CN102274544A - 一种多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制备方法，根据个体特性建立的三维CAD模型导入三维打印机，通过三维打印机喷洒生物胶黏剂的方法来实现生物陶瓷的制备。为了克服现有技术多孔陶瓷支架制备过程中由于烧结而可能导致污染和力学性能差的弱点，本发明提供了改良生物胶黏剂，通过控制雾化喷洒参数，使不同比例的生物胶黏剂、固化促进剂和增稠增韧改进剂充分混合，从而达到力学性能可控和固化时间可控的效果。改良胶黏剂具有粘结强度高、韧性大且和人体体液具有良好的相容性的优点，避免了制备过程中的烧结。本发明利用快速成型方法制作，减少了制作模具的成本和时间，提高了制造的效率和降低了制作成本。

Description

一种多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制备方法

所属领域：

本发明涉及一种基于生物陶瓷微球人工骨支架的制备方法。特别涉及利用改良生物胶黏剂通过快速成型的方法制备力学性能可控的活性生物陶瓷微球人工骨支架。

背景技术：

人体骨骼具有一定的再生和自修复能力，但对于因创伤、感染、肿瘤及发育畸形等原因造成的大的骨缺损，单纯依靠骨的自修复无法愈合，需采用骨移植手术治疗。移植材料主要有自体骨、异体骨和合成材料，自体骨组织移植效果很好，但存在数量十分有限、需要二次手术及取骨区有一定的并发症等缺点。而异体移植虽不需两次手术，且具有自体骨的一些优越的组织特点，但移植骨在经消毒处理后会失去强度，部分或完全损失骨诱导因子，并有感染病毒的可能。为了克服这些局限，人们开始研究可用作骨修复与重建用的人工合成材料，要求它们具有与人体骨骼相匹配的力学性能和骨传导、骨诱导作用。

在现代医学水平飞速发展的今天，传统医用的金属或合金材料、陶瓷及有机填充物等已越来越不能满足当前临床医疗工作的需要。生物陶瓷复合材料由于兼具生物陶瓷优良的生物性能和高分子材料良好的力学性能、加工性能，已成为骨损伤修复重建材料研究的热点。理论上，高分子材料的化学结构能够根据需要而设计成在一定的时间内显示生物惰性或生物降解性。生物降解高分子材料代替金属材料作为骨替代材料有许多优点：不需要二次手术；其力学性能逐渐衰减，不会限制骨骼的生长；和金属材料(高强度、高模量)相比，发生骨质疏松的危险较小；克服了因金属腐蚀所带来的组织反应；在计算机X射线断层扫描过程中，不会显示出人工制品的影像。许多可生物吸收高分子材料已逐渐应用于临床，如整形外科、颅面、上颌面等外科手术。

为了促进人工骨体内生物相容性，保证骨细胞和营养液物质在支架内的流动，人工骨往往需要制成多孔结构。但是，人工骨的承载功能(弹性模量)也不容小觑，如果植入体内的人工骨支架跟人体原有的骨组织不匹配，会导致磨损、松动及植入体结合不牢固，特别是在承力情况下，恢复期较长，而且可能需要二次手术。本发明的人工骨支架是由生物陶瓷微球用生物胶粘结而成的复合材料。该方法不仅可以保证所得人工骨支架的孔隙率，还可通过调节生物胶黏剂的性能改变人工骨支架的有效弹性模量，做到根据个体差异制作不同弹性模量的人工骨支架。具有合适的微孔结构使得多孔人工骨支架可发挥最优成骨效果

添加制孔剂法是一种常用的制备多孔陶瓷支架的方法。文献“公开号为CN101011602A的中国发明专利”公开了一种多孔生物陶瓷制备方法，该方法采用挤出滚圆法制备生物陶瓷球形颗粒，然后采用模压成型工艺将该球直接堆积形成多孔结构，最后在高温下烧除有机粘结剂形成多孔支架。该方法实现了孔径、孔内连接径和孔形状的调控，但是该方法仍然存在如下问题：

该方法制备多孔陶瓷支架，需要利用模具约束成型，难以按照病人的实际情况调控支架外形，且制备支架的有机粘结剂需要在高温下烧除，延长了支架制作时间，提高了制备成本，并增加生物陶瓷颗粒被污染的几率。

公开号为CN101690828A的中国专利公开了一种多孔生物陶瓷制备方法，该方法通过浇注生物陶瓷浆料制造三维壳体，浇注生物陶瓷浆料制造三维壳体，通过冷冻、干燥、烧结，制备出外面相对致密，内部相对疏松的生物陶瓷支架，但是该方法仍存在如下问题：

制备支架的有机粘结剂需要在高温下烧除，也会延长支架制作时间，提高成本，并增加生物陶瓷颗粒被污染的几率。且制备的多孔生物陶瓷支架外部致密的结构，营养液很难在其中输送。

发明内容：

为了克服现有技术人工骨支架承载能力弱，且难以满足病人个体差异需求，本发明提出一种多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制备方法，该方法首先将根据个体特性所建立的三维CAD模型导入三维打印机，然后通过三维打印机喷洒生物胶黏剂粘结生物陶瓷微球，来实现人工骨支架的制备。为了克服现有技术多孔陶瓷支架制备过程中由于烧结而可能导致污染的弱点，本发明提供了改良生物胶黏剂，该胶黏剂具有粘结强度高、韧性大且和人体体液具有良好的相容性的优点，避免了制备过程中的烧结。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于生物陶瓷微球的人工骨支架的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、计算机处理人工骨支架三维CAD模型，将其从下至上顺序分割成间距为Δh的二维截面图形N份，第i份截面图形面积为A_i，其中Δh的大小为生物陶瓷微球的直径；

步骤2、将步骤1中输出的N份二维截面图形导入三维打印机；分别将生物胶黏剂装入三维打印机的储液腔A，增稠增韧改性剂装入储液腔B，固化促进剂装入储液腔C；

步骤3、i＝1；

步骤4、在成型工作台上均匀的铺上第i层生物陶瓷微球；

步骤5、启动三维打印机，喷洒不同剂量的固化促进剂、增塑剂、生物胶黏剂，在雾化喷洒过程中将三者完全混合，形成第i层改良后的胶黏剂；然后再均匀铺上一层生物陶瓷微球，形成第i+1层；

步骤6、判断i值，如果i＜N-1，i＝i+1，进入步骤4；否则，进入下一步；

步骤7、支架制作完毕，取出支架，对支架进行后处理。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用生物胶黏剂，生物胶黏剂具有生物活性且在人体中可分解、吸收，而且和人体体液有良好的相容性，无需烧除，保证了生物陶瓷材料的纯净，减少了生物陶瓷被污染的几率。

2)一般的生物胶黏剂均有黏度低，填隙性能差等缺点，往往因流淌的原因而不能对多孔表明进行粘结，且固化后脆性较大。针对上述缺陷，本发明分别在物体表面雾化喷洒固化促进剂、生物胶黏剂和增稠增韧改性剂使其充分混合，通过控制固化促进剂的喷洒量调整生物胶黏剂的固化时间，同时通过控制增稠增韧改性剂的相对分子质量和喷洒量控制生物胶黏剂的剪切冲击性能，从而达到了对生物胶黏剂增稠增韧且瞬干的效果，进而增加了生物陶瓷支架的强度和可靠性。

3)本发明利用快速成型方法制作，减少了制作模具的成本和时间，提高了制造的效率和降低了制作成本。

附图说明

图1为采用本发明所述制备方法制作出的人工骨支架样本

具体实施实例

本实施例中多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制备方法，具体步骤如下：

步骤1、计算机处理人工骨支架三维CAD模型，将其从下至上顺序分割成间距为0.5mm的二维截面图形5份，其中0.5mm的大小为生物陶瓷微球的直径；

步骤2、将步骤1中输出的5份二维截面图形导入三维打印机；将生物胶黏剂α-氰基丙烯酸酯装入三维打印机的储液腔A，将相对分子质量为3.3万的增稠增韧改性剂聚甲基丙烯酸正丁酯(PBMA)装入储液腔B，固化促进剂聚酰胺装入储液腔C；

步骤3、i＝1；

步骤4、在成型工作台上均匀的铺上第i层生物陶瓷微球；

步骤5、启动三维打印机，调整各种材料喷头的喷出量。通过XAAR256喷头喷洒生物胶黏剂α-氰基丙烯酸酯胶黏剂平均用量为0.0004ml/mm²。通过XAAR128喷头喷洒固化促进剂聚酰胺，控制其喷出量为α-氰基丙烯酸酯喷出体积的4.0％。通过XAAR128喷头喷洒相对分子质量为3.3万的增塑剂PBMA，控制其喷出量为α-氰基丙烯酸酯喷出体积的6.0％，三个喷头按照以上剂量同时喷出雾化液滴，使三种成份充分混合，形成第i层改良后的胶黏剂，然后再均匀铺上一层生物陶瓷微球，形成第i+1层；

步骤6、判断i值，如果i＜N-1，i＝i+1，进入步骤4；否则，进入下一步；

步骤7、支架制作完毕，取出支架，对支架进行后处理。

本实施实例制作的人工骨支架样本的有效弹性模量为35MPa，胶黏剂的固化时间为73s。

为了验证不同喷洒混合比例制作出的不同力学性能人工骨支架，还使用本发明提出的方法，在使用以上实例的三种材料在不同混合比例的条件下制作出多种人工骨支架，其相应的有效弹性模量和固化时间如表1所示。

表1  不同混合比例下制作的人工骨支架的有效弹性模量和胶黏剂的固化时间

Claims (1)

1.一种基于生物陶瓷微球的人工骨支架的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、计算机处理人工骨支架三维CAD模型，将其从下至上顺序分割成间距为Δh的二维截面图形N份，第i份截面图形面积为A_i，其中Δh的大小为生物陶瓷微球的直径；

步骤2、将步骤1中输出的N份二维截面图形导入三维打印机；分别将生物胶黏剂装入三维打印机的储液腔A，增稠增韧改性剂装入储液腔B，固化促进剂装入储液腔C；

步骤3、i＝1；

步骤4、在成型工作台上均匀的铺上第i层生物陶瓷微球；

步骤5、启动三维打印机，喷洒不同剂量的固化促进剂、增塑剂、生物胶黏剂，在雾化喷洒过程中将三者完全混合，形成第i层改良后的胶黏剂；然后再均匀铺上一层生物陶瓷微球，形成第i+1层；

步骤6、判断i值，如果i＜N-1，i＝i+1，进入步骤4；否则，进入下一步；

步骤7、支架制作完毕，取出支架，对支架进行后处理。

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