本發(fā)明涉及一種類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器及制備方法和用途，屬于生物醫(yī)學材料領域。

背景技術：

椎管狹窄、椎體滑脫、椎間盤突出等腰椎退行性疾病是近年來臨床常見的脊柱外科疾病，嚴重影響著患者工作和生活，一旦藥物及物理非手術治療無效，手術治療往往是唯一有效的方法。自1988年Bagby首次將椎間融合器Cage應用于脊柱融合術并取得成功以來，各種椎間融合器相繼問世，并受到臨床廣為接受。人類脊柱骨組織形態(tài)復雜，極具個性尺寸特征，同時具有獨特的力學特征。如何精確仿生重構并制備與天然脊柱組織相匹配的融合器，是臨床脊柱融合術的關鍵。

天然骨組織為一種具有精細微孔結構的多孔材料，骨組織的三維多孔結構會根據(jù)負重相應地改變以適應承載的需要。當外載植入體具有較高彈性模量時，會對天然骨組織形成應力遮擋。如果骨組織修復體的力學性與天然骨組織不匹配，載荷就不能由植入體很好地傳到相鄰的骨組織，造成植入體周圍出現(xiàn)了應力吸收，最終導致植入體的松動和斷裂引起應用失敗。

鈦及鈦合金因為其良好的生物相容性、耐腐蝕性、抗疲勞性，在骨科臨床上得到了廣泛運用。然而，由于致密鈦合金的彈性模量遠高于天然骨組織。天然骨組織為一種具有精細微孔結構的多孔材料，骨組織的三維多孔結構會根據(jù)負重相應地改變以適應承載的需要。當植入體具有較高彈性模量時，會對天然骨組織形成應力遮擋。如果骨組織修復體的力學性與天然骨組織不匹配，載荷就不能在植入體與相鄰骨組織間傳遞，造成植入體周圍出現(xiàn)應力吸收，最終導致植入體的松動和斷裂引起應用失敗。因此，致密鈦合金易產(chǎn)生應力遮蔽，引起骨吸收。所以在臨床上，多采用多孔結構來取代致密結構。生物醫(yī)用多孔鈦的多孔結構改善了植入體的生物學性能。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)多孔鈦的強度和彈性模量可以通過改變孔隙率調(diào)整，達到與替換組織相匹配的力學性能；(2)多孔結構有利于成骨細胞的黏附、分化和生長，促進骨組織長入孔隙，加強植入體與骨的連接，實現(xiàn)生物固定；(3)連通孔結構有利于體液的傳輸，促進組織再生與重建，加快痊愈過程。

增材制造，又稱3D打印、快速成型技術，是一種新型的快速制造技術，它通過逐層打印，最終打印出具有精確三維形狀的實體。該技術可以用來快速構建具有復雜內(nèi)部孔結構和個性化外形尺寸的實體，相對傳統(tǒng)的機加工過程，具有制造時間短、精度高、可精確定制材料內(nèi)部三維微孔結構等優(yōu)點。本發(fā)明專利提出了一種基于三維打印技術成型的仿生設計脊柱融合器產(chǎn)品。該技術工藝可以精確設計制備支架的孔結構，從而訂制材料的力學性能以及生物學功能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種3D打印鈦及鈦合金的類骨多孔脊柱融合器產(chǎn)品。

本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：

類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器，為多個微孔空間結構單元體組成，所述的微孔空間結構單元體為金剛石立方晶體結構的正四面體結構，微孔空間結構單元體包括基點和填充幾何體；所述的基點由純鈦或鈦合金材料構成，基點位于正面四面體的頂點；在基點的位置上布置填充幾何體，所述的填充幾何體與相鄰的填充幾何體相交形成正四面體的棱，多個微孔空間結構單元體組合后，相互連接的填充幾何體中間圍成三維空間結構的相互連接的填充幾何體中間圍成三維空間結構的孔隙，通過型面函數(shù)定義孔隙的三維空間結構。即由純鈦(Ti)或鈦合金(Ti-6Al-4V)構成，具有類似鉆石結構的微孔空間結構。以純鈦(Ti)或鈦合金(Ti6Al4V)粉末為原材料，粉末的粒徑為50μm～100μm。微孔空間結構單元體類似于晶胞，晶胞中原子及鍵的位置布置填充幾何體。

布置的填充幾何體為啞鈴狀柱體，并與周圍布置柱體體相交，多個柱體圍合形成孔狀結構。填充幾何體的切向最小直徑為0.03mm～3mm，長度為0.1mm～9mm。

孔隙結構特征為材料總體孔隙率為50％～90％，大孔孔徑為200～900微米，大孔之間有小孔相互貫通?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)孔隙結構特征來與人骨力學性能匹配。

類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器的制備方法，三維建模軟件將微孔空間結構單元體在三維方向上進行陣列形成模型，并對陣列后的模型進行外形尺寸的定制，得到需要的類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器的三維模型，再使用快速成型制造技術將其三維打印成型，最后進行生物活化改性處理。

微孔空間結構單元體以邊長為0.1mm～3mm的正方體為單元體，向三個方向陣列再進行布爾運算得到產(chǎn)品設計。

所述的生物活化改性處理的方法，包括SBF浸泡形成類骨磷灰石層；電化學沉積磷酸鈣生物活性層；等離子噴涂磷酸鈣生物活性層。

優(yōu)選的，所述的生物活化改性處理前，先經(jīng)300攝氏度真空退火處理。

所述的快速成型制造技術，選擇性激光熔融(SLM)、選擇性激光燒結(SLS)、電子束熔融(EPM)三維打印技術中的一種。

類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器的用途，其特征在于，可用于脊柱及椎間盤病變外科手術的原位融合、單獨前柱椎間融合、合并后側固定、使用椎弓根釘后外側融合、經(jīng)椎間孔或后柱椎間融合、椎間盤置換、側方椎間融合。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明所提供的類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器設計的微孔單元借鑒了晶體學中鉆石結構的概念，力學性能無取向性，強度可以通過調(diào)節(jié)各項參數(shù)調(diào)節(jié)至于人工骨力學性能相同，最大程度上避免應力遮擋效應。

2、所提供的類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器設計可通過三維建模軟件予以宏觀上的定制，使之與患者患處匹配，治療效果更佳。

3、所提供的類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器設計使用增材制造技術制造，無切削廢料，無浪費，節(jié)能減排，降低成本。同時不需要大型機器生產(chǎn)，制造時間短，減少患者等待時間。

4、所述類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器通過表面生物活化處理，突出了骨整合及骨傳導生物學功能，可加速脊柱組織生物力學重建。

附圖說明

圖1為實施例1金剛石立方晶體結構微孔空間結構單元體3D模型圖；

圖2為實施例1微孔空間結構單元體陣列后的3D模型圖；

圖3為實施例1微孔空間結構單元體經(jīng)SLM打印實體放大圖；

圖4為實施例1中的3D打印的類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器的應用包括但不限于用于脊柱及椎間盤病變外科手術的原位融合、單獨前柱椎間融合(ALIF)、ALIF合并后側固定、使用椎弓根釘后外側融合、經(jīng)椎間孔或后柱椎間融合(TLIF/PLIF)、椎間盤置換、側方椎間融合等。

本發(fā)明的類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器為醫(yī)用級鈦金屬或者鈦合金，包括但不僅限于Ti、Ti-6Al-4V等。

本發(fā)明的類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器制造技術為三維打印技術，包括但不僅限于選區(qū)激光熔融(SLM)、選區(qū)激光燒結(SLS)、電子束熔融(EPM)等。

實施例1

在建模軟件中，放置九個球體，使其球心的位置嚴格按照晶體學中鉆石結構原子放置位置，其中球體半徑為0.2mm，然后在各個球體之間添加啞鈴狀圓柱體，其最小半徑為0.1mm。單元體模型見圖1，金剛石立方晶體結構微孔空間結構單元體3D模型圖，圖2為實施例1微孔空間結構單元體陣列后的3D模型圖；圖3為微孔空間結構單元體經(jīng)SLM打印實體放大圖，微孔結構單元實體經(jīng)放大5倍打印。

其中啞鈴狀柱體最小切向半徑為為50μm，長度為500μm，六個柱體相互圍合形成的孔直徑為900μm；該模型孔隙率84.2％、孔徑為860±20μm。產(chǎn)品最大抗壓強度為78.6MPa。

以純鈦球形粉為原料，以上述單元體為孔結構單元，在三維空間陣列然后進行切除/布爾運算得到類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器。將設計導出為STL格式文件，輸入三維打印機中進行打印成型，所得的類骨多孔生物力學仿生設計脊柱融合器如圖4所示。

實施例2

以實施例1的建模方式進行建模，其中球體半徑為0.25mm，其他參數(shù)不變。以純鈦球形粉為原料，將設計產(chǎn)品三維模型轉換為STL格式文件，輸入三維打印機中打印成型，得到產(chǎn)品的孔隙率為74.4％，孔徑為800±15μm。產(chǎn)品最大抗壓強度為92.1MPa，和人體皮質骨相當。

實施例3

以實施例1的建模方式進行建模，其中球體半徑為0.25mm，啞鈴型圓柱最小直徑為為0.08mm，其他參數(shù)不變。以純鈦球形粉為原料，將設計產(chǎn)品三維模型轉換為STL格式文件，輸入三維打印機中打印成型，得到產(chǎn)品的孔隙率為80.2％，孔徑為860±18μm。

實施例4

以實施例1的建模方式進行建模，不同的是，放置的是圓柱而不是啞鈴型圓柱，圓柱的直徑為0.1mm。該單元體孔隙率為86.3％，孔徑為900±20μm。

實施例5

以實施例1的建模方式進行建模，所有建模參數(shù)不變。不同的是選擇以鈦合金(Ti6Al4V)球形粉為原料，經(jīng)三維打印成型，得到產(chǎn)品的孔隙率為84.2％、孔徑為860±20μm。產(chǎn)品具有比實施例1具有更好的力學性能。產(chǎn)品最大抗壓強度為86.2MPa。

實施例6

以實施例1的建模方式進行建模，所有建模參數(shù)及三維打印成型參數(shù)不變。不同的是得到的產(chǎn)品經(jīng)300攝氏度真空退火后處理，退火處理進一步消除了激光選區(qū)熔融成型過程中的殘余內(nèi)應力，產(chǎn)品具有比實施例1具有更好的尺寸精度和力學性能穩(wěn)定性。

實施例7

以實施例1的建模方式進行建模，所有建模參數(shù)及三維打印成型參數(shù)不變。得到的產(chǎn)品經(jīng)300攝氏度真空退火后處理，不同的是進一步進行7天SBF浸泡生物活化處理，經(jīng)生物活化處理后的產(chǎn)品表面及內(nèi)部孔壁上形成了約為10μm厚的類骨磷灰石層，產(chǎn)品具有比實施例1具有更好的生物活性，利于骨長入，促進骨愈合。

實施例8

以實施例1的建模方式進行建模，所有建模參數(shù)及三維打印成型參數(shù)不變。得到的產(chǎn)品經(jīng)300攝氏度真空退火后處理，不同的是進一步進行2小時電化學沉積羥基磷灰石，經(jīng)電化學沉積羥基磷灰石生物活化處理后的產(chǎn)品表面及內(nèi)部孔壁上形成了5-20μm的羥基磷灰石層，產(chǎn)品具有比實施例1具有更好的生物活性，利于骨長入，促進骨愈合。

實施例9

以實施例1的建模方式進行建模，所有建模參數(shù)及三維打印成型參數(shù)不變。得到的產(chǎn)品經(jīng)300攝氏度真空退火后處理，不同的是進一步進行等離子噴涂磷酸鈣涂層，經(jīng)等離子噴涂磷酸鈣涂層處理后的產(chǎn)品表面形成了一層100μm的磷酸鈣涂層，產(chǎn)品具有比實施例1具有更好的生物活性，利于骨細胞黏附，骨長入，促進骨愈合。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，對本發(fā)明而言僅是說明性的，而非限制性的；本領域普通技術人員理解，在本發(fā)明權利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進行許多改變，修改，甚至等效變更，但都將落入本發(fā)明的保護范圍。