CN103520771A - 一种复合生物活性材料微区雕刻(3d)仿生人工骨的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合生物活性材料微区雕刻(3D)仿生人工骨的方法，通过选择骨科硬质生物材料与活性细胞组织生长支架材料，通过仿生学配比，采用电脑三维设计进行3DMAX制作和3D打印的方法实现人工骨材料及结构的仿生，建立人工骨微循环结构及血液灌注的条件，建立成骨干细胞生长环境，即微血管床及生物活性支架。该方法制作的带微血管床及生物活性支架不仅建立了硬质材料(移植骨)与宿主骨的主动应答，解决了当前各种生物材料包括同种异体骨的人工骨材料与宿主骨主动融合问题，而且提高了骨移植的临床适应症范围，并可免除人工关节再置换和可拓宽人工骨及人工关节的应用空间。
Description
技术领域
本发明涉及生物组织工程再生修复医学技术领域，具体地，涉及一种复合生物活性材料微区雕刻(3D)仿生人工骨的方法，第三代修复骨缺损生物硬质材料的方法。
背景技术
一、骨移植产品
传统硬组织(骨骼、牙齿等)修复材料，如：人工骨替代材料、人工关节假体、种植牙等，由于在组成及结构上与人体骨组织存在较大差异，植入体内后的骨组织修复过程基本上是一种被动的“充填”过程，且材料的降解速度与新骨形成速度不匹配，被移植受体宿主骨与移植材料应答出现时间断层，难以达到真正的“生物性融合”，出现移植后不愈合、或松动(不稳定)，严重制约了生物替代材料在骨科临床的推广应用。
移植材料与宿主骨生物相容性不好表现在：骨结合界面可形成纤维层包裹、界面结合强度低、血液供应不足，宿主细胞难以生长，导致应力遮挡、植入体松动并脱落、植入物失效等问题。
二、硬组织材料骨科修复移植术的代表手术：带肌肉血管蒂腓骨移植
临床植骨：由于各种原因造成的骨缺损、坏死等病变，临床通常采用异体骨(各种材料)或自体骨进行移植，修复骨缺损；由于骨骼自身的特性，重建的骨骼部分难以获得血液供应，或严重不足，从而使得骨移植在体积、长度方面受到很大限制，目前一般采用带血管蒂移植，被移植自体骨的微循环无法建立；而异体骨或生物材料替代骨则无法解决血液供应问题，阻碍了骨缺损修复。
近年来对硬质生物材料的生物相容性研究非常多，并取得了突飞猛进的发展。但对于硬质生物材料生物相容性的物理空间、结构设计少有研究。毋庸置疑的硬质生物材料的生物相容性的融合空间不能建立，大大降低了硬质材料的生物相容性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种复合生物活性材料微区雕刻(3D)仿生人工骨的方法。该方法不仅建立了硬质材料(移植骨)与宿主骨的主动应答，解决了当前各种生物材料包括同种异体骨的人工骨材料与宿主骨主动融合问题，而且提高了骨移植的临床适应症范围，并可免除人工关节再置换和可拓宽人工骨及人工关节的应用空间。
本发明的技术方案如下：一种复合生物活性材料微区雕刻(3D)仿生人工骨的方法，包括如下步骤：
一、微区图案制作：采用电脑三维设计进行3DMAX制作
(1)设计毛细血管血管床：在硬质生物材料溶胶-凝胶法生物活性玻璃纳米粉体自成孔之间做管状连通，管径<φ100微米L1mm，管隙率20-30％，形成毛细血管床及其血管床之间的交通连接；
(2)设计活性生物支架：模拟人体骨骼骨小梁三维结构(孔)，忽略生物玻璃自成孔，制作φ300-500微米，孔隙率30％细胞生长支架，与毛细血管床自然连接，形成自体细胞生长生物支架供氧体系；所述人体骨骼骨小梁三维结构(孔)呈不规则边界；
(3)仿生骨小梁之间以100微米孔径规则、不规则联通；
(4)表面开窗：血管床制作到达人工骨边缘，制作三维开口；
(5)外形设计：根据易发生骨外伤的骨骼、部位，设计不同规格、形态的高精仿生人体骨骼；
二、微区雕刻：3D打印毛细血管床及自体细胞生长的生物活性支架
(1)硬质生物材料：取溶胶-凝胶法生物活性玻璃纳米(NBG)粉体；
(2)自体细胞生长生物活性支架材料：取仿细胞膜材料磷酰胆碱类聚合物和甲壳素；
(3)配比：按溶胶-凝胶法生物活性玻璃纳米(NBG)粉体与磷酰胆碱类聚合物和甲壳素质量比8：1：1或7：1.5：1.5混合，得混合物；
(4)配置专用生物活性胶水：取生物胶氰基丙烯酸酯类胶粘剂，添加纳米甲壳素，纳米磷酰胆碱共聚物，配置专用生物活性胶水，氰基丙烯酸酯类胶粘剂：甲壳素：纳米磷酰胆碱共聚物的质量比为8：1：1；
(5)逐层打印
先打印一层步骤(3)所得混合物，打印厚度10微米，均匀喷涂；再在其上打印一层步骤(4)所得生物活性胶水，得到胶水层；
在胶水层做三维结构：1)采用3D打印技术，用步骤(4)所得生物活性胶水在胶水层上画出电脑三维设计的3DMAX制作结构；2)采用3D打印技术，在步骤(4)所得生物活性胶水画出结构上涂一层步骤(3)所得混合物；3)循环1)和2)操作动作至达到设计要求；
(6)粉尘吹除(吸除)：完成三维结构后，吹除或吸除未浸胶水的步骤(3)所得混合物的粉末，即得毛细血管床和自体细胞生长的生物活性支架。
步骤(6)粉尘吹除(吸除)通过如下装置进行：(1)对3D打印机加密封罩；2)设置小气泵，并将小气泵通过管路连接3D打印机材料喷涂部位；3)打印完成三维结构后启动气泵将未粘附粉末吹出操作面。
在胶水层做三维结构的方法，将模拟人体硬质骨内质结构骨小梁3D电脑绘画图形，在胶水喷涂层用胶水画出，在粉末喷涂层粉末与胶水粘附，胶水喷涂出不同的点、线，粉末随之覆盖，即可完成预定的图形雕刻一一即微区雕刻微图形。
涂胶后吹除或吸除未浸胶水粉末，避免产品成型后粉末脱落阻塞或填塞功能孔，同时防止纳米级粉尘污染环境。
采用本发明所述3D打印带微血管床及生物活性支架的方法具有以下优点：
(1)通过选择骨科硬质生物材料与活性细胞组织生长支架材料，通过仿生学配比，采用电脑三维设计进行3DMAX制作和3D打印的方法实现人工骨材料及结构的仿生。
(2)采用该方法制造人工关节或其他移植骨，可使其与宿主骨(自体骨)融为一体，强度好，可以避免人工关节再置换，重建移植骨生物活性细胞组织生长环境，降低了脊柱融合失败、假关节发生率，变被动充填未主动应答(融合)。
(3)建立移植骨的血液供应系统。
(4)采用3D打印将细胞组织生长环境移植到硬质生物材料上——生物活性支架。
(5)生物相容性建立在硬质材料化学键及膜性材料的生物支架相结合，使移植骨材料具备了化学与分子生物学多层生物相容性。
(6)移植材料与宿主骨组织通过化学键形成组织结合，骨组织修复以“爬行替代”通过骨传导作用(Qstecondution)实现与宿主骨组织的融合。建立了移植材料与宿主组织(自体骨及周围组织)主动应答，即建立了移植材料与宿主骨多维融合的环境，可使移植材料与宿主组织稳定融合，并随之生长代谢，融为一体，稳定不松动。
附图说明
图1为逐层打印所得产品结构示意图及其局部放大图。
图2为毛细血管床结构示意图，其中1为3D打印交通孔，2为硬质生物材料自成孔。
具体实施方式
一、设计理念
仿生骨骼：通过硬质生物材料与活性细胞组织生长支架材料仿生配比，采用现代加工技术，制作完全模拟人体骨骼的化学、分子生物学、力学及解剖学骨骼临床产品。
梯度材料构建技术：材料优势相加，目前市场上应用的硬质生物材料各具其生物相容化学、分子生物学及结构学优势，而很难一应俱全。采用材料优势相加，使材料自身具有更多化学、分子生物学及结构学优势。
微区图案及微细雕刻：对硬质材料进行仿生模拟结构设计，通过微雕实现结构学生物活性。
实现为具有优良生物相容性的硬质材料建立生物相容性的物理空间，在不改变硬质材料的力学强度基础上，从结构上为生物相容性建立空间，即血液循环的建立，细胞组织生长空间，以及组织细胞生长环境的血液灌注、交换是本发明的重点。
二、具体方案
所述复合生物活性材料微区雕刻(3D)仿生人工骨的方法的工艺流程图如图1所示。
1.材料选择
(1)硬质生物材料：
溶胶-凝胶法生物活性玻璃纳米(Sol-gel derived bioactive glasses，SGBG NBG)粉体；
羟基磷酸钙(Ca5(PO4)3(OH))，化学组分为：60％SiO，36％CaO，4％P2O5(mol％)；所用原料：去离子水；盐酸(HC1)(分析纯)；正硅酸乙酯(Si(OC2H5)4)(分析纯)；磷酸氢二氨((NH4)2HPO4)(化学纯)；四水硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)(分析纯)；无水乙醇(分析纯)；聚乙二醇(PEG.10000)(分析纯)，孔径分布在几纳米到几十纳米。
或粉状羟基磷灰石(HAP)、磷酸三钙(TCP)。
(2)生物活性支架材料：
甲壳素；
磷酰胆碱共聚物；
1)制备磷酰胆碱共聚物所用原料如下：
甲基丙烯酸丁酯(BMA)，化学纯，上海凌峰化学试剂有限公司，减压蒸馏提纯：
甲基丙烯酸异辛酯(EHMA)，化学纯，常州驰源化工有限公司，经减压蒸馏提纯；
偶氮二异丁J]～(AIBN)，分析纯，上海菲达工贸有限公司，经无水乙醇3次重结晶提纯；牛血清白蛋白BsA，生化试剂，Roche，直接使用；
25戊二醛水溶液，生化试剂，上海凌峰化学试剂有限公司，直接使用；
无水乙醇、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠及抗凝剂柠檬酸钠均为分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司，直接使用。
2)磷酰胆碱共聚物制备方法见《磷酰胆碱共聚物的合成及膜的生物相容性》李琳，辛忠，王俊华(华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，上海200237)。
3)粘合剂：
氰基丙烯酸酯类胶粘剂，其特性为单组分、液态、无溶剂型胶粘剂。
2、微区图案技术：采用电脑三维设计进行3DMAX制作
(1)设计毛细血管血管床，设计要点：在硬质材料自成孔之间做管状连通，管径<φ100微米L1mm，可容纳毛细血管血窦生长；管隙率10-20％；
(2)生物活性支架设计：模拟人体骨骼骨小梁三维结构(孔)，忽略生物玻璃自成孔，制作φ300-500微米，孔隙率30％细胞生长支架，与毛细血管床自然连接，形成自体细胞生长生物支架供氧体和细胞生长支架系；所述人体骨骼骨小梁三维结构(孔)呈不规则边界；如图2所示；
(3)仿生骨小梁之间以100微米孔径规则、不规则联通；
(4)表面开窗：血管床制作自然到达人工骨边缘，制作三维开口，移植后可使受体自体血液早期进入移植骨；
(5)外形设计：根据易发生骨外伤的骨骼、部位，设计不同规格、形态的高精仿的人体骨骼。
3、3D打印功能结构技术——微区雕刻
(1)硬质生物材料：取溶胶-凝胶法生物活性玻璃纳米(NBG)粉体；
(2)支架材料：取仿细胞膜材磷酰胆碱类聚合物和甲壳素；
(3)配比：按溶胶-凝胶法生物活性玻璃纳米(NBG)粉体与磷酰胆碱类聚合物和甲壳素质量比8：1：1或7：1.5：1.5混合，得混合物；
(4)配置专用生物活性胶水：取氰基丙烯酸酯类胶粘剂的特性，添加纳米甲壳素，纳米磷酰胆碱共聚物，配置专用生物活性胶水，替代3D打印机胶水，打印时不改变胶水出口口径及速度，保持微量、均匀；
(5)逐层打印
先打印一层步骤(3)所得混合物，打印厚度10微米，均匀喷涂；再在其上打印一层步骤(4)所得生物活性胶水，得到胶水层；
在胶水层做三维结构：1)采用3D打印技术，用步骤(4)所得生物活性胶水在胶水层上画出电脑三维设计的3DMAX制作结构；2)采用3D打印技术，在步骤(4)所得生物活性胶水画出结构上涂一层步骤(3)所得混合物；3)循环1)和2)操作动作至达到设计要求；如图1所示。
(6)粉尘吹除(吸除)：完成三维结构后，吹除或吸除未浸胶水的步骤(3)所得混合物的粉末，即得毛细血管床和自体细胞生长的生物活性支架。涂胶后吹除或吸除未浸胶水粉末，避免产品成型后粉末脱落阻塞或填塞功能孔，同时防止纳米级粉尘污染环境。
步骤(6)粉尘吹除(吸除)通过如下装置进行：(1)对3D打印机加密封罩；2)设置小气泵，并将小气泵通过管路连接3D打印机材料喷涂部位；3)打印完成三维结构后启动气泵将未粘附粉末吹出操作面。
总结：本发明通过上述流程一次性解决了人工骨材料化学、分子生物学及结构功能学、结构力学的诸多问题，建立了硬质人工骨材料实现自由配比，结构随功能而变化的一体化构建技术的全新模式，实现移植骨轻松仿生。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，可以派生系列产品。只是做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (3)
1.一种复合生物活性材料微区雕刻(3D)仿生人工骨的方法，其特征在于，包括如下步骤：
一、微区图案制作：采用电脑三维设计进行3DMAX制作
(1)设计毛细血管床：在硬质生物材料溶胶-凝胶法生物活性玻璃纳米粉体自成孔之间做管状连通，管径<φ100微米L1mm，管隙率10-20％，形成毛细血管床及其血管床之间的交通连接；
(2)设计活性生物支架：模拟人体骨骼骨小梁三维结构(孔)，制作φ300-500微米，孔隙率30％细胞生长支架，与毛细血管床自然连接，形成自体细胞生长生物支架供氧体系；所述人体骨骼骨小梁三维结构(孔)呈不规则边界；
(3)仿生骨小梁之间以100微米孔径规则、不规则联通；
(4)表面开窗：血管床制作自然到达人工骨边缘，制作三维开口；
(5)外形设计：根据易发生骨外伤的骨骼部位，设计不同规格、形态的高精仿生人体骨骼；
二、微区雕刻：3D打印毛细血管床及自体细胞生长的生物活性支架
(1)硬质生物材料：取溶胶-凝胶法生物活性玻璃纳米(NBG)粉体；
(2)自体细胞生长生物活性支架材料：取仿细胞膜材料磷酰胆碱类聚合物和甲壳素；
(3)配比：按溶胶-凝胶法生物活性玻璃纳米(NBG)粉体与磷酰胆碱类聚合物和甲壳素质量比8：1：1或7：1.5：1.5混合，得混合物；
(4)配置专用生物活性胶水：取生物胶氰基丙烯酸酯类胶粘剂，添加纳米甲壳素，纳米磷酰胆碱共聚物，配置专用生物活性胶水，氰基丙烯酸酯类胶粘剂：甲壳素：纳米磷酰胆碱共聚物的质量比为8：1：1；
(5)逐层打印
先打印一层步骤(3)所得混合物，打印厚度10微米，均匀喷涂；再在其上打印一层步骤(4)所得生物活性胶水，得到胶水层；
在胶水层做三维结构：1)采用3D打印技术，用步骤(4)所得生物活性胶水在胶水层上画出电脑三维设计的3DMAX制作结构；2)采用3D打印技术，在步骤(4)所得生物活性胶水画出结构上涂一层步骤(3)所得混合物；3)循环1)和2)操作动作至达到设计要求；
(6)粉尘吹除(吸除)：完成三维结构后，吹除或吸除未浸胶水的步骤(3)所得混合物的粉末，即得毛细血管床和自体细胞生长的生物活性支架。
2.如权利要求1所述的一种复合生物活性材料微区雕刻(3D)仿生人工骨的方法，其特征在于，步骤(6)粉尘吹除(吸除)通过如下装置进行：(1)对3D打印机加密封罩；2)设置小气泵，并将小气泵通过管路连接3D打印机材料喷涂部位；3)打印完成三维结构后启动气泵将未粘附粉末吹出操作面。
3.如权利要求1所述的一种复合生物活性材料微区雕刻(3D)仿生人工骨的方法，其特征在于，在胶水层做三维结构的方法，将模拟人体硬质骨内质结构骨小梁3D电脑绘画图形，在胶水喷涂层用胶水画出，在粉末喷涂层粉末与胶水粘附，胶水喷涂出不同的点、线，粉末随之覆盖，即可完成预定的图形雕刻——即微区雕刻微图形。
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