CN102697584B - 一种孔隙连通性可控的人工骨支架的制备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多孔生物陶瓷微球人工骨支架的制备方法。该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降解小球；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。该方法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直径，能够方便而高效的根据需要来得到理想模型，对材料性能进行了预测，使人工骨支架的孔隙连通性实现有效可控，避免了不必要的浪费。同时利用生物可降解材料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。

Description

一种孔隙连通性可控的人工骨支架的制备

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，通过控制可消失小球的数量和直径来获得具有一定孔隙连通性的活性生物陶瓷微球人工骨支架。

背景技术：

作为骨组织体外培养的重要载体，人工骨支架为种子细胞的黏附和增殖提供生存空间，为细胞获取营养和新陈代谢提供通道，在成骨阶段为组织提供必要的力学支撑。因此，支架的微观孔结构、力学性能、生物活性及降解速度都对骨组织的构建产生重要的影响。特别是支架的微观孔结构对种子细胞的成骨阶段起着决定性作用。支架的微观孔结构主要指孔径大小、孔隙率、孔间连通性、孔分布的均匀性、连通孔道的扭曲度和支架的比表面积。支架具有较高的孔隙率和比表面积，利于种子细胞黏附生长，细胞外基质沉积，营养和氧气进入，代谢产物排出，也有利于血管和神经长入。限制骨组织顺利长入孔洞内的“瓶颈”不是孔径大小，而是孔间连通的程度和孔间通道的大小。

连通性是支架内部微观孔相互贯通情况的描述量。骨组织工程要求支架孔隙间必须相互连通，并具有一定的孔道断面尺寸。良好的孔道连通性有利于骨组织和血管组织的长入，便于营养物质的输送和细胞代谢产物的排泄，保证骨组织的传导作用。在骨支架的微观孔结构模型中，如果某一椭球体不与任何椭球体或边界相交，则在支架内部形成不通孔，该孔不具有任何仿生功能。如果某一椭球体只与另一椭球体或边界相交，则在支架内部形成单通孔。如果某一椭球体与两个以上的椭球体或边界相交，则在支架内部形成多通孔。单通孔对骨组织的传导作用很小，而且组织液在内部产生湍流，不利于营养物质的输送和代谢产物的排泄。多通孔对骨组织的传导作用较大，有利于营养物质的输送和代谢产物的排泄。因此，在保证人工骨的承载功能满足要求的前提下，人工骨需要制成多孔结构，具有一定的连通性，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。

连通性这一要求，在目前的骨支架制造中还没有得到有效的控制。故连通性可控的人工骨支架的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观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：

该方法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，增加了生物陶瓷颗粒被污染的几率，同时不能根据实际需要来精确控制骨架的孔隙连通性，管道系统需要设计，这无疑加大了工作任务。

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,很难保证骨支架的连通性，同时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很好的满足连通性要求，从而保证营养物质的输送和细胞代谢产物的排泄等缺点,本发明提出了一种连通性可控的生物陶瓷微球支架的制备方法。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降解小球；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，本发明采用了将可降解小球溶解于生物溶解液来获取孔隙率，达到一定的连通性要求，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。还可以通过控制可降解小球的数量和直径来获得满足具有一定孔隙连通性的生物陶瓷人工骨支架。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种连通性可控的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、通过理论计算或模拟仿真，生成数量比为a、直径分别为D和d的小球，其中直径为D的小球表示生物陶瓷小球，直径为d的小球表示可降解小球,D>d；

步骤2、将数量比为a、直径分别为D和d的小球均匀混合，并在基于离散单元法理论的模拟重力作用下进入虚拟容器，最终达到稳定；

步骤3、将步骤2所得模型中的直径为D的小球删除，留下直径为d的小球，根据剩下小球到任意其他小球的球心距S与小球直径d之间的关系，判断小球之间是否连通，如果S≤d，则认为小球之间互相连通，否则认为小球之间不连通，从而得到模型的连通性；

步骤4、通过改变两种小球的直径D和d或两种小球的数量比a，并重复步骤1-3，得到一种符合要求的特定连通性的模型，记下此时两种小球的直径D和d，以及两种小球的数量比a；

步骤5、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D；

步骤6、将步骤5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，按照步骤4算出的数量比a将直径为D的生物陶瓷小球和直径为d的可降解小球混合均匀，得到混合小球；

步骤7、i＝1，在成型工作台上均匀的铺上一层混合小球；

步骤8、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9、判断i值；如果i＜N-1,则：i＝i+1，重复步骤8；否则：进入步骤10；

步骤10、支架制作完毕，取出支架；然后将支架放入到蒸馏水中，待直径为d的可降解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，得到满足步骤4中特定连通性的生物陶瓷微球人工骨支架。

本发明的有益效果是：

1）本发明的人工骨支架制备过程无需烧除，而是利用了生物可降解材料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直径，从而使人工骨支架的孔隙连通性实现有效可控。

3）本发明采用可降解材料为制孔小球，可降解小球成本低廉，且不会给人工骨带来污染，对生物体也没有危害性，而且很容易就被生物体吸收，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。

4）本发明是一种以软件为平台的模拟仿真方法，能够方便而高效的根据需要来得到理想模型，对材料性能进行了预测，避免了不必要的浪费，为骨支架的制造提供了指导。

具体实施实例

本实施例中种连通性可控的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，生成两种不同直径的小球，其中大球表示生物陶瓷小球，直径为D＝0.6mm；小球表示可降解小球，直径为d＝0.3mm；本实施例中生物陶瓷小球为羟基磷灰石微球，可降解小球葡萄糖材料微球；

步骤2、将两种不同直径的小球实现均匀混合，并在重力作用下进入虚拟容器，最终达到稳定；

步骤3、将步骤2所得模型中的大球删除，留下小球，然后根据小球到任意颗粒的球心距S与小球直径d之间的关系，判断小球之间是否连通，如果S≤d，则认为微球之间互相连通，从而得到模型的连通性；

步骤4、通过改变小球的数量重复上述步骤，当模型连通性为0.78时，大小球数量比为1：6；

步骤5、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为生物陶瓷小球的直径D；

步骤6、将步骤5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，本实施例中生物胶黏剂为α-氰基丙烯酸正丁酯；按照数量比为1：6将直径为0.6mm的羟基磷灰石微球和直径为0.3mm的葡萄糖材料微球混合均匀，得到混合小球；

步骤7、i＝1；在成型工作台上均匀的铺上一层混合微球；

步骤8、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9、判断i值；如果i＜4,则：i＝i+1，进入步骤8；否则：进入步骤10；

步骤10、支架制作完毕，取出支架；然后将支架放入到纯水中，待葡萄糖材料微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，得到连通性为0.78的生物陶瓷微球人工骨支架。

经测试，本实施实例制作的羟基磷灰石微球人工骨支架样本有效弹性模量为34Mpa。

使用本发明提出的方法,可以验证以下两种情况人工骨支架孔隙连通性及有效弹性模量的情况：

1）通过不同羟基磷灰石微球和葡萄糖材料微球直径数量比a制作出不同孔隙率的人工骨支架，使用以上实例中的两种小球，即直径为0.6mm的羟基磷灰石微球和直径为0.3mm的葡萄糖材料微球，在改变两种小球数量比的条件下制作出多种羟基磷灰石微球人工骨支架，其相应的孔隙率和有效弹性模量如表1所示。

2）通过控制葡萄糖材料微球直径d制作出不同孔隙率的人工骨支架，在两种小球数量比a及羟基磷灰石微球直径D不变的条件下，即a=1:6,D=0.6mm，通过改变葡萄糖材料微球直径d制作出多种羟基磷灰石微球人工骨支架，其相应的连通性和有效弹性模量如表2所示。

表1不同混合比例下制作的人工骨支架的孔隙连通性和有效弹性模量

表2不同葡萄糖小球直径下制作的人工骨支架的孔隙连通性和有效弹性模量

Claims (1)

1.一种连通性可控的生物陶瓷微球人工骨支架的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、通过理论计算或模拟仿真，生成数量比为a、直径分别为D和d的小球，其中直径为D的小球表示生物陶瓷小球，直径为d的小球表示可降解小球,D>d；

步骤2、将数量比为a、直径分别为D和d的小球均匀混合，并在基于离散单元法理论的模拟重力作用下进入虚拟容器，最终达到稳定；

步骤3、将步骤2所得模型中的直径为D的小球删除，留下直径为d的小球，根据剩下小球到任意其他小球的球心距S与小球直径d之间的关系，判断小球之间是否连通，如果S≤d，则认为小球之间互相连通，否则认为小球之间不连通，从而得到模型的连通性；

步骤4、通过改变两种小球的直径D和d或两种小球的数量比a，并重复步骤1-3，得到一种符合要求的特定连通性的模型，记下此时两种小球的直径D和d，以及两种小球的数量比a；

步骤5、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D；

步骤6、将步骤5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，按照步骤4算出的数量比a将直径为D的生物陶瓷小球和直径为d的可降解小球混合均匀，得到混合小球；

步骤7、i＝1，在成型工作台上均匀的铺上一层混合小球；

步骤8、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9、判断i值；如果i＜N-1,则：i＝i+1，重复步骤8；否则：进入步骤10；

步骤10、支架制作完毕，取出支架；然后将支架放入到蒸馏水中，待直径为d的可降解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，得到满足步骤4中特定连通性的生物陶瓷微球人工骨支架。