CN101507839A - 一种仿生人骨生物材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种仿生人骨生物材料的制备方法，首先利用直接激光选区烧结技术制备人骨仿生微孔支架，然后将具有骨诱导生长功能的材料注入仿生微孔支架中，经干燥固化后，获得仿生人骨生物材料。本发明将金属生物材料与非金属生物陶瓷材料(羟基磷灰石)的优点结合起来，利用直接激光选区烧结技术、真空浸渍技术等制备出一种新型仿生人骨生物复合材料，该材料生物力学性能与天然骨相似，生物相容性好，植入人体后可实现植入骨与人体组织的骨性结合，安全可靠。按本发明的制备方法制成的仿生人骨生物材料，抗拉强度极限：大于300MPa，延伸率：10％～12％，拉压弹性模量：小于50GPa，生物相容性良好。
Description
技术领域
本发明属于生物材料领域，具体涉及一种仿生人骨生物材料的制备方法。
背景技术
目前用于人骨修复和替代的生物材料主要包括以钛及合金为主要代表的金属材料和以羟基磷灰石为代表的生物陶瓷材料。金属钛及钛合金医用材料由于其高的强度、韧性以及良好的工艺成形而被广泛用于人工骨、人工关节、齿根材料等。但是金属钛材在生理环境下本身是生物惰性材料，难于和人体组织形成牢固的结合。羟基磷灰石具有优良的生物相容性，耐蚀性和抗磨损，与组织易形成骨性结合，但本身固有的脆性以及在生理环境下的疲劳损坏限制了它的广泛应用。
采用不同工艺方法将生物陶瓷涂覆在金属基体表面，能充分发挥两类材料的优点，以满足承载硬组织替代材料的临床应用需要。近十多年来，国内外的材料工作者和医学工作者对金属生物医用材料表面涂覆类骨磷灰石涂层的制备工艺、组织和力学性能等进行了广泛和深入的研究，取得了大量的成果。但是这种方法制备的人骨具有涂层易于剥落、分解等缺陷，导致机体和植入体之间的结合强度急剧下降，严重影响临床使用。研究将生物活性陶瓷和生物金属二类材料优点相结合的人骨修复和替代的性能优异的生物材料亟待解决。
天然骨由同心圆排列的骨板与哈弗系统构成，外层致密、硬、厚，为皮质骨，内层排列疏松，呈多孔状，为松质骨。根据生物特性要求，骨缺损修复材料应该具有可控制的非均质多微孔连通结构以及结构梯度和材料分布梯度。多微孔结构在与骨组织结合上的重要性己受到广泛的重视。目前虽然存在一些仿生人骨材料的制备方法，但均存在一些缺陷而不能广泛得到应用，因此研究一种与天然人骨生物力学性能及生物相容性极为相似的仿生人骨生物材料的制备方法极为紧迫与必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿生人骨生物材料的制备方法，本发明将生物金属与陶瓷材料相结合，实现了人骨生物材料梯度微孔结构的仿生。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：首先利用直接激光选区烧结技术制备钛基人骨仿生微孔支架，然后将具有骨诱导生长功能的生物陶瓷羟基磷灰石微粉注入仿生微孔支架中，经干燥固化后，获得仿生人骨生物材料。
其具体步骤如下：
1)首先利用Micro CT获取患者需修复或替代部位的人骨的三维微观结构数据，根据三维微观结构数据运用CAD建立个体化人骨的三维模型，然后对该三维模型切片分层，获得个体人骨修复或替代物快速原型制造的切片数据，根据切片数据利用快速原型技术的激光选区直接烧结金属工艺烧结成形人工骨仿生支架，即采用10～60μm的生物金属钛合金微粉为原料利用直接激光烧结金属粉末，成形入骨金属仿生微孔支架，成形设备使用光纤激光器，激光烧结的工艺参数为：激光功率P＝70～85W、扫描速度V＝20～35mm/s、扫描间距L＝0.2～0.3mm、铺粉层厚H＝0.08～0.15mm，整个成形过程在氩气保护气氛下进行；
2)取羟基磷灰石纳米微粉与蒸馏水混合制成质量浓度为70％-90％的羟基磷灰石乳液，将成型后的微孔支架在超声波清洗机中清洗并干燥后浸于乳液中利用真空浸渍使两者复合，浸渍时间为10～15小时；
3)浸渍处理后，利用真空低温干燥技术进行干燥固化，获得仿生人骨生物材料。
本发明所说的生物金属钛合金微粉为Ti6Al7Nb、Ti6Al4V或Ti5Al2.5Fe。
按本发明的制备方法制成的仿生人骨生物材料，抗拉强度极限：大于300Mpa，延伸率：10％～12％，拉压弹性模量：小于50Gpa，生物相容性良好。
本发明将金属生物材料与非金属生物陶瓷材料(羟基磷灰石)的优点结合起来，利用直接激光选区烧结技术、真空浸渍技术等制备出一种新型仿生人骨生物复合材料，该材料生物力学性能与天然骨相似，生物相容性好，植入人体后可实现植入骨与人体组织的骨性结合，安全可靠。
具体实施方式
实施例1：1)首先利用Micro CT获取患者需修复或替代部位的人骨的三维微观结构数据，根据三维微观结构数据运用CAD建立个体化人骨的三维模型，然后对该三维模型切片分层，获得个体人骨修复或替代物快速原型制造的切片数据，根据切片数据利用快速原型技术的激光选区直接烧结金属工艺烧结而成，即采用10～60μm的生物金属钛合金微粉Ti6Al7Nb为原料利用直接激光烧结金属粉末，成形人骨金属仿生微孔支架，成形设备使用光纤激光器，激光烧结的工艺参数为：激光功率P＝70W、扫描速度V＝35mm/s、扫描间距L＝0.2mm、铺粉层厚H＝0.12mm，整个成形过程在氩气保护气氛下进行；
2)取羟基磷灰石纳米微粉与蒸馏水混合制成质量浓度为80％的羟基磷灰石乳液，将成型后的微孔支架在超声波清洗机中清洗并干燥后浸于乳液中利用真空浸渍使两者复合，浸渍时间为10小时；
3)浸渍处理后，利用真空低温干燥技术进行干燥固化，获得仿生人骨生物材料。
实施例2：1)首先利用Micro CT获取患者需修复或替代部位的人骨的三维微观结构数据，根据三维微观结构数据运用CAD建立个体化人骨的三维模型，然后对该三维模型切片分层，获得个体人骨修复或替代物快速原型制造的切片数据，根据切片数据利用快速原型技术的激光选区直接烧结金属工艺烧结而成，即采用10～60μm的生物金属钛合金微粉Ti6Al4V为原料利用直接激光烧结金属粉末，成形人骨金属仿生微孔支架，成形设备使用光纤激光器，激光烧结的工艺参数为：激光功率P＝78W、扫描速度V＝26mm/s、扫描间距L＝0.3mm、铺粉层厚H＝0.08mm，整个成形过程在氩气保护气氛下进行；
2)取羟基磷灰石纳米微粉与蒸馏水混合制成质量浓度为70％的羟基磷灰石乳液，将成型后的微孔支架在超声波清洗机中清洗并干燥后浸于乳液中利用真空浸渍使两者复合，浸渍时间为13小时；
3)浸渍处理后，利用真空低温干燥技术进行干燥固化，获得仿生人骨生物材料。
实施例3：1)首先利用Micro CT获取患者需修复或替代部位的人骨的三维微观结构数据，根据三维微观结构数据运用CAD建立个体化人骨的三维模型，然后对该三维模型切片分层，获得个体人骨修复或替代物快速原型制造的切片数据，根据切片数据利用快速原型技术的激光选区直接烧结金属工艺烧结而成，即采用10～60μm的生物金属钛合金微粉Ti5Al2.5Fe为原料利用直接激光烧结金属粉末，成形人骨金属仿生微孔支架，成形设备使用光纤激光器，激光烧结的工艺参数为：激光功率P＝85W、扫描速度V＝20mm/s、扫描间距L＝0.3mm、铺粉层厚H＝0.15mm，整个成形过程在氩气保护气氛下进行；
2)取羟基磷灰石纳米微粉与蒸馏水混合制成质量浓度为90％的羟基磷灰石乳液，将成型后的微孔支架在超声波清洗机中清洗并干燥后浸于乳液中利用真空浸渍使两者复合，浸渍时间为15小时；
3)浸渍处理后，利用真空低温干燥技术进行干燥固化，获得仿生人骨生物材料。
Claims (4)
1、一种仿生人骨生物材料的制备方法，其特征在于：首先利用直接激光选区烧结技术制备钛基人骨仿生微孔支架，然后将具有骨诱导生长功能的生物陶瓷羟基磷灰石微粉注入仿生微孔支架中，经干燥固化后，获得仿生人骨生物材料。
2、根据权利要求1所述的仿生人骨生物材料的制备方法，其具体步骤如下：
1)首先利用Micro CI获取患者需修复或替代部位的人骨的三维微观结构数据，根据三维微观结构数据运用CAD建立个体化人骨的三维模型，然后对该三维模型切片分层，获得个体人骨修复或替代物快速原型制造的切片数据，根据切片数据利用快速原型技术的激光选区直接烧结金属工艺烧结成形人工骨仿生支架，即采用10～60μm的生物金属钛合金微粉为原料利用激光直接烧结金属粉末，成形人骨金属仿生微孔支架，成形设备使用光纤激光器，激光烧结的工艺参数为：激光功率P＝70～85W、扫描速度V＝20～35mm/s、扫描间距L＝0.2～0.3mm、铺粉层厚H＝0.08～0.15mm，整个成形过程在氩气保护气氛下进行；
2)取羟基磷灰石纳米微粉与蒸馏水混合制成质量浓度为70％-90％的羟基磷灰石乳液，将成型后的微孔支架在超声波清洗机中清洗并干燥后浸于乳液中利用真空浸渍使两者复合，浸渍时间为10～15小时；
3)浸渍处理后，利用真空低温干燥技术进行干燥固化，获得仿生人骨生物材料。
3、根据权利要求2所述的仿生人骨生物材料的制备方法，其特征在于：所说的生物金属钛合金微粉为Ti6Al7Nb、Ti6Al4V或Ti5Al2.5Fe。
4、一种如权利要求2所述的仿生人骨生物材料的制备方法制成的仿生人骨生物材料，其特征在于：抗拉强度极限：大于300Mpa，延伸率：10％～12％，拉压弹性模量：小于50Gpa，生物相容性良好。
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