优化的共形路径规划用于复杂皮肤缺损修复的原位生物打印

2025-01-25 Sat
优化的共形路径规划用于复杂皮肤缺损修复的原位生物打印学术背景皮肤作为人体最大的器官，承担着保护身体免受外界侵害的重要功能。然而，全球范围内烧伤、慢性溃疡等皮肤损伤的高发率使得有效的治疗方法需求日益增加。传统的组织工程和三维（3D）生物打印技术虽然显示出一定的潜力，但在处理多样化的皮肤损伤时仍面临诸多挑战，特别是在打印支架的植入过程中存在污染或组织损伤的风险。原位生物打印（in situ bioprinting）作为一种新兴技术，直接在损伤部位沉积生物墨水，避免了传统“打印-植入”两步策略的潜在风险，并显示出优越的治疗效果。然而，如何在原位生物打印过程中保持打印的保真度，特别是在模型分层和路径规划方面，仍然是一个关键挑战。
论文来源这篇论文由Wenxiang Zhao、Chuxiong Hu、Yunan Wang、Shize Lin、Ze Wang和Tao Xu共同撰写，作者来自清华大学机械工程系先进装备摩擦学国家重点实验室和清华大学深圳国际研究生院生物智能制造与活物质生物打印研究中心。论文于2025年发表在Bio-design and Manufacturing期刊上，题为《Optimization-based conformal path planning for in situ bioprinting during complex skin defect repair》。
研究流程1. 基于优化的共形路径规划算法研究的核心是提出了一种基于优化的共形路径规划算法，用于原位生物打印修复复杂皮肤损伤。该算法通过约束优化在点云近似的曲面上识别最优路径点，确保预设计的平面路径与表面映射的3D路径在形状和角度上高度相似。具体流程如下：
参数定义：研究首先定义了表面S、平面路径P以及映射关系Rs。通过逐步搜索平面路径P上的点，将其映射到曲面S上，确保路径在曲面上的距离和角度与平面路径一致。
形状保持的共形映射：通过最小化路径点之间的测地距离与预设步长stp的偏差，研究使用二次曲面拟合点云区域，并通过内点优化算法（interior-point optimization algorithm）进行迭代优化。
形状和角度保持的共形映射：为了同时优化距离和角度，研究将距离和角度误差归一化，构建了一个统一的优化模型，确保路径在曲面上的形状和角度与平面路径高度一致。
2. 共形路径生成策略为了应对伤口修复中的覆盖问题，研究进一步改进了路径生成策略，提出了直接在伤口表面生成共形路径的方法，避免了依赖预设计的平面路径。具体步骤如下：
单层路径生成：研究使用Zigzag（锯齿形）路径模式，直接在伤口表面生成共形路径。通过逐步搜索曲面上的点，确保路径在空间距离和线性约束上与之前的点保持一致。
多层路径生成：为了处理体积损伤，研究结合径向基函数（RBF）点云填充算法，生成多层共形路径。通过逐层偏移初始路径点，确保每一层的路径与伤口形状高度一致。
3. 点云模型设计与处理研究设计了四种3D模型（椭球面、数学曲面、折叠突起结构和小鼠背部伤口模型），并通过3D扫描获取伤口模型的点云数据。为了验证算法的有效性，研究对这些模型进行了物理打印实验。
4. 材料与打印实验研究使用甲基丙烯酸化明胶（GelMA）和锂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰膦酸盐（LAP）制备生物墨水，并通过七轴生物打印机器人进行原位打印实验。打印过程中，研究通过工具中心点（TCP）校准和机器人运动控制算法，确保打印路径的高保真度。
主要结果1. 步长参数的选择与分析研究通过实验分析了步长参数stp对路径映射误差和计算复杂度的影响。结果表明，随着stp的减小，映射误差逐渐降低，但计算复杂度呈指数增长。研究通过经验公式确定了最优步长值，确保在计算速度和误差之间取得平衡。
2. 共形路径与直接投影路径的比较研究比较了共形路径和直接投影路径在曲面上的表现。结果显示，共形路径在保持路径间距和角度方面具有显著优势，特别是在曲率变化较大的区域，直接投影路径容易出现间距不均和角度失真问题。
3. 几何模型上的生物打印验证研究在几何模型上进行了实际打印实验，验证了共形路径的高保真度。结果显示，共形路径在复杂曲面上的打印效果与预设计路径高度一致，打印覆盖率接近98%，而直接投影路径的覆盖率仅为93.6%，且存在明显的间隙缺陷。
4. 皮肤伤口模型的生物打印验证研究在小鼠背部伤口模型上进行了多层共形路径规划的原位生物打印实验。结果显示，打印结构能够有效覆盖伤口区域，且与健康皮肤的偏差平均在0.52-0.90毫米之间，最大偏差为2.12毫米。这表明共形路径规划算法在指导原位生物打印修复复杂皮肤损伤方面具有较高的可行性。
结论与意义该研究提出了一种基于优化的共形路径规划算法，有效解决了原位生物打印在复杂曲面上的路径规划问题。该算法通过平衡形状和角度的保持，生成了高度保真的打印路径，显著提高了打印的精度和覆盖率。研究不仅为原位生物打印技术的发展提供了系统化的路径规划方法，还为未来定制化治疗体积损伤开辟了新的途径。
研究亮点创新性路径规划算法：研究提出的共形路径规划算法在保持路径形状和角度方面具有显著优势，特别是在处理复杂曲面时表现出色。
多层路径生成策略：通过结合径向基函数点云填充算法，研究实现了多层共形路径的生成，为体积损伤的修复提供了有效解决方案。
高保真打印验证：研究通过实际打印实验验证了共形路径的高保真度，打印覆盖率接近98%，显著优于传统直接投影路径。
其他有价值的信息研究还探讨了步长参数对路径映射误差和计算复杂度的影响，并通过经验公式确定了最优步长值，为未来在未知曲面上的路径规划提供了重要参考。