CN104069542A

CN104069542A - 髌骨组织工程支架及其制造材料和制备方法

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Publication number: CN104069542A
Application number: CN201310098217.6A
Authority: CN
Inventors: 尚鹏; 白雪岭; 张黎楠; 叶新; 黄旭; 侯增涛; 许兆斌
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: CN104069542B

Abstract

一种髌骨组织工程支架，所述支架由镁、铝、锌和锆形成，其中，镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4；所述支架的外形与人体髌骨一致，所述支架由相互交织的小梁排列而成，小梁之间形成相互贯通的多个孔洞，孔洞的孔径为0.1～0.8毫米，孔洞的孔隙率为30～80％。上述支架，其外形与人体髌骨一致，能与人体髌股关节面或人工膝关节髌股关节面之间进行良好匹配，可减少髌骨组织工程支架的磨损，从而减少磨屑的产生，且上述支架采用上述材料制造，因而上述支架可在人体内降解，降解后产生镁离子等对人体有益的金属离子，因此，上述支架不会产生对人体造成危害的磨屑。此外，还提供一种用于制造上述支架的材料以及上述支架的制备方法。

Description

髌骨组织工程支架及其制造材料和制备方法

【技术领域】

本发明涉及生物医学组织工程技术领域，特别涉及一种用于制造髌骨组织工程支架的材料、髌骨组织工程支架及其制备方法。

【背景技术】

髌骨软化症，是髌骨的关节软骨因损伤而引起的退行性变，包括髌骨软骨面的肿胀、碎裂、脱落和腐蚀等。髌骨软化症的有效治疗手段是进行髌骨置换手术。现有髌骨转换术中，一般采用髌骨外壳假体进行髌骨表面置换。

髌骨外壳假体的材料一般采用为聚乙烯等不可降解材料，常见的髌骨外壳假体有解剖型与圆顶帽型。解剖型髌骨外壳假体与股骨假体间的接触应力较低，但与髌骨剪切应力较高。而圆顶帽型髌骨外壳假体的形状的适应性较强、安装方便，但与正常髌骨的形状并不一致。

由于解剖型髌骨外壳假体与股骨假体间的接触应力较低、与髌骨剪切应力较高，而圆顶帽型髌骨外壳假体与正常髌骨的形状并不一致，安装在人体内的髌骨外壳假体容易被磨损。而髌骨外壳假体采用的制作材料为聚乙烯等不可降解材料，磨损过程中形成的磨屑可能引起滑膜炎和金属沉着病，对人体造成危害。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种能够避免产生对人体造成危害的磨屑的用于制造髌骨组织工程支架的材料、髌骨组织工程支架以及髌骨组织工程支架的制备方法。

一种用于制造髌骨组织工程支架的材料，所述材料由镁、铝、锌和锆形成，其中，镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4。

一种髌骨组织工程支架，所述髌骨组织工程支架由镁、铝、锌和锆形成，其中，镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4；

所述髌骨组织工程支架的外形与人体髌骨一致，所述髌骨组织工程支架由相互交织的小梁排列而成，小梁之间形成相互贯通的多个孔洞，孔洞的孔径为0.1～0.8毫米，孔洞的孔隙率为30～80％。

在其中一个实施例中，所述小梁呈规则排列，所述小梁形成的孔洞呈均匀分布，且各孔洞的大小一致。

在其中一个实施例中，所述髌骨组织工程支架内部结构与人体松质骨内部结构一致。

一种髌骨组织工程支架的制备方法，包括如下步骤：

将镁、铝、锌和锆的雾化球形金属粉末与发泡剂或造孔剂进行均匀混合，形成镁合金混合物，避免混合过程中金属粉末的氧化；

所述金属粉末直径为45～150微米，所述发泡剂或造孔剂的粒径大小为：0.1～0.8毫米；镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4；所述发泡剂或造孔剂在所述镁合金混合物中所占的质量百分比为30～80％；

将所述镁合金混合物进行干燥处理；

将干燥处理后的镁合金混合粉末用压实模具压制成具有髌骨外形的预烧制件。

将预烧制件置入烧结模具，将置入了预烧制件的烧结模具放入内部充满惰性气体或内部为真空的烧结炉中，将预烧制件在400～650℃范围内烧结30分钟至6小时；

所述压实模具和烧结模具的内腔面与人体髌骨外轮廓相契合。

在其中一个实施例中，所述发泡剂选自MgH2和TiH2中的一种或两种；

所述造孔剂选自硫酸镁和石膏铸型中的一种或两种。

在其中一个实施例中，在所述镁合金混合物中加入液相介质，或在隋性气体环境下或在真空中进行混合操作，以避免混合过程中金属粉末的氧化；

所述液相介质选自乙醇、丙醇中的一种。

在其中一个实施例中，所述烧结模具由钼制造。

一种髌骨组织工程支架的制备方法，包括如下步骤：

将镁、铝、锌和锆的雾化球形金属粉末进行均匀混合，形成镁合金混合物，所述金属粉末直径为45～150微米；镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4；避免混合过程中金属粉末的氧化；

将所述镁合金混合物进行干燥处理；

获取人体髌骨的三维模型数据，所述三维模型数据所描述的物体的外形与人体髌骨一致，该物体内部结构由相互交织的小梁排列而成，小梁之间形成相互贯通的多个孔洞，孔洞的孔径为0.1～0.8毫米，孔洞的孔隙率为30～80％；

将所述三维模型数据导入快速成型机中，通过快速成型机根据所述三维模型数据在真空环境下的电子束熔炼系统中控制高能电子束，使高能电子束轰击所述镁合金混合物粉末，实现髌骨组织工程支架一层一层的生长，直至整个髌骨组织工程支架生成；所述真空环境的真空度＜1×10-4mbar；高能电子束的轰击速度为0～8000m/s，高能电子束点数量为1～100，高能电子束点尺寸为0.2～1.0mm连续可变。

在其中一个实施例中，所述获取人体髌骨的三维模型数据的步骤为：

扫描人体髌骨获得髌骨外形数据，根据髌骨外形数据构建髌骨外轮廓三维模型；

通过三维模型构建软件构建所述髌骨外轮廓三维模型的内部多孔结构，从而生成具有多孔结构和髌骨外形的髌骨三维模型，其中，构建的内部多孔结构由相互交织的小梁排列而成，小梁之间形成相互贯通的多个孔洞，孔洞的孔径为0.1～0.8毫米，孔洞的孔隙率为30～80％。

扫描人体股骨的松质骨多孔结构获得松质骨多孔结构数据，根据松质骨多孔结构数据构建多孔结构三维模型；

将所述多孔结构三维模型与髌骨外轮廓三维模型进行布尔运算的交集操作，生成具有多孔结构和髌骨外形的髌骨三维模型。

所述液相介质选自乙醇、丙醇中的一种。

上述用于制造髌骨组织工程支架的材料由镁、铝、锌和锆形成，镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4。上述材料85～95％的质量成份为镁，使得材料具有以下特性：1)生物安全性：镁是人体内仅次于钙、钠和钾的常量元素；2)可降解特性：镁具有很低的标准电极电位，在体内环境中易生成镁离子，被周围机体组织吸收或通过体液排除体外；3)力学相容性：镁的密度1.74g/cm3，具有与人骨相近密度，同时具有与人骨相匹配的弹性模量(13-45GPa)；4)促成骨特性：镁是一种能激活多种酶的重要元素，参与一系列新陈代谢过程，包括骨细胞的形成，加速骨愈合能力等。

上述材料0～6％的质量成份为铝，能有效细化上述镁合金(即上述镁、铝、锌和锆的合金)晶粒，提高镁合金的抗拉强度、延展性及硬度。

上述材料0～4％的质量成份为锆，能有效可以细化镁合金晶粒，提高力学性能和高温强度。

上述材料0～4％的质量成份为锌，锌为人体免疫系统必须元素，其为骨骼和软骨特定酶的辅助因子。上述材料中0～4％的质量成份为锌可增加镁合金的生物相容性，还能降低上述材料在体内的降解速度。

综上所述，上述用于制造髌骨组织工程支架的材料不但可避免产生对人体造成危害的磨屑，而且还具有很好的生物安全性、力学相容性、促成骨特征以及可降解特性，且其在体内的降解速度不会过快，上述材料还具有较强的抗拉强度、延展性及硬度，较高的力学性能和高温强度，以及较高的生物相容性。

上述髌骨组织工程支架以及上述髌骨组织工程支架的制备方法制备的髌骨组织工程支架，其外形与人体髌骨一致，能与人体髌股关节面或人工膝关节髌股关节面之间进行良好匹配，可减少髌骨组织工程支架的磨损，从而减少磨屑的产生，且髌骨组织工程支架采用上述用于制造髌骨组织工程支架的材料制造，因而上述髌骨组织工程支架可在人体内降解，降解后产生镁离子等对人体有益的金属离子，因此，上述髌骨组织工程支架不会产生对人体造成危害的磨屑。

而且，上述镁合金材料具有良好的生物相容性和机械力学性能，因此，上述髌骨组织工程支架能很好地承担人体髌骨在膝关节活动中所起的作用。

另外，上述髌骨组织工程支架由相互交织的小梁排列而成，小梁之间形成相互贯通的多个孔洞。其内部的多孔结构，接近天然松质骨组织的结构，便于减轻髌骨组织工程支架的重量，降低髌骨组织工程支架的弹性模量以便缓解对身体的冲击。

同时，上述髌骨组织工程支架内部的多孔结构有利于诱导骨组织在多孔结构内部沿孔洞自然生长再生，随着骨组织的生长再生髌骨组织工程支架也逐渐腐蚀降解，且其降解速度不会过快，与人体骨组织的生长速度匹配，多孔结构内部生长再生的骨组织逐渐替代降解的髌骨组织工程支架，保持髌骨组织工程支架的整体机械力学性能，髌骨组织工程支架完全降解后，整个髌骨组织工程支架由生长再生的骨组织替代，最终实现髌骨再生。

【附图说明】

图1为具有规则多孔结构的髌骨组织工程支架的示意图；

图2为具有松质骨内部结构的髌骨组织工程支架的部分剖面图；

图3一实施方式的髌骨组织工程支架的制备方法流程示意图；

图4另一实施方式的髌骨组织工程支架的制备方法流程示意图；

图5一实施方式中图4的步骤S403的流程示意图；

图6为另一实施方式中图4的步骤S403的流程示意图；

图7为附有支撑柱的髌骨组织工程支架的示意图。

【具体实施方式】

以下通过具体实施方式和附图对上述用于制造髌骨组织工程支架的材料、髌骨组织工程支架及其制备方法进一步阐述。

一种用于制造髌骨组织工程支架的材料，该材料由镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)和锆(Zr)形成，其中，镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4。

一种髌骨组织工程支架，由镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)和锆(Zr)形成，其中，镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4。

上述髌骨组织工程支架的外形与人体髌骨一致，髌骨组织工程支架由相互交织的小梁排列而成，小梁之间形成相互贯通的多个孔洞，孔洞的孔径为0.1～0.8毫米，孔洞的孔隙率为30～80％。

在一个实施例中，组成上述髌骨组织工程支架的小梁呈规则排列，小梁形成的孔洞呈均匀分布，且各孔洞的大小一致。图1为具有这种规则多孔结构的髌骨组织工程支架的示意图。

在另一个实施例中，上述髌骨组织工程支架内部结构呈海绵状，与人体松质骨内部结构一致。图2为具有松质骨内部结构的髌骨组织工程支架的部分剖面图。

如图3所示，一实施方式的髌骨组织工程支架的制备方法，包括如下步骤：

步骤S301，将镁、铝、锌和锆的雾化球形金属粉末与发泡剂或造孔剂进行均匀混合，形成镁合金混合物，避免混合过程中金属粉末的氧化。

其中：金属粉末直径为45～150微米，上述发泡剂或造孔剂的粒径大小为：0.1～0.8毫米；镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4；发泡剂或造孔剂在上述镁合金混合物中所占的质量百分比为30～80％。

发泡剂选自MgH2和TiH2中的一种或两种；

造孔剂选自硫酸镁和石膏铸型中的一种或两种。

在镁合金混合物中加入液相介质，以避免混合过程中金属粉末的氧化；或在隋性气体环境下或在真空中进行混合操作，以避免混合过程中金属粉末的氧化。

上述液相介质选自乙醇、丙醇中的一种。

步骤S302，将镁合金混合物进行干燥处理。

步骤S303，将干燥处理后的镁合金混合粉末用压实模具压制成具有髌骨外形的预烧制件。

采用的压实模具的内腔面与人体髌骨外轮廓相契合。

步骤S304，将预烧制件置入烧结模具，将置入了预烧制件的烧结模具放入内部充满惰性气体或内部为真空的烧结炉中，将预烧制件在400～650℃范围内烧结30分钟至6小时。

采用的烧结模具的内腔面与人体髌骨外轮廓相契合。烧结模具由钼制造。成型烧结模具由钼制造，钼金属模具具有熔点高、热膨胀系数小、导热强、高温强度好、模具寿命长等优点。

如图4所示，一实施方式的髌骨组织工程支架的制备方法，包括如下步骤：

步骤S401，将镁、铝、锌和锆的雾化球形金属粉末进行均匀混合，形成镁合金混合物，避免混合过程中金属粉末的氧化。

其中：金属粉末直径为45～150微米；镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4。

上述液相介质选自乙醇、丙醇中的一种。

步骤S402，将镁合金混合物进行干燥处理。

步骤S403，获取人体髌骨的三维模型数据。

获取的三维模型数据所描述的物体的外形与人体髌骨一致，该物体内部结构由相互交织的小梁排列而成，小梁之间形成相互贯通的多个孔洞，孔洞的孔径为0.1～0.8毫米，孔洞的孔隙率为30～80％。

如图5所示，在一个实施方式中，步骤S403的具体过程包括以下步骤：

步骤S501，扫描人体髌骨获得髌骨外形数据，根据髌骨外形数据构建髌骨外轮廓三维模型。

可利用CT扫描人体膝关节，将膝关节的CT数据在Mimics软件中进行三维重建，获得髌骨外轮廓三维模型。

步骤S502，通过三维模型构建软件构建髌骨外轮廓三维模型的内部多孔结构，从而生成具有多孔结构和髌骨外形的髌骨三维模型。其中，构建的内部多孔结构由相互交织的小梁排列而成，小梁之间形成相互贯通的多个孔洞，孔洞的孔径为0.1～0.8毫米，孔洞的孔隙率为30～80％。

可采用Within Medical软件构建髌骨外轮廓三维模型的内部多孔结构。

如图6所示，在一个实施方式中，步骤S403的具体过程包括以下步骤：

步骤S601，扫描人体股骨的松质骨多孔结构获得松质骨多孔结构数据，根据松质骨多孔结构数据构建多孔结构三维模型。

可利用micro CT扫描人体股骨中松质骨多孔结构，将松质骨的CT数据在Mimics软件中进行三维重建，获得多孔结构三维模型。

步骤S602，扫描人体髌骨获得髌骨外形数据，根据髌骨外形数据构建髌骨外轮廓三维模型。

步骤S603，将所述多孔结构三维模型与髌骨外轮廓三维模型进行布尔运算的交集操作，生成具有多孔结构和髌骨外形的髌骨三维模型。

可将上述多孔结构三维模型与髌骨外轮廓三维模型在Mimics软件中进行布尔操作，用以生成具有类松质骨多孔结构和髌骨外形的髌骨三维模型。上述布尔操作即将多孔结构三维模型和髌骨外轮廓三维模型相交的部分保留下来，删除不相交的部分。

步骤S404，将三维模型数据导入快速成型机中，通过快速成型机根据三维模型数据在真空环境下的电子束熔炼系统中控制高能电子束，使高能电子束轰击镁合金混合物粉末，实现髌骨组织工程支架一层一层的生长，直至整个髌骨组织工程支架生成。

真空环境的真空度＜1×10-4mbar；高能电子束的轰击速度为0～8000m/s，高能电子束点数量为1～100，高能电子束点尺寸为0.2～1.0mm连续可变。

髌骨组织工程支架的生长过程中，在髌骨组织工程支架中添加支撑柱，用于支撑未彻底凝固的髌骨组织工程支架，以避免髌骨组织工程支架的结构变形。支撑柱可在步骤S404之前事先制作，其采用的材料与本发明中制作髌骨组织工程支架的材料一致。

图7为附有支撑柱的髌骨组织工程支架的示意图。待髌骨组织工程支架彻底凝固之后，可以将支撑柱通过机械加工去除。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种用于制造髌骨组织工程支架的材料，所述材料由镁、铝、锌和锆形成，其中，镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4。

2.一种髌骨组织工程支架，其特征在于，所述髌骨组织工程支架由镁、铝、锌和锆形成，其中，镁、铝、锌和锆的质量比为：85～95∶0～6∶0～4∶0～4；

3.根据权利要求2所述的髌骨组织工程支架，其特征在于，所述小梁呈规则排列，所述小梁形成的孔洞呈均匀分布，且各孔洞的大小一致。

4.根据权利要求2所述的髌骨组织工程支架，其特征在于，所述髌骨组织工程支架内部结构与人体松质骨内部结构一致。

5.一种髌骨组织工程支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述镁合金混合物进行干燥处理；

6.根据权利要求5所述的髌骨组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述发泡剂选自MgH2和TiH2中的一种或两种；

所述造孔剂选自硫酸镁和石膏铸型中的一种或两种。

7.根据权利要求5所述的髌骨组织工程支架的制备方法，其特征在于，在所述镁合金混合物中加入液相介质，或在隋性气体环境下或在真空中进行混合操作，以避免混合过程中金属粉末的氧化；

所述液相介质选自乙醇、丙醇中的一种。

8.根据权利要求5所述的髌骨组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述烧结模具由钼制造。

9.一种髌骨组织工程支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述镁合金混合物进行干燥处理；

10.根据权利要求9所述的髌骨组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述获取人体髌骨的三维模型数据的步骤为：

11.根据权利要求9所述的髌骨组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述获取人体髌骨的三维模型数据的步骤为：

12.根据权利要求9所述的髌骨组织工程支架的制备方法，其特征在于，在所述镁合金混合物中加入液相介质，或在隋性气体环境下或在真空中进行混合操作，以避免混合过程中金属粉末的氧化；

所述液相介质选自乙醇、丙醇中的一种。