更多促血管生成因子（细胞因子和micro RNA）,并可以显著促进血管内皮细胞（HUVEC）的迁移和成小管。本研究还表明Alix蛋白可能参与介导沟槽结构表面促进r ASCs外泌体的分泌。另外,本研究还以不同交联度的聚丙烯酰胺为基底材料,探究硬度对人骨髓来源间充质干细胞（h MSCs）旁分泌的影响。结果显示,相对于硬基底（200 k Pa）,软基底（0.5k Pa）可以促进h MSCs中组织修复相关旁分泌基因的表达及抑炎因子PGE2的分泌。利用在软硬两种基底上培养h MSCs的旁分泌物作用于巨噬细胞和血管内皮细胞,发现软基底上培养的h MSCs的分泌物可以诱导巨噬细胞从M1炎症型向M2修复型转化,并显著促进HUVEC的迁移和成小管。进一步机制研究的结果表明,软基底对h MSCs旁分泌性能的促进作用与细胞中肌动蛋白聚合、以及骨架张力受到抑制有关。本研究阐述了材料拓扑结构和硬度对MSCs旁分泌性能的调控规律和作用机制,为诱导调控MSCs旁分泌性能提供了新途径,同时为新型促修复组织工程支架的设计提供理论依据和基础。
...- 指导老师： 0年