CN102283723A - 可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法，该方法首先将人工骨支架CAD模型分割成等间距的二维截面图形N份；然后按照生成的二维截面图形，控制喷头的扫描运动，将瞬干粘结剂选择性地喷洒到生物陶瓷微球层表面，从而将生物陶瓷微球分层叠加粘结，堆积成型出三维人工骨支架结构。通过控制瞬干粘结剂的喷洒量，来控制生物陶瓷微球层之间的粘结强度，进而控制整个人工骨支架的力学性能；通过调节生物陶瓷微球的直径和瞬干粘结剂的喷洒量，可获得不同孔隙率的人工骨支架；本发明使用的粘结剂为医用瞬干粘结剂，保证了人工骨支架的生物相容性和成型效率。

Description

可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法

所属领域

本发明涉及一种生物陶瓷微球人工骨支架的制造方法，特别涉及可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法。

现有技术

在治疗各种骨缺损、骨再造等手术中，需要在骨缺损的部位植入或填充自体骨或异体骨来达到治愈的目的，使骨骼尽早地恢复其完整性和连续性，以获得正常的力学性能。现有技术中，临床上对大段骨的修复材料有自体骨、异体骨、组织工程骨等。采用自体骨，优点是无免疫排异反应，但是存在来源有限、取骨部位常遗留慢性疼痛等并发症的缺点。采用异体骨，优点是能提供足量不同形状尺寸的皮质骨或松质骨，却存在容易引起免疫反应、易传染病毒疾病的缺点。因此，1995年Crane等系统地提出了组织工程骨的基本概念，利用组织工程学的原理和方法对缺损骨组织进行修复和重建。

理想骨替代物应该满足如下要求：1、与人体组织具有良好生物相容性，无免疫源反应；2、与人骨力学性能相近似，且具有一定的强度和支撑力；3、优良的三维微观结构，保证培养液及血液能够进入骨支架内部，且易于成型；4、良好的成骨诱导性；5、具有合适的表面理化性质，且能被宿主骨组织吸收替代；6、取材方便，易于大量制作。因此，制作人工骨支架时，除了考虑其生物相容性、三维几何结构、表面理化性质之外，很重要的一点，就是考虑其力学性能是否能满足与患者人骨力学性能相近的要求。

基于快速成型法制备人工骨支架是人工骨支架的一种重要制备技术。目前，人工骨支架的快速成型方法主要有：光固化成型工艺、叠层制造、选择性激光烧结、三维印刷成形、熔融沉积制造等。基于喷射技术的人工骨支架的快速成型技术有：螺杆挤压喷射、活塞挤压喷射、气动挤压喷射、微滴喷射技术、激光引导直写技术、电纺丝技术、蘸笔纳米刻蚀技术等。

本发明提出的人工骨支架快速成型方法基于快速成型技术，却又不完全等同于上述已有的人工骨支架的快速成型方法。本发明提出的人工骨支架的快速成型方法，是将瞬干粘结剂喷洒到生物陶瓷微球层上，将其粘结，实现人工骨支架的堆积成型。

发明专利200410030652.6公开了一种CT辅助仿骨制造人工骨方法。该方法通过CT对骨骼原型进行扫描，获取骨骼的几何外形信息、内部三维多孔状结构信息和三维空间位置的密度信息图像，对该三维信息图像进行量化处理，得到二值化图像，再利用快速成型技术，实现人工骨支架的堆积成型。其特点是，可获得精确的原始数据，根据对骨骼测量的结果图像成型制造出精度高的人工骨。发明专利200410025965.2公开了一种基于快速成型和立体编织的人工骨仿生制造工艺。其特点是，应用立体编织涂挂法构造人工骨的微观结构，可以对制造的人工骨微通道结构进行预设计和控制。发明专利200610105346.3公开了一种双尺度微结构人工骨支架及其制备方法，该方法基于计算机辅助设计CAD和光固化快速成型技术，先制备人工骨负型的树脂模具，在模具中填充一定直径的石蜡小球适当加压，再填充生物材料浆体，待固化后真空烘干，最后，热分解去除树脂模具和石蜡小球，形成宏观尺度的管道系统和微观尺度的球形孔。其特点是，该支架微结构包括微观尺度的球连孔和宏观尺度的管道系统，球形孔随机分布，管道系统可预先设计。

上述三种基于快速成型的人工骨支架制造方法都侧重于人工骨支架的三维几何形态和微观结构的设计，未考虑调控人工骨支架的力学性能。故此，本发明提出了可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法。该方法是在现有人工骨支架快速成型方法的基础上，以成型后人工骨支架的力学性能为设计目标，而提出的一种新型的人工骨支架快速成型方法。

发明内容

现有的人工骨支架快速成型方法，主要考虑人工骨支架三维形态和微观结构，而很少考虑其力学性能。为了提高人工骨支架力学可操控性，本发明提出了一种可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法，通过控制喷头的扫描运动，将瞬干粘结剂选择性地喷洒到生物陶瓷微球层表面，从而将生物陶瓷微球分层叠加粘结，堆积成型出三维人工骨支架结构。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、设定每层生物陶瓷微球单位面积上瞬干粘结剂的平均用量为q_i；

步骤3、将步骤1生成的N份二维截面图形送入快速成型机；

步骤4、i＝1，在成型工作台上均匀铺上一层生物陶瓷微球并用铺粉辊压实。

步骤5、调节喷嘴工艺参数，设定工作喷嘴数n_i、单个喷嘴流量Q_i、第j个工作喷嘴的喷洒时间t_j以及喷嘴到生物陶瓷微球层的间距l；控制喷头扫描轨迹，按照第i份截面图形，选择性喷洒瞬干粘结剂到第i层生物陶瓷微球上；对所述瞬干粘结剂的要求是：固化时间为10s-60s、粘度低足以适合喷洒；然后再均匀铺上一层生物陶瓷微球并用铺粉辊压实，形成第i+1层。其中，Q_i、t_j应满足如下关系：

$q_i=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\×t_j/A_i$

步骤6、判断i值，如果i＜N-1，i＝i+1，重复步骤5；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：首先，本发明通过控制瞬干粘结剂的喷洒量即设定不同的q_i值，来控制生物陶瓷微球层之间的粘结强度，进而控制整个人工骨支架的力学性能，从而提供了一种满足人工骨支架可控力学性能的快速成型方法，在临床应用中能满足因患者个体差异而引起对人工骨支架力学性能的各异要求。其次，本发明可以通过调节生物陶瓷微球的直径和瞬干粘结剂的喷洒量，获得不同孔隙率的人工骨支架。再者，本发明基于快速成型原理，成型效率高、制备工艺流程简单，材料利用率高。

附图说明

图1为采用本发明所述快速成型方法制作出的人工骨支架样本。

具体实施实例

本实施例中可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法，选用的快速成型装置至少包括如下组成部分：X-Y工作台、成型工作台、铺粉辊装置。X-Y工作台上装有喷嘴向下的喷头，由伺服电机驱动控制喷头在XY平面内进行扫描运动。成型工作台，应当包括成型工作缸，供料工作缸。支架在成型工作缸中完成支架的加工，成型工作缸每次沿Z轴方向下降一个微球直径的距离，支架成型完成后，成型工作缸升起，取出支架。成型工作缸沿Z轴方向的升降，由伺服电动机驱动控制。供料工作缸用来提供成型和支撑的生物陶瓷微球材料，其沿Z轴方向的升降，由伺服电动机驱动控制。铺粉辊装置，包括铺粉辊及其驱动系统，其作用是把生物陶瓷微球材料均匀地铺平在成型工作缸上。

本实施实例中，选用直径为0.5±0.2mm的羟基磷灰石微球作为成型材料；选用康派特医用胶作为瞬干粘结剂，固化时间为15s；选用XAAR128/80-W压电喷头，喷嘴数为128个；快速成型制作一个10mm×10mm×2.5mm的长方体人工骨支架。

步骤1、计算机处理底面为10mm×10mm、高为2.5mm的人工骨支架CAD模型，将其从下至上顺序分割成间距Δh＝0.5mm的二维截面图形5份，每份截面图形面积A_i＝100mm²。

步骤2、设定每层羟基磷灰石微球单位面积上瞬干粘结剂的平均用量q_i＝0.0004ml/mm²。

步骤3、将步骤1生成的5份二维截面图形送入快速成型机。

步骤4、i＝1，在成型工作台上均匀铺上一层羟基磷灰石微球并用铺粉辊压实。

步骤5、调节喷嘴工艺参数，设定工作喷嘴数n_i为70个、单个喷嘴流量Q_i为4.4×10^-4ml、每个工作喷嘴的喷洒时间t_j均为1.30s、喷嘴到羟基磷灰石微球层的间距h为1mm；按照第i份截面图形，控制喷头的扫描轨迹，选择性喷洒瞬干粘结剂到第i层羟基磷灰石微球上；然后再均匀铺上一层羟基磷灰石微球并用铺粉辊压实，形成第i+1层。

步骤6、判断i值，如果i＜4，i＝i+1，重复步骤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，去除多余材料，回收多余羟基磷灰石微球以再次使用。

本实施实例制作的人工骨支架样本的抗压强度为4.80MPa。

为了验证设定不同q_i值能制作出不同力学性能的人工骨支架，还使用本发明提出的方法，在不同工艺条件下制作出多种人工骨支架，其相应的抗压强度如表1所示。

表1支架抗压强度与粘结剂喷洒量之间的关系

Claims (1)

1.一种可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

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、设定每层生物陶瓷微球单位面积上瞬干粘结剂的平均用量为q_i；

步骤3、将步骤1生成的N份二维截面图形送入快速成型机；

步骤4、i＝1，在成型工作台上均匀铺上一层生物陶瓷微球并用铺粉辊压实。

步骤5、调节喷嘴工艺参数，设定工作喷嘴数n_i、单个喷嘴流量Q_i、第j个工作喷嘴的喷洒时间t_j以及喷嘴到生物陶瓷微球层的间距l；控制喷头扫描轨迹，按照第i份截面图形，选择性喷洒瞬干粘结剂到第i层生物陶瓷微球上；对所述瞬干粘结剂的要求是：固化时间为10s-60s、粘度低足以适合喷洒；然后再均匀铺上一层生物陶瓷微球并用铺粉辊压实，形成第i+1层。其中，Q_i、t_j应满足如下关系：

$q_i=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\×t_j/A_i$

步骤6、判断i值，如果i＜N-1，i＝i+1，重复步骤5；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。