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Diffusion Model-Based Design of Bionic Bone Scaffolds with Tunable Microstructures
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AI
DOI：10.1007/s10439-025-03847-3.png)
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摘要
En 中文
在超过临界尺寸阈值骨缺损的临床治疗中，使用金属固定装置、自体移植和同种异体移植等传统方法显示出显著局限性。与此同时，具有低二次损伤风险和低免疫排斥的骨支架正作为一种有前景的替代方案出现。骨支架孔隙率、孔径和 trabecular thickness 的有效设计至关重要；然而，当前策略往往难以优化平衡这些参数。在此，我们提出了一种基于仿生的骨支架设计方法，通过扩散模型模拟天然 cancellous bone 的多种特性。首先，我们开发了一种无分类器的条件扩散模型，并使用猪椎体 cancellous bone 的 Micro-CT (μCT) 图像数据集进行训练。训练后的模型能够生成具有可调微结构的个性化二维类骨图像。随后，我们将图像逐层堆叠以形成三维支架，模拟 CT/μCT 图像重建过程。最后，通过计算流体动力学分析验证支架模型的流体特性，同时通过 3D 打印制备 bioresin 骨支架样品进行力学测试和生物相容性评估。生成图像的三个关键形态参数——孔隙率（50–70%）、孔径（468–936 μm）和 trabecular thickness（156–312 μm）——可实现精确且独立的控制。流体模拟和力学测试证实，支架在渗透率（10⁻⁹ 至 10⁻⁸ m²）、平均流体剪切应力（0.1–0.3 Pa）、杨氏模量（14 倍可调范围）、压缩强度（9 倍可调范围）和黏弹性特性方面表现出优异性能。支架也展现出良好的生物相容性，满足临床植入的基本要求。这些有前景的结果突显了该方法在个性化设计支架以有效修复大骨缺损方面的潜力。
Keyword:
Bone defect
Artificial bone scaffold
Conditional diffusion model
Personalized treatment
期刊
IF:
5.4
论文数:
6.3K
被引数:
1.4W
机构
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