CN103171153A - 气动挤出沉积成型多孔生物骨支架工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气动挤出沉积成型多孔生物骨支架工艺方法，其基础原理是气动挤出沉积成型方法与多孔生物骨支架工艺技术的结合，主要工艺方法是以煅烧羊椎骨粉与13%-18%的聚乙烯醇（PVA）做成型材料，羟基磷灰石与4%-7%的海藻酸钠做支撑材料，合理的选择喷头的直径、工作台运动速度、挤出时需要的气动压力、步进运动控制速度参数以及优化路径算法，成型出了最适宜骨组织细胞生长的孔隙率并使人工成型的骨支架达到了一定的力学性能和良好的内部连通结构，该方法改变了传统的骨组织制备工艺过程，克服了传统工艺难以制造形状复杂、尺寸精密的骨组织的不足，实现了骨组织的快速精密成型。
Description
技术领域
本发明涉及气动挤出沉积成型多孔生物骨支架工艺方法，采用了自行研制的骨支架成型机，利用了自行配制的成型材料和支撑材料，在最适宜骨组织细胞生长的孔隙率下合理的选择了气动挤出式喷头的直径、结合优化路径算法，使人工成型的骨支架达到了一定的力学性能和良好的内部连通结构，属于机械制造技术领域。
背景技术
生物骨的制造方法众多，从不同的制作工艺上看，传统的工艺方法主要有成孔剂析孔法、发泡成孔法、热致相分离、纤维编织技术、挤出成型和压印成型。随着材料科学的迅速发展，又出现了溶解消铸型法、微粒过滤法、现场聚合法等。而快速成型法又以它自由生成形状的优点成为新近崛起的一种更有望用于制造定制化生物骨的制造方法。
目前在研究以快速成型方式成型人工生物骨支架的成型材料有合成高分子材料（聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚原酸酯(POE)、聚己内酯(PCL)等）它们具有价格便宜，质量的重现性好，利于大规模生产，但其亲水性差，细胞吸附力较弱，易引起无菌性炎症，强度不足，聚合物中残留的有机溶剂对细胞会产生有毒作用。天然高分子材料（胶原、天然骨、明胶及珊瑚骨等）他们具有无毒、亲水性、较好的细胞亲和性和良好的可降解能力，但其力学性能和加工性能较差。
因此，选择一种合适的人工生物骨支架成型材料和恰当制造方法并建立其最优工艺参数是很有必要的。
发明内容
为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明选择了适当的成型方法，合理的成型材料，优化了工艺参数，使人工生物骨支架在保持了一定的力学性能的同时又具有良好的微结构、孔隙和尺寸等特征。满足了人体骨组织修复的要求。
作为优选方案，在成型方法选择上，快速成型法能满足可制造个性化生物骨的要求。
作为优选方案，在成型材料的选择上，羊椎骨粉属于天然高分子材料，具有取材广泛、无毒、亲水性、较好的细胞亲和性和良好的可降解能力。
作为优选方案，在成型材料的粘结剂上，采用13%-18%的聚乙烯醇（PVA）溶液，当其与煅烧羊椎骨粉混合后可将成型骨组织力学性能达到最大，且没有生物毒性。
作为优选方案，对支撑材料与粘结剂的选择要求是：具有无毒性，易于与成型材料分离，与成型材料具有相同的收缩率，不会是原型件变形。经多方研究实验，选用羟基磷灰石与4%-7%的海藻酸钠溶剂混合能达到上述支撑材料提出的要求，使用效果良好。
本发明具体技术方案包括下列步骤：
1)根据实际要求，构造人工生物骨支架三维数据模型，并将数据模型转化为STL格式文件；
2)用自行开发的快速成型机上位机软件进行分层处理，选择最优喷头运动路径算法，并将处理数据导入制造过程中；
3）成型材料选择30-60um之间的羊椎骨粉为溶质、13%-18%的PVA为溶剂，按其重量比为1:1.1，充分搅拌使他们混合均匀；
4）支撑材料选择12um的羟基磷灰石为溶质、4%-7%的海藻酸钠为溶剂，按其重量比为1:1，充分搅拌使他们混合均匀；
5）将配制好的成型材料与支撑材料分别加入快速成型机的成型喷头与支撑喷头中，将两个喷头接入了精密气动助力步进挤出装置，然后向了精密气动助力步进挤出装置中通入0.68Mpa的压缩空气，调整工作台的运动速度为6mm/s；双喷头的喷停由了精密气动助力步进挤出装置控制，双喷头的运动轨迹和了精密气动助力步进挤出装置由上位机软件控制，根据步骤2）的分层数据与最优路径算法走出每层轨迹，同时两种沉积材料选择性的在压缩空气的助力与步进电机精确的作用下从喷嘴喷出形成每层的实体，逐层堆积，直至形成完整的生物骨支架；
6）将成型好的生物骨支架放在低温环境下干燥24小时；
7）将得到的生物骨支架放入0.9%的生理盐水中充分浸泡1小时后清理支撑材料，然后取出在自然干燥环境下干燥24小时，即可获得完整的人工生物骨支架。
本发明方法改变了传统的生物骨支架的制备工艺过程，可以制造出任何结构外形复杂、具有良好的内部微结构、孔隙、尺寸等特征和力学性能。满足了人工骨组织修复的要求，大大提高了个性化骨组织制定的研制速度。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
其中人机交互界面a，STL分层算法b，快速成型制造d，沉积成型出的多孔生物骨支架f。
具体实施方式
本发明的气动挤出沉积成型多孔生物骨支架工艺方法，用自制成型材料和支撑材料，通过气动挤出沉积成型机制得人工多孔生物骨支架。
参见图1，本发明的工艺步骤包括：
1.3D模型设计步骤，根据实际要求，用UG软件构造制造件的三维数据模型，并将模型储存为STL格式文件；
2. 用自行开发的快速成型机上位机软件进行分层处理，选择最优喷头运动路径算法，并将处理数据导入制造过程中；上述步骤均是本领域的成熟技术；
3.将羊椎骨周围的皮质全部切除，先在30%双氧水中浸泡，再在三氯甲烷和甲醇1比1的溶液中浸泡交替数次，一次浸泡12小时，然后在煅烧炉内煅烧；
4.将煅烧好的羊椎骨放入超高速粉碎机中粉碎数次，将粉碎好的羊椎骨粉末透过250目的筛网（0.063um）后取出3.3g放入容器内；
5.将PVA加入蒸馏水中，在水浴锅98℃恒温下加热4小时使PVA充分溶解后取1g加入已放入羊椎骨粉的容器内，用搅拌器搅拌5min使其混合均匀制成成型材料；
6.将海藻酸钠加入蒸馏水中，用搅拌器搅拌30min使其成为均匀的溶剂，然后取1g溶剂加入1g12um羟基磷灰石粉末的容器中用搅拌器搅拌5min使其混合均匀制成支撑材料；
7.将成型材料与支撑材料分别加入成型喷头与支撑喷头中，喷头直径选取为0.26mm，精密气动助力步进挤出装置输入压缩空气的压力为0.68Mpa,三维 工作台的运动速度为6mm/s；双喷头的喷停由精密气动挤出装置控制，双喷头的运动轨迹和精密气动挤出装置由上位机软件控制，根据分层数据与最优路径算法走出每层轨迹，同时两种沉积材料选择性的在压缩空气的作用下从喷嘴喷出形成每层的实体，逐层堆积，直至形成完整的生物骨支架；
8. 将得到的生物骨支架放入低温环境下干燥24个小时然后放入0.9%的生理盐水中充分浸泡1小时后清理支撑材料，然后取出在自然环境下干燥24小时，即可获得最适宜骨组织细胞生长的孔隙率并使其达到了一定的力学性能和良好的内部连通结构的人工生物骨支架。
Claims (6)
1.气动挤出沉积成型多孔生物骨支架工艺方法，该工艺方法包括下述步骤：
在STL数据的直接驱动下采用气动沉积成型法，制作多孔生物骨支架；
2）选择了煅烧羊椎骨粉与13%-18%的聚乙烯醇（PVA）按质量比1:1.1充分搅拌混合后做成型材料；
3）选择了羟基磷灰石与4%-7%的海藻酸钠按质量比1:1充分搅拌混合后做支撑材料；
4）选择了0.26mm的喷头直径，三维成型工作台的运动速度为6mm/s,精密气动挤出装置输入压缩空气的压力为0.68Mpa；
5）将得到的生物骨支架放入0.9%的生理盐水中充分浸泡1小时后清理支撑材料，然后取出在低温干燥与常温自然干燥不同环境下获得了不同的微观孔隙结构的骨组织。
2.根据权利要求1所述的气动挤出沉积成型多孔生物骨支架工艺方法，其特征在于，选择了天然高分子的煅烧羊椎骨与聚乙烯醇（PVA）做成型材料，具有良好的生物相容性及力学性能。
3.根据权利要求1所述的气动挤出沉积成型多孔生物骨支架工艺方法，其特征在于，选择了与成型材料具有相同收缩率、无生物毒性、且易溶于水的羟基磷灰石与海藻酸钠做支撑材料。
4.根据权利要求1所述的气动挤出沉积成型多孔生物骨支架工艺方法，其特征在于，在喷头直径、成型速度、气动压力之间建立了最优比例。
5.根据权利要求1所述的气动挤出沉积成型多孔生物骨支架工艺方法，其特征在于，去除支撑材料时是在生理盐水的环境下进行的，既防止了暴力去除支撑材料时对原型件的破坏，又保证了生物骨组织的无菌环境。
6.根据权利要求1所述的气动挤出沉积成型多孔生物骨支架工艺方法，其特征在于，挤出动力控制部分采用了精密气动助力步进挤出装置，解决了步进电机在低速下难以实现大扭矩输出的问题,保障了的动力的平稳与均匀，提供了最短0.01s的响应时间与最小0.01ml的高精度挤出量。
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