CN102335460B - 基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法 - Google Patents

基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法 Download PDF

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Abstract

基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法，根据不同骨缺损部位结构与生物力学的分析结果，借助于反求工程和CAD进行外形相关性和微结构仿生建立支架和支架负型的CAD模型；采用光固化成型技术制作树脂支架负型；将陶瓷浆料通过凝胶注模工艺填充到支架负型中，固化后高温烧结制作具有相互连通的多孔管路的生物活性陶瓷框架；利用真空吸铸的方法向生物陶瓷框架的多孔管路内浇铸熔融的镁合金，冷却凝固后得到镁合金/生物陶瓷仿生复合结构骨支架。制成的支架的内部微结构由相互连通的管路组成，在管路内填充镁合金，用于增强复合支架的早期力学性能，随着镁合金被腐蚀降解，填充镁合金的管路变为相互连通的孔道，满足组织生长与营养代谢需要。

Description

基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法
技术领域
本发明属于制造工程领域，特别涉及一种基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法。
背景技术
由创伤、肿瘤、先天畸形等因素造成的大面积骨缺损是临床面临的难题，据统计，全世界每年实施的骨缺损修复手术超过220万例，我国每年骨缺损或骨损伤的患者约有350万，全国肢体不自由患者1500万人以上，其中由于缺乏重建手术和骨替代材料，导致300万人截肢。我国每年个体匹配骨骼的市场总额至少在五千万元以上。骨组织工程为骨缺损的永久性修复提供了全新的思路。而构建综合性能优良的骨组织工程支架是实现骨缺损最终修复的关键。
材料方面，生物陶瓷、可降解聚合物已被证实难以单独满足多孔骨支架的力学强度要求，近年来重点研究的生物陶瓷/高分子复合材料，改善了支架的初始强度，但降解过程中陶瓷与高分子存在相分离倾向，导致机械强度迅速丧失。镁及其合金具备常规金属所缺乏的降解性，体内安全性高，通过调节孔隙率和孔径可满足不同部位骨缺损的强度要求，具有成为新型骨组织工程支架材料的潜力，但存在生理环境下腐蚀过快的问题。可见，单从材料学角度出发，可一定程度上提高支架的初始力学强度，却难以解决其体液环境中的结构与力学稳定性问题。材料只有在合适的结构中才能最大限度发挥其优越的性能，但是目前对支架力学功能的研究主要集中于优化结构单元几何形状，这种单一的设计可以提高支架的初始强度，但未考虑体液环境下的力学稳定性要求。
发明内容
本发明的目的在于针对目前存在的骨支架植入早期力学强度与稳定性不足，强度退化率与骨重建过程不匹配的问题，提供一种基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法。本发明成型的产品是镁合金/生物陶瓷“芯/壳”复合结构骨支架，在生物陶瓷中构建相互连通的管路结构，使初级管路满足组织生长与营养代谢的需要，管路内填充镁合金用于增强复合支架的早期力学性能，随着镁合金被腐蚀降解，填充镁合金的管路变为相互连通的孔道，满足组织生长与营养代谢需要。
为了达到上述目的，本发明的制备工艺为：
1)首先根据患者骨缺损部位的具体情况借助于反求工程和CAD技术进行骨缺损部位外形相关性和微结构仿生设计，并利用CAE分析软件对支架的受力以及内部形变与流体力学特性和结构进行修改形成具有连通的内部微结构的仿生支架的CAD模型；；
2)采用分层软件对仿生支架的CAD模型进行分层，分层厚度为0.10mm，根据分层后的结果利用光固化成型机制作支架负形树脂模具；
3)将陶瓷粉末、水溶剂、有机单体、分散剂和交联剂按110-120∶60-80∶6-8∶1-2∶1-1.5的质量比混合均匀，放入真空机中去除气泡，并用浓氨水调整使混合物的pH＝9得到浆料，再在浆料中分别加入交联剂质量0.2-0.5倍的引发剂和催化剂形成陶瓷浆料；
4)将陶瓷浆料填充到负形树脂模具中，冷冻干燥后去模、高温烧结得到具有相互连通管路结构的多孔生物陶瓷框架；
5)将熔融镁合金通过真空吸铸的方法浇铸到制作成的生物陶瓷框架的孔隙结构型腔中，冷却凝固后得到镁合金/生物陶瓷复合结构骨支架。
所说的光固化成型机的激光器的波长为355nm；光斑直径为0.2mm；填充扫描速度为5000mm/s；填充向量间距为0.10mm；支撑扫描速度为2000mm/s；跳跨速度为8000mm/s；轮廓扫描速度为3000mm/s；补偿直径为0.12mm；工作台升降速度为4.00mm/s；点支撑扫描时间为0.50ms；纹结构扫描时间为0.50ms。
所说的水溶剂为去离子水；陶瓷粉末为Beta-磷酸三钙(β-TCP)、Alpha-磷酸三钙(α-TCP)、磷灰石、碳酸钙或氧化铝；有机单体为丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化铵或己二酸二酰肼；交联剂为N，N-二亚甲基二丙烯酰胺、N，N-二丙酮基丙烯酰胺或二亚苄基丙酮基丙烯酰胺，分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酸铵，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾，催化剂为N，N，N’N’-四甲基乙二胺、N，N-二甲基环己胺或N，N，N’，N″，N″-五甲基二乙烯三胺。
所述的熔融镁合金是通过真空吸铸的方法浇注到陶瓷支架中的，在浇注过程中利用六氟化硫(SF6)作为保护气体，使浇注环境充满六氟化硫以避免熔融镁液与空气接触。
按照本发明的成型方法制成的镁合金/生物陶瓷仿生复合支架的内部微结构由相互连通的管路组成，在管路内填充镁合金，用于增强复合支架的早期力学性能，随着镁合金被腐蚀降解，填充镁合金的管路变为相互连通的孔道，满足组织生长与营养代谢需要。
本发明所制作的支架的内部微结构由相互连通的管路组成，在管路内填充镁合金，用于增强复合支架的早期力学性能，随着镁合金被腐蚀降解，填充镁合金的管路变为相互连通的孔道，满足组织生长与营养代谢需要。此种微结构充分发挥了不同材料的优势，由于管路中填充镁合金，使其被生物陶瓷包裹，减少了镁合金与体液的接触面积，在陶瓷降解的一段时间内不与人体环境发生物质交换，以保证内部填充的镁合金在骨愈合过程中提供持续的机械强度。有望解决现有的骨支架植入早期力学强度与稳定性不足，强度退化率与骨重建过程不匹配的问题。
附图说明
图1是支架负型模型图；
图2是灌注陶瓷并去模后支架模型图；
图3是浇铸镁合金后的支架模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
参见图1，1)首先根据患者骨缺损部位的具体情况借助于反求工程和CAD技术进行骨缺损部位外形相关性和微结构仿生设计，并利用CAE分析软件对支架的受力以及内部形变与流体力学特性和结构进行修改形成具有连通的内部微结构的仿生支架的CAD模型；
2)采用分层软件对仿生支架的CAD模型进行分层，分层厚度为0.10mm，根据分层后的结果利用光固化成型机制作支架负形树脂模具；
其中光固化成型机的激光器的波长为355nm；光斑直径为0.2mm；填充扫描速度为5000mm/s；填充向量间距为0.10mm；支撑扫描速度为2000mm/s；跳跨速度为8000mm/s；轮廓扫描速度为3000mm/s；补偿直径为0.12mm；工作台升降速度为4.00mm/s；点支撑扫描时间为0.50ms；纹结构扫描时间为0.50ms。
3)将陶瓷粉末Beta-磷酸三钙(β-TCP)、水溶剂去离子水、有机单体丙烯酰胺、分散剂聚丙烯酸钠和交联剂N，N-二亚甲基二丙烯酰胺按110∶70∶6∶2∶1.2的质量比混合均匀，放入真空机中去除气泡，并用浓氨水调整使混合物的pH＝9得到浆料，再在浆料中分别加入交联剂质量0.3倍的引发剂过硫酸铵和催化剂N，N，N’N’-四甲基乙二胺形成陶瓷浆料；
4)将陶瓷浆料填充到负形树脂模具中，冷冻干燥后去模、高温烧结得到具有相互连通管路结构的多孔生物陶瓷框架(见图2)；
5)将熔融镁合金通过真空吸铸的方法浇铸到制作成的生物陶瓷框架的孔隙结构型腔中，在浇注过程中利用六氟化硫(SF6)作为保护气体，使浇注环境充满六氟化硫以避免熔融镁液与空气接触，冷却凝固后得到镁合金/生物陶瓷复合结构骨支架(见图3)。
实施例2：本实施例中陶瓷浆料是按以下方法制备的，其它步骤同实施例1：
将陶瓷粉末Alpha-磷酸三钙(α-TCP)、水溶剂去离子水、有机单体甲基-酰氧乙基三甲基氯化铵、分散剂聚丙烯酸铵和交联剂N，N-二丙酮基丙烯酰胺按120∶80∶8∶1∶1的质量比混合均匀，放入真空机中去除气泡，并用浓氨水调整使混合物的pH＝9得到浆料，再在浆料中分别加入交联剂质量0.5倍的引发剂过硫酸钠和催化剂N，N-二甲基环己胺形成陶瓷浆料。
实施例3：本实施例中陶瓷浆料是按以下方法制备的，其它步骤同实施例1：
将陶瓷粉末磷灰石、水溶剂去离子水、有机单体己二酸二酰肼、分散剂聚丙烯酸钠和交联剂二亚苄基丙酮基丙烯酰胺按115∶60∶7∶1.5∶1.5的质量比混合均匀，放入真空机中去除气泡，并用浓氨水调整使混合物的pH＝9得到浆料，再在浆料中分别加入交联剂质量0.2倍的引发剂过硫酸钾和催化剂N，N，N’，N″，N″-五甲基二乙烯三胺形成陶瓷浆料。
实施例4：本实施例中陶瓷浆料是按以下方法制备的，其它步骤同实施例1：
将陶瓷粉末碳酸钙、水溶剂去离子水、有机单体丙烯酰胺、分散剂聚丙烯酸铵和交联剂N，N-二亚甲基二丙烯酰胺按113∶75∶6.5∶1.8∶1.4的质量比混合均匀，放入真空机中去除气泡，并用浓氨水调整使混合物的pH＝9得到浆料，再在浆料中分别加入交联剂质量0.5倍的引发剂过硫酸铵和催化剂N，N，N’N’-四甲基乙二胺形成陶瓷浆料。
实施例5：本实施例中陶瓷浆料是按以下方法制备的，其它步骤同实施例1：
将陶瓷粉末氧化铝、水溶剂去离子水、有机单体己二酸二酰肼、分散剂聚丙烯酸钠和交联剂二亚苄基丙酮基丙烯酰胺按118∶65∶7.5∶1.3∶1.2的质量比混合均匀，放入真空机中去除气泡，并用浓氨水调整使混合物的pH＝9得到浆料，再在浆料中分别加入交联剂质量0.4倍的引发剂过硫酸钾和催化剂N，N，N’N’-四甲基乙二胺形成陶瓷浆料。

Claims (10)

1.基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架的成型方法，其特征在于： 
1)首先根据患者骨缺损部位的具体情况借助于反求工程和CAD技术进行骨缺损部位外形相关性和微结构仿生设计，并利用CAE分析软件对支架的受力以及内部形变与流体力学特性和结构进行修改形成具有连通的内部微结构的仿生支架的CAD模型； 
2)采用分层软件对仿生支架的CAD模型进行分层，分层厚度为0.10mm，根据分层后的结果利用光固化成型机制作支架负形树脂模具； 
3)将陶瓷粉末、水溶剂、有机单体、分散剂和交联剂按110-120∶60-80∶6-8∶1-2∶1-1.5的质量比混合均匀，放入真空机中去除气泡，并用浓氨水调整使混合物的pH＝9得到浆料，再在浆料中分别加入交联剂质量0.2-0.5倍的引发剂和催化剂形成陶瓷浆料； 
4)将陶瓷浆料填充到负形树脂模具中，冷冻干燥后去模、高温烧结得到具有相互连通管路结构的多孔生物陶瓷框架； 
5)将熔融镁合金通过真空吸铸的方法浇铸到制作成的生物陶瓷框架的孔隙结构型腔中，冷却凝固后得到镁合金/生物陶瓷骨支架。 
2.根据权利要求1所述的基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架的成型方法，其特征在于：所述的光固化成型机的激光器的波长为355nm；光斑直径为0.2mm；填充扫描速度为5000mm/s；填充向量间距为0.10mm；支撑扫描速度为2000mm/s；跳跨速度为8000mm/s；轮廓扫描速度为3000mm/s；补偿直径为0.12mm；工作台升降速度为4.00mm/s；点支撑扫描时间为0.50ms；纹结构扫描时间为0.50ms。 
3.根据权利要求1所述的基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架的成型方法，其特征在于：所述的水溶剂为去离子水。 
4.根据权利要求1所述的基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架的成型方法，其特征在于：所述的陶瓷粉末为Beta-磷酸三钙(β-TCP)、 Alpha-磷酸三钙(α-TCP)、磷灰石、碳酸钙或氧化铝。 
5.根据权利要求1所述的基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架的成型方法，其特征在于：所述的有机单体为丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化铵或己二酸二酰肼。 
6.根据权利要求1所述的基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架的成型方法，其特征在于：所述的交联剂为N，N-二亚甲基二丙烯酰胺、N，N-二丙酮基丙烯酰胺或二亚苄基丙酮基丙烯酰胺。 
7.根据权利要求1所述的基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架的成型方法，其特征在于：所述的分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酸铵。 
8.根据权利要求1所述的基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架的成型方法，其特征在于：所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾，催化剂为N，N，N’N’-四甲基乙二胺、N，N-二甲基环己胺或N，N，N’，N″，N″-五甲基二乙烯三胺。 
9.根据权利要求1所述的基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架的成型方法，其特征在于：所述的熔融镁合金是通过真空吸铸的方法浇注到陶瓷支架中的，在浇注过程中利用六氟化硫(SF6)作为保护气体，使浇注环境充满六氟化硫以避免熔融镁液与空气接触。 
10.一种按照权利要求1所述的基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架的成型方法制成的支架，其特征在于：支架的内部微结构由相互连通的管路组成，在管路内填充镁合金，用于增强复合支架的早期力学性能，随着镁合金被腐蚀降解，填充镁合金的管路变为相互连通的孔道，满足组织生长与营养代谢需要。 
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Inventor before: Lian Qin

Inventor before: Jin Zhongmin

Inventor before: Liu Yaxiong

Inventor before: He Jiankang

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