一種具有力學(xué)梯度仿生人工骨支架的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有力學(xué)梯度仿生人工骨支架的制備方法。該方法首先將人工骨支架CAD模型由下至上均勻分割成N層截面并將每層截面由里到外分為四部分，然后將羥基磷灰石、明膠、生物粘結(jié)劑等材料按四種不同比例混合成打印原材料。最后將四種不同比例的混合材料依次有序地?cái)D壓打印到每層截面的四部分中。在本發(fā)明中，由于每層截面各部分使用的打印原材料各組分比例不同，從而使得各部分具有不同的力學(xué)性能，利用此方法制備的人工骨支架具有更好的力學(xué)性能和梯度。
【專利說(shuō)明】
一種具有力學(xué)梯度仿生人工骨支架的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明提出了一種具有力學(xué)梯度仿生人工骨支架的制備方法。主要涉及到人工骨支架材料的研究、骨移植技術(shù)的研究、人體骨骼結(jié)構(gòu)等方面的研究。
【背景技術(shù)】
[0002]骨骼是人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，起著支撐、保護(hù)身體的作用。但骨骼疾病是現(xiàn)代社會(huì)影響人們身體健康的重要疾病之一。骨缺損是目前一種常見(jiàn)的骨骼疾病，而利用骨移植手術(shù)進(jìn)行骨修復(fù)是治療骨缺損的重要方式之一。
[0003]骨修復(fù)材料是進(jìn)行骨移植、修復(fù)骨缺損的重要材料。傳統(tǒng)骨移植多采用自體骨或者異體骨進(jìn)行移植。自體骨雖然一直是進(jìn)行骨修復(fù)和移植的理想材料，但存在供體不足、患者的二次損傷、出血量高、供骨部位容易出現(xiàn)并發(fā)癥等缺點(diǎn)。而如果用異體骨取代自體骨移植則存在著出現(xiàn)排斥反應(yīng)等風(fēng)險(xiǎn)，因此，利用人工骨來(lái)代替天然骨進(jìn)行骨移植的研究越來(lái)越受到科研人員的重視。
[0004]人體骨組織主要由羥基磷灰石與膠原兩大部分組成。羥基磷灰石是一種無(wú)機(jī)物質(zhì)，其具有良好的生物相容性和生物活性，植入骨組織后能在界面上和骨形成很強(qiáng)的化學(xué)性鍵合，具有骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)性，目前羥基磷灰石生物陶瓷已經(jīng)用于臨床上骨的修復(fù)替換，本次發(fā)明擬采用羥基磷灰石作為復(fù)合打印材料中的一種組分。
[0005]羥基磷灰石雖然是人體骨的無(wú)機(jī)組成成分，但其存在生物降解性低等缺點(diǎn)。因此為彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，本發(fā)明擬在復(fù)合材料中加入一種具有良好生物降解性的材料。為使復(fù)合材料成分更接近人體骨組織的組成成分，本次發(fā)明選用明膠作為此種材料。明膠是由動(dòng)物皮膚、肌膜等結(jié)締組織中的膠原部分降解而成的粉粒，其是非常重要的天然生物高分子材料之一，目前已被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)。
[0006]3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。當(dāng)前，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行人工骨支架制備已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。目前已出現(xiàn)利用激光燒結(jié)法、骨水泥擠壓法、粉末疊層法等方法進(jìn)行人工骨支架制備。但目前在人工骨支架制備過(guò)程中，大多數(shù)研究只是只是集中于人工骨支架三維模型的建立、人工骨支架微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、人工骨支架制備材料的優(yōu)化、人工骨支架植入人體后的相容性及可降解性以及人工骨支架孔隙率的控制等方面的研究，但對(duì)于人工骨支架力學(xué)性能的研究一般較少，即便是有也只是集中于整體骨支架的力學(xué)性能的實(shí)現(xiàn)，和天然人體骨的力學(xué)性能相比還是有很大的差距。
[0007]公開(kāi)號(hào)為CN102429745A的發(fā)明專利提出了一種橫向梯度孔結(jié)構(gòu)的納米人工骨支架及其制備方法。該方法將聚己內(nèi)酯溶入已經(jīng)制備好的羥基磷灰石溶膠中從而制備出不同比例的HA/PCL溶膠，然后將HA/PCL溶膠層層澆鑄到特制的模具中制得人工骨支架。該發(fā)明將人工骨支架由里到外分不同部分進(jìn)行澆模，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了骨支架的橫向梯度。但本方法還存在以下問(wèn)題:
該發(fā)明采用向模具中澆鑄材料的方法進(jìn)行制備骨支架，采用的模具形狀單一(該發(fā)明中模具采用圓柱形)，不能符合人工骨三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜曲面的要求。該方法所制備的骨支架層與層之間連接不夠緊密，容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，引起應(yīng)力集中以及骨支架的空隙結(jié)構(gòu)不能得到保障，此外，該發(fā)明選用二甲基乙酰胺作為溶劑，雖然最后洗去溶劑，但還是會(huì)造成骨支架上有殘留，植入人體內(nèi)對(duì)人體有害。
[0008]公開(kāi)號(hào)CN102697584A的發(fā)明專利提出了一種孔隙連通性可控的人工骨支架的制備方法。該發(fā)明將生物陶瓷小球和生物可降解小球通過(guò)離散分析顆粒流軟件按一定比例進(jìn)行混合后通過(guò)噴灑生物膠黏劑進(jìn)行粘結(jié)的方法實(shí)現(xiàn)人工骨支架的制備。其特點(diǎn)是利用生物可降解小球的在人體內(nèi)的降解性來(lái)控制實(shí)現(xiàn)骨支架的孔隙率。但本方法存在以下問(wèn)題:
該發(fā)明只是通過(guò)控制生物可降解小球的比例來(lái)控制人工骨支架的孔隙連通性，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)人工骨支架的優(yōu)良的力學(xué)性能。
[0009]因此，為克服傳統(tǒng)骨移植手術(shù)中存在供體不足、排斥反應(yīng)等及新型人工骨支架制備工藝無(wú)法很好地實(shí)現(xiàn)橫向力學(xué)梯度分布等問(wèn)題，本發(fā)明提出一種具有力學(xué)梯度仿生人工骨支架的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)背景中提出的當(dāng)前人工骨支架制備過(guò)程中存在的問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種具有力學(xué)梯度仿生人工骨支架的制備方法。
[0011]具體包括如下步驟:
步驟1、首先利用計(jì)算機(jī)建立起將要打印的骨支架的三維CAD模型，然后將已建立的人工骨支架CAD模型由下至上均勻分割成N個(gè)等間距的二維截面。
[0012]步驟2、根據(jù)天然骨組織各部分的力學(xué)特性，將步驟I分割好的每層二維截面由內(nèi)到外分成4個(gè)梯度a、b、c、d，其中a區(qū)形狀是具有一定直徑的類圓形，b、c、d為一定寬度的類圓環(huán)形。
[0013]步驟3、將羥基磷灰石、明膠、生物粘結(jié)劑分別按照質(zhì)量比為(I)10%:70%:20%, (2)15%:60%:25%、(3) 20%:50%:30%^ (4) 25%:40%:35%四種比例混合打印原材料。
[0014]步驟4、將步驟3中制備的(1)、(2)、(3)、(4)四種混合材料分別放入自制的擠壓成型機(jī)的擠壓噴頭(i)、(n)、(m)、(iv)中。
[0015]步驟5、將步驟4噴頭(1)、(11)、(111)、(1￥)中放入的原材料分別擠壓至二維截面的
a、b、c、d四部分中，形成第一層。然后按照分割的每層二維截面的軌跡逐層擠壓，直到N層截面打印完畢。
[0016]步驟6、待最后一層截面打印完畢，取出制備好的骨支架進(jìn)行后續(xù)的干燥與完善處理。
[0017]進(jìn)一步的優(yōu)選:
1.選用輕基磷灰石材料時(shí)要注意盡量選用較小半徑的材料，一般選用30nm-50nm之間的材料。
[0018]2.明膠顆粒事先利用粉碎技術(shù)處理為粉末狀。
[0019]3.生物粘結(jié)劑一般包括醫(yī)用膠水、醫(yī)藥級(jí)聚乙烯醇等，可以選擇其中一種。
[0020]本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是:
1、創(chuàng)新性的提出采用將每層截面分部分打印的新型方法進(jìn)行加工制備骨支架。
[0021]2、每層截面各部分采用的粉末混合材料的組成比例各不相同，從而實(shí)現(xiàn)骨支架橫向力學(xué)梯度分布。
[0022]3、各部分混合材料中生物粘結(jié)劑的比例各不相同，從而實(shí)現(xiàn)各部分粘結(jié)性能的不同并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)人工骨支架橫向力學(xué)性能的控制。
[0023]以下通過(guò)具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024]具體實(shí)施實(shí)例:
本實(shí)施實(shí)例采用快速成型機(jī)中的擠壓成型機(jī)，該種成型機(jī)利用將原材料分層擠壓的技術(shù)制備骨支架。其包括多個(gè)擠壓噴頭、成型工作臺(tái)等裝置。本次具體實(shí)例擬利用擠壓成型機(jī)快速成型制作一個(gè)底面直徑為12mm，高度為30mm的圓柱形人工骨支架。
[0025]步驟1、首先利用計(jì)算機(jī)建立起本次需要打印的骨支架的CAD模型，然后利用分層軟件將本次需打印的具體實(shí)例骨支架CAD模型由下至上均勻等間距地分割成60層二維截面，每層厚度為0.5mm。
[0026]步驟2、將步驟I分割好的每層二維截面由里到外依次分成四部分并由里到外分別編號(hào)為a、b、c、d這四個(gè)區(qū)，其中中心的a區(qū)是直徑為6mm的圓，b、c、d三區(qū)分別是寬度為Imm的圓環(huán)形。
[0027]步驟3、
步驟3.1、首先將用到的明膠利用粉碎技術(shù)粉碎成粉末狀。
[0028]步驟3.2、本次實(shí)施實(shí)例選用醫(yī)藥級(jí)聚乙烯醇作為生物粘結(jié)劑。
[0029]步驟3.3、將粒徑為40mm羥基磷灰石、粉末狀的明膠、醫(yī)藥級(jí)聚乙烯醇分別按照質(zhì)量比為(I) 10%:70%:20%、(2) 15%:60%:25%、(3) 20%:50%:30%、(4) 25%:40%:35%四種比例混合打印原材料。
[0030]步驟4、將步驟3中制備的(1)、(2)、(3)、(4)四種混合材料分別放入擠壓成型機(jī)的擠壓噴頭(i)、(n)、(m)、(iv)中。
[0031]步驟5、將步驟4噴頭(1)、(11)、(111)、(1￥)中的原材料分別擠壓至各層二維截面的
a、b、c、d四部分中，形成第一層。然后按照建立的每層模型軌跡逐層擠壓，直到60層截面打印完畢。
[0032]步驟6、待最后一層截面打印完畢，取出制備好的骨支架進(jìn)行后續(xù)的干燥與完善處理。
[0033 ]本次實(shí)施實(shí)例制備的人工骨支架的力學(xué)性能(壓縮模量MPa )經(jīng)檢測(cè)分別為a區(qū)24.8，b區(qū)32.1，c區(qū)39.6，d區(qū)48.5。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有力學(xué)梯度仿生人工骨支架的制備方法，具體包括如下步驟: 步驟1、首先利用計(jì)算機(jī)建立起將要打印的骨支架的三維CAD模型，然后將已建立的人工骨支架CAD模型由下至上均勻分割成N個(gè)等間距的二維截面； 步驟2、根據(jù)天然骨組織各部分的力學(xué)特性，將步驟I分割好的每層二維截面由內(nèi)到外分成4個(gè)梯度a、b、c、d，其中a區(qū)形狀是具有一定直徑的類圓形，b、c、d為一定寬度的類圓環(huán)形； 步驟3、將羥基磷灰石、明膠、生物粘結(jié)劑分別按照質(zhì)量比為(1)10%:70%:20%、(2)15%:60%:25%、(3) 20%:50%:30%^ (4) 25%:40%:35%四種比例混合打印原材料; 步驟4、將步驟3中制備的(1)、(2)、(3)、(4)四種混合材料分別放入自制的擠壓成型機(jī)的擠壓噴頭α)、(π)、(ιπ)、(ιν)中； 步驟5、將步驟4噴頭(I)、(n)、(m)、(IV)中放入的原材料分別擠壓至二維截面的a、b、c、d四部分中，形成第一層，然后按照分割的每層二維截面的軌跡逐層擠壓，直到N層截面打印完畢； 步驟6、待最后一層截面打印完畢，取出制備好的骨支架進(jìn)行后續(xù)的干燥與完善處理。
【文檔編號(hào)】A61L27/22GK105919696SQ201610285844
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】侯祎波, 李欣培, 毛海榮, 魏慶華, 汪焰恩
【申請(qǐng)人】寧波傲骨生物科技有限公司