專利名稱：基于快速成型的人工生物活性骨骼的復(fù)合制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制造領(lǐng)域的醫(yī)療修復(fù)工程，特別涉及一種基于快速成型的人工生物活性骨骼的復(fù)合制造方法。
快速原型制造技術(shù)(Rapid Prototyping & Manufacturing，簡稱RPM)是采用材料累加成型原理，無需刀具、工裝，通過多種途徑形成三維實體，它能以最快的速度將設(shè)計思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)功能的產(chǎn)品原型直接制造零件，從而使產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)可能進行快速評價、測試、改進，以完成設(shè)計制造過程，適應(yīng)市場需求，是一種極富生命力的制造業(yè)發(fā)展方向，而且快速原型制造技術(shù)適宜于單位或小批量生產(chǎn)、制造周期短、不需要復(fù)雜的模具就可以達到較高精度的尺寸外形。
目前已開發(fā)出的快速成形方法主要有光固化法(Stereolithography)、層疊法(LOM)、燒結(jié)法(SLS)、熔焊法(FDM)、3D印刷法(3D-Printer)等。
由于目前用于快速成型制造方法的生物可降解的生物活性材料不經(jīng)過燒結(jié)不具備足夠的強度，所以一般的快速成型制備人工骨骼的方法均需燒結(jié)。高溫?zé)Y(jié)，使得骨生長因子細胞不能生存。所以，骨生長因子細胞一般是采用燒結(jié)后，把固化后的人工生物活性骨骼在適當(dāng)濃度的含有骨生長因子細胞的液體中浸泡，一定時間后，骨生長因子細胞將進入人工骨骼內(nèi)部。但是，由于骨生長因子細胞要進入人工骨骼內(nèi)部，需要較長時間，而且不宜滲入內(nèi)部，限制了其使用范圍。
為達到上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是(1)人造骨的仿生CAD設(shè)計a、骨骼外形CAD設(shè)計，通過CT特征斷面測量或外表面測量，用特征數(shù)據(jù)點重構(gòu)骨骼外形的三維CAD，并將其以STL數(shù)據(jù)格式表達；b、骨骼內(nèi)部骨髓腔的三維CAD設(shè)計，若基于CT斷面數(shù)據(jù)，可以用重構(gòu)的方法構(gòu)造骨髓腔CAD，若基于外表面的測量數(shù)據(jù)，可以利用外表面形狀建立數(shù)學(xué)模型來構(gòu)造骨髓腔的CAD；c、骨骼骨質(zhì)組織的CAD設(shè)計，通過電子顯微鏡觀察骨骼微孔的尺寸以及分布規(guī)律，建立骨質(zhì)組織微結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造骨骼的三維CAD，保證微孔空間完全導(dǎo)通；
d、通過以上三部分的仿生CAD建模設(shè)計，將外形CAD與內(nèi)部CAD復(fù)合起來，構(gòu)造出完整的骨骼CAD；(2)成型系統(tǒng)a、以乳化糖作成型材料用熔融沉積的方法制造人工骨的反形(負型)；b、對三維CAD數(shù)據(jù)進行分層處理，用分層制造的方法快速成型出骨骼外形和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的負型(反形)；c、制作一個帶有可控加熱系統(tǒng)的加壓容器，容器底部開一個0.2mm的材料壓出孔，孔由電控開關(guān)控制開閉；d、將整個系統(tǒng)安裝在X-Y工作臺上，有一個可以在Z方向運動的成型平臺，組成一個分層成型系統(tǒng)，將乳化糖裝入加壓容器實現(xiàn)分層制造；(3)成型工藝將乳化糖裝入加壓容器中，將加壓容器的溫度控制在80-120℃、壓力控制在0.8Pa-1Pa來控制乳化糖的流動性和塑性，乳化糖在加熱后達到融化狀態(tài)后由材料壓出孔壓出，研究乳化糖壓出速度和X-Y運動速度與乳化糖成絲直徑的關(guān)系，以便通過速度來控制不同導(dǎo)管的直徑，骨外形和骨髓腔通過常規(guī)的逐層制造方法實現(xiàn)；(4)骨生長因子和成骨細胞的復(fù)合將骨生長因子制成懸液，加入成骨細胞，制成生物活性劑，在無菌條件下將生物活性劑溫度準(zhǔn)確地控制在36℃～38℃，以保證成骨細胞的活性，將生物活性劑倒入成型好的骨型腔中培養(yǎng)，以便于骨生長因子和成骨細胞能夠吸附到導(dǎo)管架上，然后，再將生物活性劑倒出來，使骨生長因子能保留在導(dǎo)管架上，成為植入人工骨的活性物質(zhì)；(5)復(fù)合成骨制造工藝為提高骨的強度，先在骨骼中插入鈦纖維，作為加強筋復(fù)合在骨中間，以提高替代骨的整體強度，用自凝固羥基磷酸鈣均勻后倒入經(jīng)生物復(fù)合后的乳化糖骨負型腔中，逐步填實，待凝固后，用36℃～38℃的蒸餾水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羥基磷酸鈣人工骨呈現(xiàn)出來。
本發(fā)明的另一特點是熔融沉積的方法制造人工骨的反形(負型)，是將骨外形實體封閉，內(nèi)部由骨髓體和微孔及其通管構(gòu)成的實體網(wǎng)架，形成網(wǎng)狀的空腔結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明針對人體骨骼的內(nèi)徑結(jié)構(gòu)，利用醫(yī)用CT機獲取的骨骼斷層數(shù)據(jù)。經(jīng)過人工骨的仿生CAD建模技術(shù)的加工和處理，建立內(nèi)孔模型，經(jīng)過分層、加支撐等數(shù)據(jù)處理，在快速成型機上采用特制的生物可降解材料制造出骨骼外形模具、內(nèi)腔(骨髓腔)模具和人工骨骼內(nèi)孔三維構(gòu)架，同時，在成型過程中，植入骨生長因子等生物活性物質(zhì)。在空隙出添入常溫可成型生物可降解基體材料，制造出人工生物活性骨骼。這種方法達到了材料、成型、生物活性的統(tǒng)一。
實施例2，1、人造骨的仿生CAD設(shè)計骨骼外形CAD設(shè)計，通過CT特征斷面測量或外表面測量，用特征數(shù)據(jù)點重構(gòu)骨骼外形的三維CAD，并將其以STL數(shù)據(jù)格式表達；骨骼內(nèi)部骨髓腔的三維CAD設(shè)計，若基于CT斷面數(shù)據(jù)，可以用重構(gòu)的方法構(gòu)造骨髓腔CAD，若基于外表面的測量數(shù)據(jù)，可以利用外表面形狀建立數(shù)學(xué)模型來構(gòu)造骨髓腔的CAD；骨骼骨質(zhì)組織的CAD設(shè)計，通過電子顯微鏡觀察骨骼微孔的尺寸以及分布規(guī)律，建立骨質(zhì)組織微結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造骨骼的三維CAD，保證微孔空間完全導(dǎo)通；通過以上三部分的仿生CAD建模設(shè)計，將外形CAD與內(nèi)部CAD復(fù)合起來，構(gòu)造出完整的骨骼CAD；2、成型系統(tǒng)以乳化糖作成型材料用熔融沉積的方法制造人工骨的反形(負型)，熔融沉積的方法是將骨外形實體封閉，內(nèi)部由骨髓體和微孔及其通管構(gòu)成的實體網(wǎng)架，形成網(wǎng)狀的空腔結(jié)構(gòu)；對三維CAD數(shù)據(jù)進行分層處理，用分層制造的方法快速成型出骨骼外形和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的負型(反形)；制作一個帶有可控加熱系統(tǒng)的加壓容器，容器底部開一個0.2mm的材料壓出孔，孔由電控開關(guān)控制開閉；將整個系統(tǒng)安裝在X-Y工作臺上，有一個可以在Z方向運動的成型平臺，組成一個分層成型系統(tǒng)，將乳化糖裝入加壓容器實現(xiàn)分層制造；3、成型工藝將乳化糖裝入加壓容器中，將加壓容器的溫度控制在120℃、壓力控制在1Pa來控制乳化糖的流動性和塑性，乳化糖在加熱后達到融化狀態(tài)后由材料壓出孔壓出，研究乳化糖壓出速度和X-Y運動速度與乳化糖成絲直徑的關(guān)系，以便通過速度來控制不同導(dǎo)管的直徑，骨外形和骨髓腔通過常規(guī)的逐層制造方法實現(xiàn)；4、骨生長因子和成骨細胞的復(fù)合將骨生長因子制成懸液，加入成骨細胞，制成生物活性劑，在無菌條件下將生物活性劑溫度準(zhǔn)確地控制在38℃，以保證成骨細胞的活性，將生物活性劑倒入成型好的骨型腔中培養(yǎng)，以便于骨生長因子和成骨細胞能夠吸附到導(dǎo)管架上，然后，再將生物活性劑倒出來，使骨生長因子能保留在導(dǎo)管架上，成為植入人工骨的活性物質(zhì)；5、復(fù)合成骨制造工藝為提高骨的強度，先在骨骼中插入鈦纖維，作為加強筋復(fù)合在骨中間，以提高替代骨的整體強度，用自凝固羥基磷酸鈣均勻后倒入經(jīng)生物復(fù)合后的乳化糖骨負型腔中，逐步填實，待凝固后，用38℃的蒸餾水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羥基磷酸鈣人工骨呈現(xiàn)出來。
實施例31、人造骨的仿生CAD設(shè)計骨骼外形CAD設(shè)計，通過CT特征斷面測量或外表面測量，用特征數(shù)據(jù)點重構(gòu)骨骼外形的三維CAD，并將其以STL數(shù)據(jù)格式表達；骨骼內(nèi)部骨髓腔的三維CAD設(shè)計，若基于CT斷面數(shù)據(jù)，可以用重構(gòu)的方法構(gòu)造骨髓腔CAD，若基于外表面的測量數(shù)據(jù)，可以利用外表面形狀建立數(shù)學(xué)模型來構(gòu)造骨髓腔的CAD；骨骼骨質(zhì)組織的CAD設(shè)計，通過電子顯微鏡觀察骨骼微孔的尺寸以及分布規(guī)律，建立骨質(zhì)組織微結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造骨骼的三維CAD，保證微孔空間完全導(dǎo)通；通過以上三部分的仿生CAD建模設(shè)計，將外形CAD與內(nèi)部CAD復(fù)合起來，構(gòu)造出完整的骨骼CAD；2、成型系統(tǒng)以乳化糖作成型材料用熔融沉積的方法制造人工骨的反形(負型)，熔融沉積的方法是將骨外形實體封閉，內(nèi)部由骨髓體和微孔及其通管構(gòu)成的實體網(wǎng)架，形成網(wǎng)狀的空腔結(jié)構(gòu)；對三維CAD數(shù)據(jù)進行分層處理，用分層制造的方法快速成型出骨骼外形和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的負型(反形)；制作一個帶有可控加熱系統(tǒng)的加壓容器，容器底部開一個0.2mm的材料壓出孔，孔由電控開關(guān)控制開閉；將整個系統(tǒng)安裝在X-Y工作臺上，有一個可以在Z方向運動的成型平臺，組成一個分層成型系統(tǒng)，將乳化糖裝入加壓容器實現(xiàn)分層制造；3、成型工藝將乳化糖裝入加壓容器中，將加壓容器的溫度控制在100℃、壓力控制在0.9Pa來控制乳化糖的流動性和塑性，乳化糖在加熱后達到融化狀態(tài)后由材料壓出孔壓出，研究乳化糖壓出速度和X-Y運動速度與乳化糖成絲直徑的關(guān)系，以便通過速度來控制不同導(dǎo)管的直徑，骨外形和骨髓腔通過常規(guī)的逐層制造方法實現(xiàn)；4、骨生長因子和成骨細胞的復(fù)合將骨生長因子制成懸液，加入成骨細胞，制成生物活性劑，在無菌條件下將生物活性劑溫度準(zhǔn)確地控制在37℃，以保證成骨細胞的活性，將生物活性劑倒入成型好的骨型腔中培養(yǎng)，以便于骨生長因子和成骨細胞能夠吸附到導(dǎo)管架上，然后，再將生物活性劑倒出來，使骨生長因子能保留在導(dǎo)管架上，成為植入人工骨的活性物質(zhì)；5、復(fù)合成骨制造工藝為提高骨的強度，先在骨骼中插入鈦纖維，作為加強筋復(fù)合在骨中間，以提高替代骨的整體強度，用自凝固羥基磷酸鈣均勻后倒入經(jīng)生物復(fù)合后的乳化糖骨負型腔中，逐步填實，待凝固后，用37℃的蒸餾水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羥基磷酸鈣人工骨呈現(xiàn)出來。
采用本發(fā)明的制備工藝能使人工生物活性骨骼的制造時間大幅度縮短，從數(shù)據(jù)采集到制出成品僅需幾天，甚至幾小時，可以實現(xiàn)臨床制造；人工骨與被替代骨形狀基本一致，有利于保持與原有其它器官的匹配，同時實現(xiàn)個體化制造；骨骼的材料具有極好的生物相容性和生物可降解性，可以逐漸被人體再生骨組織所替代；人工骨內(nèi)部具有孔隙率可控、孔隙直徑可控、導(dǎo)通率100％的三維立體仿生微孔結(jié)構(gòu)，血管和神經(jīng)容易長入，促進修復(fù)過程；人工骨骼內(nèi)部的微孔的數(shù)量、大小、分布及形狀可人工影響和控制；在人工骨內(nèi)部有骨生長因子、骨生長調(diào)節(jié)蛋白和骨細胞等生物活性物質(zhì)，而且生物活性物質(zhì)可分布在任何需要的地方，可使人工骨很快與人體微循環(huán)組織連通；還可以在人工骨骼內(nèi)部加入抗癌或消炎等藥物，使材料在填充修復(fù)的同時也具有進一步的治療目的。
權(quán)利要求
1.一種基于快速成型的人工生物活性骨骼的復(fù)合制造方法，其特征在于(1)人造骨的仿生CAD設(shè)計a、骨骼外形CAD設(shè)計，通過CT特征斷面測量或外表面測量，用特征數(shù)據(jù)點重構(gòu)骨骼外形的三維CAD，并將其以STL數(shù)據(jù)格式表達；b、骨骼內(nèi)部骨髓腔的三維CAD設(shè)計，若基于CT斷面數(shù)據(jù)，可以用重構(gòu)的方法構(gòu)造骨髓腔CAD，若基于外表面的測量數(shù)據(jù)，可以利用外表面形狀建立數(shù)學(xué)模型來構(gòu)造骨髓腔的CAD；c、骨骼骨質(zhì)組織的CAD設(shè)計，通過電子顯微鏡觀察骨骼微孔的尺寸以及分布規(guī)律，建立骨質(zhì)組織微結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造骨骼的三維CAD，保證微孔空間完全導(dǎo)通；d、通過以上三部分的仿生CAD建模設(shè)計，將外形CAD與內(nèi)部CAD復(fù)合起來，構(gòu)造出完整的骨骼CAD；(2)成型系統(tǒng)a、以乳化糖作成型材料用熔融沉積的方法制造人工骨的反形(負型)；b、對三維CAD數(shù)據(jù)進行分層處理，用分層制造的方法快速成型出骨骼外形和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的負型(反形)；c、制作一個帶有可控加熱系統(tǒng)的加壓容器，容器底部開一個0.2mm的材料壓出孔，孔由電控開關(guān)控制開閉；d、將整個系統(tǒng)安裝在X-Y工作臺上，有一個可以在Z方向運動的成型平臺，組成一個分層成型系統(tǒng)，將乳化糖裝入加壓容器實現(xiàn)分層制造；(3)成型工藝將乳化糖裝入加壓容器中，將加壓容器的溫度控制在80-120℃、壓力控制在0.8Pa-1Pa來控制乳化糖的流動性和塑性，乳化糖在加熱后達到融化狀態(tài)后由材料壓出孔壓出，研究乳化糖壓出速度和X-Y運動速度與乳化糖成絲直徑的關(guān)系，以便通過速度來控制不同導(dǎo)管的直徑，骨外形和骨髓腔通過常規(guī)的逐層制造方法實現(xiàn)；(4)骨生長因子和成骨細胞的復(fù)合將骨生長因子制成懸液，加入成骨細胞，制成生物活性劑，在無菌條件下將生物活性劑溫度準(zhǔn)確地控制在36℃～38℃，以保證成骨細胞的活性，將生物活性劑倒入成型好的骨型腔中培養(yǎng)，以便于骨生長因子和成骨細胞能夠吸附到導(dǎo)管架上，然后，再將生物活性劑倒出來，使骨生長因子能保留在導(dǎo)管架上，成為植入人工骨的活性物質(zhì)；(5)復(fù)合成骨制造工藝為提高骨的強度，先在骨骼中插入鈦纖維，作為加強筋復(fù)合在骨中間，以提高替代骨的整體強度，用自凝固羥基磷酸鈣均勻后倒入經(jīng)生物復(fù)合后的乳化糖骨負型腔中，逐步填實，待凝固后，用36℃～38℃的蒸餾水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羥基磷酸鈣人工骨呈現(xiàn)出來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速成型的人工生物活性骨骼的復(fù)合制造方法，其特征在于所說的用熔融沉積的方法制造人工骨的反形(負型)，是將骨外形實體封閉，內(nèi)部由骨髓體和微孔及其通管構(gòu)成的實體網(wǎng)架，形成網(wǎng)狀的空腔結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于快速成型的人工生物活性骨骼的復(fù)合制造方法,它是用CT數(shù)據(jù)建立骨骼三維CAD內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和外形模型;用快速成型技術(shù)制造出骨骼微結(jié)構(gòu)和外形的負型;植入生物因子或細胞;加入鈦纖維以增強力學(xué)性能;填充生物骨骼材料;制造出人工替代骨。該方法具有個體適配性強;制造速度快;生物相溶性好;材料適用面寬;生物因子和生物細胞復(fù)合植入;骨骼植入后成活率;是工程化制造活性骨骼的有效途徑。
文檔編號A61F2/28GK1368386SQ0211442
公開日2002年9月11日 申請日期2002年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月23日
發(fā)明者李滌塵, 盧秉恒, 吳永輝 申請人:西安交通大學(xué)