CN101536936A - 一种基于光固化成形的仿生支架多孔结构的制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光固化成形的仿生支架多孔结构的制造工艺。其制造工艺步骤为：使用Micro－CT对自然骨进行扫描，获得自然骨的微结构模型；再通过布尔运算求得其负型；然后利用光固化成形技术制得该负型后；最后灌注生物陶瓷浆料，经高温焙烧后，制得具有可控多孔结构的仿生骨支架。本方法制得的仿生支架多孔结构与真实骨结构相同，更有利于细胞的粘附、爬行和成骨替代。
Description
技术领域
本发明涉及一种骨科医疗修复用的人工骨，特别涉及一种基于光固化成形的骨仿生支架的多孔结构的制造工艺。
背景技术
骨骼在人体中有着举足轻重的作用，因各种创伤、肿瘤或感染等原因丧失一定的骨质形成较大间隙的骨缺损是临床医学中常见的难题。小段骨的修复问题能够通过人体生物组织的再生(成骨细胞的繁殖和爬行)进行修复，受损的骨组织可以自行恢复。一旦受损的骨组织超过30mm，就不能通过骨骼自身的生长自行弥补。如何促进骨缺损的尽快愈合，一直是骨科领域努力解决的问题。
组织工程的方法克服了传统治疗手段的缺点，具有真实模拟自然骨骼和诱导真实骨再生的特性，为骨缺损的修复带来了新的机遇。近年来，骨组织工程的应用研究已经在矫形外科、口腔外科及颅面外科等多个领域蓬勃展开，国内外研究者已进行了体外和体内的临床实验，有望成为组织工程中继人造皮肤之后又一个近期内实现临床应用的产品。
仿生支架是骨组织工程的三要素之一，支架不仅为特定的细胞提供结构支撑，而且还能引导组织再生、控制组织结构。组织工程可降解支架可以创造一种微环境，以利于细胞的粘附、增殖和功能发挥，并且诱导特定的细胞功能，引导和调节细胞间的相互作用，并能够最终被新生组织替代。为了满足这些功能要求，可降解支架需要具备良好的生物相容性及生物活性，并具有适合细胞生长增殖的微观多孔结构，以及与缺损部位吻合的外形和足够的力学强度等。
目前，构建人工骨微观通道系统，一般成形方法有成孔剂析孔法、发泡成孔法、热致相分离法、纤维编织法、挤出成形法和压印成形法等，但这些方法存在着孔洞无法保证导通、工艺可控性差以及无法进行微观结构的仿生设计和制造的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于光固化成形的仿生支架多孔结构的制造工艺，制得的仿生支架多孔结构与真实骨更为相近，更有利于细胞的爬行和成骨替代。
为了达到上述目的，本发明构思是：首先使用Micro-CT对松质骨进行扫描，以获得松质骨的微观三维多孔结构信息和三维空间位置密度信息的断面图像，然后利用不同的组织密度不同则其图像的阈值不同的原理。对上述各断层图像进行阈值处理，区分出所需的组织，获得其二值化的图像。经过选取图像范围及计算精度，设定生成的三维模型参数值后，便可获得由数字资料建构的多孔结构骨骼模型。对所述的骨骼模型进行简化，去除小于100μm的微小结构，再通过布尔减运算得到其三维负型。将该负型模型数据导入光固化成形机中制备负型，并在制备的负型中灌注生物陶瓷浆料，经高温焙烧后即可得到所需的多孔结构的仿生支架。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种基于光固化成形的仿生支架多孔结构的制造工艺，其特征在于：
(1)获取仿生支架的多孔结构模型
对自然骨施行Micro-CT扫描，以获得松质骨的微观三维多孔结构信息和三维空间位置密度信息的断层图像。对上述各Micro-CT扫描获得的断层图像使用最佳阈值法进行二值化处理；得到仅有黑白两种灰度的图像；选取计算范围后，可获得由数字资料建构的多孔骨骼结构模型；
(2)建立负型计算机模型
对上述的多孔骨骼结构模型进行简化，去除小于300μm的微小结构，通过布尔减运算得到三维负型模型。再将该负型模型数据结果转换成快速成形领域的标准接口文件(STL)格式，以便直接进行快速原型制造；
(3)制造负型与灌浆
将负型模型数据导入光固化成型机中加工成形。随后，在制得的负型中注入生物陶瓷浆料，初步振荡使浆料填充入负型；再将灌浆后的负型置于真空注型机中，利用真空产生的负压来消除灌浆后负型内的气泡残留，以提高浆料的充填性；
(4)高温焙烧
将坯体置于高温实验电炉中，在常压、空气气氛下进行高温焙烧。高温焙烧路线为：高温焙烧路线为：经1.5±0.2小时由室温升高到250±5℃；经7±0.2小时由250±5℃升温到600±5℃；经5±0.2小时由600±5℃升温到1100±5℃；并在1100±5℃保温3±0.2小时；保温结束后随炉冷却；经过高温焙烧后，负型被完全烧除，烧结后得到所需的多孔结构的仿生支架。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：使用的骨支架材料为生物陶瓷，与天然骨的成分相同，生物相容性好，PH值为中性，降解过程中没有酸性反应，因此不会引起手术后的非感染性炎症或排斥反应。快速制造技术可以准确控制和制造负型结构，使用方便，精确度高。制得的仿生支架多孔结构与真实骨结构相同，其力学性能更好，更加符合生物体自身的结构，更有利于细胞的粘附、爬行和成骨替代过程。
附图说明
图1是本发明通过Micro-CT扫描数据重建后得到的仿生支架微观多孔结构图。
图2是本发明通过简化、布尔减运算得到的CAD三维负型的截面图。
图3是本发明成形后的仿生支架。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例，结合附图详细说明如下：首先，本基于光固化成形的仿生支架多孔结构的制造工艺有如下步骤：参见图1，使用Micro-CT对自然骨进行扫描，以获得松质骨的微观三维多孔结构信息和三维空间位置密度信息的断层图像。对上述各断层图像进行阈值处理，得到二值化的图像。经过选取图像范围及计算精度，设定生成的三维模型参数值后，便可获得由数字资料建构的多孔结构骨骼模型。
随后，参见图2，通过去除小于300μm的微小结构和布尔运算处理，获得计算机三维负型模型。
最后，参见图3，使用光固化快速成形技术，制造出相应的负型实体。在真空环境中，将生物陶瓷浆料灌注入负型中，以避免夹杂气泡，再经过高温焙烧去除负型并固化生物陶瓷，得到具有多孔结构的仿生支架。高温焙烧路线为：经1.5±0.2小时由室温升高到250±5℃；经7±0.2小时由250±5℃升温到600±5℃；经5±0.2小时由600±5℃升温到1100±5℃；并在1100±5℃保温3±0.2小时；保温结束后随炉冷却；经过高温焙烧后，负型被完全烧除，烧结后得到所需的多孔结构的仿生支架。
Claims (1)
1.一种基于光固化成形的仿生支架多孔结构的制造工艺，其特征在于制造工艺步骤如下：
(1)获取仿生支架的多孔结构模型：对自然骨施行Micro-CT扫描，以获得松质骨的微观三维多孔结构信息和三维空间位置密度信息的断层图像；对所述各Micro-CT扫描获得的断层图像使用最佳阈值法进行二值化处理；得到仅有黑白两种灰度的图像；选取计算范围后，获得由数字资料建构的多孔骨骼结构模型；
(2)建立负型计算机模型：对所述的多孔结构模型进行简化，去除小于300μm的微小结构，通过布尔减运算得到三维负型模型；再将该负型模型数据结果转换成快速成形领域的标准接口文件格式，以便直接进行快速原型制造；
(3)制造负型与灌浆：将负型模型数据导入光固化成型机中加工成形；随后，在制得的负型中注入生物陶瓷浆料，初步振荡使浆料填充入负型；再将灌浆后的负型置于真空注型机中，利用真空产生的负压来消除灌浆后负型内的气泡残留，以提高浆料的充填性；
(4)高温焙烧：将坯体置于高温实验电炉中，在常压、空气气氛下进行高温焙烧。高温焙烧路线为：经1.5±0.2小时由室温升高到250±5℃；经7±0.2小时由250±5℃升温到600±5℃；经5±0.2小时由600±5℃升温到1100±5℃；并在1100±5℃保温3±0.2小时；保温结束后随炉冷却；经过高温焙烧后，负型被完全烧除，烧结后得到所需的多孔结构的仿生支架。
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