CN102499794B - 孔隙率可控的人工骨支架制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔隙率可控的人工骨支架制备方法。该方法首先根据病患个体特性建立CAD模型，将该模型导入三维打印机，根据离散数值分析颗粒流软件数值计算结果，按一定比例均匀混合生物陶瓷小球和生物可速溶小球；然后通过三维打印机喷洒生物胶黏剂粘结混合球，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，本发明采用了将可速溶小球溶解于生物溶解液来获取孔隙率，避免了制备过程中的烧结以及化学反应给人工骨支架带来的污染。还可以通过控制可速溶小球的数量和半径来获得满足一定力学性能和孔隙率的生物陶瓷人工骨支架。

Description

孔隙率可控的人工骨支架制备方法

所属领域：

本发明涉及一种基于多孔生物陶瓷微球人工骨支架的制备方法。涉及以离散数值仿真、颗粒流数值仿真为计算理论，通过控制可速溶生物小球的数量和半径来获得不同孔隙率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地大段骨缺损，单纯依靠骨器官自修复功能无法愈合，需采用骨移植手术治疗。移植材料主要有自体骨、异体骨和人工替代骨，自体骨组织移植效果很好，无免疫排异反应，但是来源有限且需要二次手术及取骨部位常遗留慢性疼痛等并发症的缺点。异体骨移植不需两次手术，且具有自体骨的组织特点，能提供足量不同形状尺寸的皮质骨或松质骨，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，并有感染病毒的危险。为了克服这些局限，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，要求移植骨不仅具有与人体骨骼相匹配的力学性能，且兼具骨传导和诱导等功能。

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，在保证人工骨的承载功能(弹性模量)满足要求的前提下，人工骨需要制成多孔结构，即满足一定的孔隙率，从而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传输。

由于不同部位的人工骨有其特定的孔隙率，故孔隙率可控的人工骨支架制备方法是对现有骨支架制备的创新和探索。发明专利CN100536802C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。但是该方法仍然存在如下问题：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，同时也不能根据实际需要来精确的控制骨架的孔隙率。

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，同时也不能根据实际情况精确控制其孔隙率，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。

发明内容：

为了克服现有技术人工骨支架不能控制孔隙率，难以满足病人个体差异和不同部位骨骼需求等缺点。本发明提出一种可控孔隙率的生物陶瓷微球支架的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种孔隙率可控的人工骨支架制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、通过理论计算或模拟仿真，在生物陶瓷小球半径选定的条件下，通过改变可速溶生物小球的数量或半径，得到一种符合病人个体骨孔隙率的模型，记下此时的生物陶瓷小球和可速溶生物小球数量比N及生物陶瓷小球直径值D、可速溶生物小球直径d；

步骤2、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3、将步骤2中输出的N份二维截面图形导入三维打印机；将生物胶黏剂装入三维打印机的储液腔，且按照步骤1所得的参数将两种小球混合均匀，其中生物陶瓷微球直径为D，可速溶微球直径为d；

步骤4、i＝1，在成型工作台上均匀的铺上一层混合微球；

步骤5、启动三维打印机，把第i层生物胶黏剂喷洒到第i层混合微球上；然后再均匀铺上一层混合微球，形成第i+1层；

步骤6、判断i值，如果i＜N，则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；然后将支架放入到蒸馏水中，待可速溶微球完全溶解后取出，并用生物溶解液反复浸泡和冲洗，最后对支架进行真空烘干处理。

本发明的有益效果是：

该方法首先根据病患个体特性建立CAD模型，将该模型导入三维打印机，根据离散数值分析颗粒流软件数值计算结果，按一定比例均匀混合生物陶瓷小球和生物可速溶小球；然后通过三维打印机喷洒生物胶黏剂粘结混合球，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，本发明采用了将可速溶小球溶解于生物溶解液来获取孔隙率，避免了制备过程中的烧结以及化学反应给人工骨支架带来的污染。还可以通过控制可速溶小球的数量和半径来获得满足一定力学性能和孔隙率的生物陶瓷人工骨支架。其效果主要体现在以下三个方面：

1)本发明的人工骨支架制备过程无需烧除，而是利用了生物微球可速溶易溶于水的性质来处理，这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，同时还可以精确的控制后处理时间。

2)本发明是建立在以离散颗粒数值计算理论，通过改变混合球中小球数目的百分比和小球半径，从而使人工骨支架的孔隙率实现精确有效可控。

3)本发明采用可速溶材料为制孔小球，可速溶小球成本低廉，且不会给人工骨带来污染，对人体也没有危害性，而且很容易就被人体吸收，此外还避免了制作模具的成本和时间，从而提高了制造的效率和降低了制作成本。

具体实施实例

本实施例中可控制孔隙率生物陶瓷微球人工骨支架的制备方法，具体包括以下步骤：一种可控制孔隙率生物陶瓷微球人工骨支架的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、运用PFC3D颗粒流软件来进行建模及其仿真，取大球直径D为0.6mm，小球的直径d为0.3mm，当人工骨孔隙率为0.59时，大小球数量比N为1∶6。

步骤2、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0.6mm的二维截面图形5份，其中0.6mm的大小为生物陶瓷微球的直径；

步骤3、将步骤2中输出的5份二维截面图形导入三维打印机；将生物胶黏剂装入三维打印机的储液腔，且按步骤1所得的参数将两种小球混合均匀，其中直径为0.6mm的小球为生物陶瓷微球，直径为0.3mm的小球为葡萄糖材料微球；

步骤4、i＝1；在成型工作台上均匀的铺上一层混合微球；

步骤5、启动三维打印机，把第i层生物胶黏剂喷洒到第i层混合微球上；然后再均匀铺上一层混合小球，形成第i+1层；

步骤6、判断i值，如果i＜5，则i＝i+1，进入步骤7；否则，进入下一步；

步骤7、支架制作完毕，取出支架；然后将支架放入到纯水中，待葡萄糖小球完全溶解后将其取出，并用生理盐水对支架进行清洗；最后对支架进行真空烘干和后处理。

本实施实例制作的人工骨支架样本的孔隙率为0.61，非常接近设计的人工骨孔隙率0.59.有效弹性模量为34Mpa。

使用本发明提出的方法，可以验证以下两种情况下人工骨支架孔隙率及有效弹性模量的情况：

1)不同数量比制作出不同孔隙率的人工骨支架，使用以上实例中的二种生物小球，在改变二种小球数量比的条件下制作出多种人工骨支架，其相应的孔隙率和有效弹性模量如表1所示。

表1不同混合比例下制作的人工骨支架的孔隙率和有效弹性模量

2)通过控制可速溶小球半径制作出不同孔隙率的人工骨支架，在二种生物小球数量比及生物陶瓷小球半径不变的条件下，通过改变葡萄糖小球半径制作出多种人工骨支架，其相应的孔隙率和有效弹性模量如表2所示。

表2不同葡萄糖小球半径下制作的人工骨支架的孔隙率和有效弹性模量

Claims (1)

1.一种孔隙率可控的人工骨支架制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过理论计算或模拟仿真，在生物陶瓷小球半径选定的条件下，通过改变可速溶生物小球的数量或半径，得到一种符合病人个体骨孔隙率的模型，记下此时的生物陶瓷小球和可速溶生物小球数量比N及生物陶瓷小球直径值D、可速溶生物小球直径d；

步骤2、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的大小为生物陶瓷小球的直径；

步骤3、将步骤2中输出的N份二维截面图形导入三维打印机；将生物胶黏剂装入三维打印机的储液腔，且按照步骤1所得的参数将两种小球混合均匀，其中生物陶瓷小球直径为D，可速溶小球直径为d；

步骤4、i＝1，在成型工作台上均匀的铺上一层混合小球；

步骤5、启动三维打印机，把第i层生物胶黏剂喷洒到第i层混合小球上；然后再均匀铺上一层混合小球，形成第i+1层；

步骤6、判断i值，如果i＜N,则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；然后将支架放入到蒸馏水中，待可速溶小球完全溶解后取出，并用生物溶解液反复浸泡和冲洗，最后对支架进行真空烘干处理。