CN104645419B - 一种具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒的制备方法 - Google Patents
一种具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒的制备方法，该支撑棒制备原料为低弹性模量钛合金粉末，粒径45μm以下，由选区激光熔化快速成型技术(Selective Laser Melting，SLM)或电子束熔融(Electron Beam Melting,EBM)技术打印；支撑棒体部具有和人类股骨头颈部松质骨骨小梁结构相似的小梁结构，尽可能实现和人类股骨头颈部弹性模量相仿，可有效减少棒体松动现象发生；同时，支撑棒小梁表面构建有聚乳酸‑羟基乙酸共聚物[poly(lactic‑co‑glycolic acid)，PLGA]纳米微球、骨形态发生蛋白‑2(bone morphogenetic protein‑2,BMP‑2)和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)复合体，实现生长因子缓释效应，有利于骨组织长入。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种用于治疗人类早期股骨头坏死，降低早期股骨头坏死塌陷风险的具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒的制备方法。
背景技术
股骨头坏死好发于20-50岁的中青年人，如不及时治疗，常进展为股骨头坏死塌陷，不得不行全髋关节置换术。目前，临床上应用的髋关节假体使用寿命一般为15-20年，中青年人行全髋关节置换术后常面临假体翻修的问题。因此，如何积极有效治疗早期股骨头坏死，延缓或者避免患者行全髋关节置换术是目前临床上面临的一个难题。
常见早期股骨头坏死的治疗方法包括髓芯减压、髓芯减压联合骨瓣移植治疗、钽棒支撑治疗和截骨术。髓芯减压术由于去除了股骨头内坏死骨质，软骨下骨缺乏有效的力学支撑，坏死股骨头仍然存在一定的塌陷风险。因此，多数学者倾向于髓芯减压后移植物支撑治疗，带血管蒂的骨移植物可为软骨下骨提供有效的力学支撑，且移植物易存活，但此方法术式复杂、术后制动时间较长。截骨术术式复杂、术后患髋存活率低，并发症高，且增加塌陷后行全髋关节置换术的难度。
钽支撑棒是美国Zimmer公司生产的具有规则多孔结构的等模量植入物。其由纯钽制成连通的多孔结构，孔隙率为75％-80％，平均孔径430μm，弹性模量3GPa。其2年有效率为81.7％，4年有效率为68.1％。棒体松动患者股骨头组织病理学研究发现，平均骨长入程度只有1.9％，分散的骨长入仅限于棒体周边，深度小于2mm。此外，部分文献报道，采取钽支撑棒治疗后患者大转子基底部骨折的风险增加。
钛合金是生物惰性材料，具有良好的生物相容性，越来越广泛地应用于骨科及齿科领域。同时，新兴的3D打印技术可实现复杂多孔状结构钛合金植入体的轻松制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种骨长入良好、长期随访有效率高、骨折风险低的骨科植入物，为髓芯减压后股骨头软骨下骨提供有效的力学支撑的具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒的制备方法。
为达到上述目的，本发明的制备方法如下：
1)首先，构建具有人类股骨头内部松质骨结构的仿生骨小梁结构的仿生支撑棒三维模型；
2)其次，选用粒径小于45μm的Ti6Al4V或Ti2448球形粉末，采取选区激光熔化快速成型或电子束熔融技术打印出与仿生支撑棒三维模型一致的支撑棒；
3)打印完成后，使用酸性溶液侵蚀棒体，以去除游离钛合金粉末、增加支撑棒仿生骨小梁表面粗糙度；
4)将支撑棒置于聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子的悬浊液中复合纳米载药微球得到具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒。
所述的仿生支撑棒三维模型由体部和尾部组成，体部为圆柱状的仿生多孔小梁结构，直径10mm，长度为80±25mm，体部末梢设计成半球状，尾部为圆柱状，直径12mm，长度为20mm，外部设计成螺纹状，纹距2mm、螺纹高1mm，尾部末梢有内六方锁定孔。
所述的打印完成后先将支撑棒依次按照丙酮、酒精、蒸馏水的顺序依次超声清洗10分钟后干燥，钴60辐射灭菌。
所述的酸性溶液为硝酸、氢氟酸和水按1:4:5的摩尔比混合的混合液。
将贻贝粘附蛋白溶于质量浓度为5％乙酸中，配制浓度为5μg/μL的贻贝粘附蛋白溶液，再将酸性溶液侵蚀后的支撑棒浸入贻贝粘附蛋白溶液中负压处理10分钟，再侵泡30分钟，挥发去除乙酸，灭菌去离子水清洗，室温放置干燥。
所述的聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子纳米载药微球由纳米沉积法制成，直径100纳米和70纳米微球制备方法如下：
1)将100mg聚乳酸-羟基乙酸共聚物、180μg骨形态发生蛋白-2和15μg血管内皮生长因子溶于5mL丙酮中，置于超声水浴箱30分钟；2)使用自动注射器以20mL/h的速度将上述溶液注入200mL质量浓度为1％的聚乙烯醇溶液中，注入过程中，500转/分搅拌制成100纳米微球，20000转/分匀化制备70纳米微球；3)合成的纳米微球以20000×g离心力离心30分钟，蒸馏水冲洗3遍，冻干得纳米载药微球。
所述的聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子纳米载药微球由纳米沉积法制成：
1)直径200纳米微球的制备如下：
将100mg聚乳酸-羟基乙酸共聚物、180μg骨形态发生蛋白-2和15μg血管内皮生长因子溶于6mL二氯甲烷中；将上述溶液加入18mL质量浓度为3％的PVA溶液，冰浴箱内超声探头乳化1分钟，条件设定为100W；乳化液倒入40mL质量浓度为1％的PVA溶液中通风橱内搅拌24小时，蒸馏水冲洗微球3遍，冻干得200纳米载药微球；
2)直径400纳米微球的制备如下：
将100mg聚乳酸-羟基乙酸共聚物、180μg骨形态发生蛋白-2和15μg血管内皮生长因子溶于6mL二氯甲烷中；将上述溶液加入18mL质量浓度为3％的PVA溶液，在冰浴箱内30000转/分钟摇匀5分钟；乳化液倒入40mL质量浓度为1％的PVA溶液通风橱内搅拌24小时，蒸馏水冲洗微球3遍，冻干得400纳米载药微球；
3)直径600纳米微球的制备如下：
将100mg聚乳酸-羟基乙酸共聚物、180μg骨形态发生蛋白-2和15μg血管内皮生长因子溶于20mL二氯甲烷中，将上述溶液加入60mL质量浓度为1％的PVA，冰浴箱内30000转/分摇匀5分钟，乳化液倒入40mL质量浓度为1％的PVA溶液通风橱内搅拌24小时，蒸馏水冲洗微球3遍，冻干得600纳米载药微球.
所述的棒体复合聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子的纳米载药微球，是将聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子纳米载药微球溶于水中配制成1mg/mL、2mg/mL或5mg/mL的悬浊液，将支撑棒浸入悬浊液，室温放置轻度旋转摇晃24小时，蒸馏水冲洗3次，室温干燥、钴60照射灭菌得到具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒。
本发明采取3D打印技术制备具有仿生结构的多孔钛合金股骨头支撑棒，支撑棒体部具有和人类股骨头颈部松质骨骨小梁结构相仿的小梁结构，尽可能实现和人类股骨头颈部弹性模量相仿，可有效减少棒体松动现象发生；同时，支撑棒小梁表面构建有聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]纳米微球、骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)和血管内皮生长因子(vascular endothelialgrowth factor,VEGF)复合体，实现生长因子缓释效应，有利于骨组织长入。
附图说明
图1为本发明的正视图
图2为图1的剖视图
图3为图1尾部的斜视图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的制备方法如下：
1)首先，构建具有人类股骨头内部松质骨结构的仿生骨小梁结构的仿生支撑棒三维模型；
2)其次，选用粒径小于45μm的Ti6Al4V或Ti2448球形粉末，采取选区激光熔化快速成型(Selective Laser Melting，SLM)或电子束熔融(Electron Beam Melting,EBM)技术打印出与仿生支撑棒三维模型一致的支撑棒；
3)打印完成后，将支撑棒依次按照丙酮、酒精、蒸馏水的顺序各自超声清洗10分钟后干燥，钴60辐射灭菌，将硝酸、氢氟酸和水按1:4:5的摩尔比混合得到酸性混合液，将支撑棒置于酸性混合液中侵蚀棒体，以去除游离钛合金粉末、增加支撑棒仿生骨小梁表面粗糙度；
将贻贝粘附蛋白溶于质量浓度为5％乙酸中，配制浓度为5μg/μL的贻贝粘附蛋白溶液，再将酸性溶液侵蚀后的支撑棒浸入贻贝粘附蛋白溶液中负压处理10分钟，再侵泡30分钟，挥发去除乙酸，灭菌去离子水清洗，室温放置干燥；
4)将支撑棒置于聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]、骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的悬浊液中复合纳米载药微球得到具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒。
所述钛合金支撑棒由体部1和尾部2组成。体部1设计为圆柱状，设计为仿生多孔小梁结构(图1和图2)，直径10mm，长度为80±25mm，以5mm为递变单位，制成不同长度规格的支撑棒，已适用于不同身高人群。体部末梢设计成半球状，以利于棒体和软骨下骨紧密接触，为软骨下骨提供有效的力学支撑。尾部2亦为圆柱状，直径12mm，长度为20mm，外部设计成螺纹状，纹距2mm、螺纹高1mm，尾部末梢设计有内六方锁定孔(图3)，便于支撑棒置入。尾部直径12mm可减小股骨大转子基底部骨缺损的直径，从而减小术后患者大转子基底部骨折风险。
所述的聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子纳米载药微球由纳米沉积法制成，直径100纳米和70纳米微球制备方法如下：
1)将100mg聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]、180μg骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)和15μg血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)溶于5mL丙酮，置于超声水浴箱30分钟；2)使用自动注射器(KDS 200)以20mL/h的速度将上述溶液注入200mL1％聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)溶液；3)注入过程中，500转/分搅拌制成100纳米微球，20000转/分高速匀化制备70纳米微球；4)残余溶剂通风橱内搅拌挥发24小时；5)合成的纳米微球以20000×g离心力离心30分，蒸馏水冲洗3遍，冻干。得纳米载药微球。
所述的聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子纳米载药微球由纳米沉积法制成，直径200纳米以上微球的制备如下：
1)将上述PLGA/BMP-2、VEGF溶于6mL二氯甲烷；2)将溶液加入18mL3％PVA溶液，冰浴箱内超声探头乳化(KFS-300N，超声仪，韩国)1分钟，条件设定为100W；3)乳化液倒入40mL1％PVA溶液通风橱内搅拌24小时。400纳米微球制备方法和上述方法相似，不同的是乳化时在冰浴箱内30000转/分摇匀5分钟。制备600纳米微球时，将PLGA/BMP-2、VEGF溶于20mL二氯甲烷，后混入60mL1％PVA，冰浴箱内30000转/分摇匀5分钟。上述残余的有机溶剂通风橱内搅拌挥发，较小直径微球离心去除。蒸馏水冲洗微球3遍，冻干得纳米载药微球。
所述的棒体复合聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子的纳米载药微球，是将聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子纳米载药微球溶于水中配制成1mg/mL、2mg/mL或5mg/mL的悬浊液，将支撑棒浸入悬浊液，室温放置轻度旋转摇晃24小时，蒸馏水冲洗3次，室温干燥、钴60照射灭菌得到具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒。
所述仿生结构支撑棒模型设计流程为：1)取正常成年国人股骨头，行显微CT(美国GE公司Locus SP显微CT、德国YXLON微米X射线三维成像系统等)扫描，获取DICOM原始数据，存盘；2)将数据导入MIMICS14.0或14.0以上版本软件(比利时Materialise公司)；3)利用MIMICS自带的CAD模块设计支撑棒体体部(规格见后述)，并转化为面数据(Mask)，和导入的股骨头原始数据行布尔相交运算，获取具有仿生小梁结构的支撑棒模型体部面数据；4)对面数据小梁进行削薄(Erode)处理后行三维重建，然后行平滑处理(Smooth)，获得仿生支撑棒体部三维模型；5)将设计好的STL格式支撑棒尾部(详见后述)导入MIMICS软件，和体部体数据行布尔运算获得完整股骨头支撑棒模型三维数据。
所述3D打印技术为选区激光熔化快速成型(Selective Laser Melting，SLM)或电子束熔融(Electron Beam Melting,EBM)技术，原材料为Ti2448(Ti-24Nb-4Zr-8Sn)或者Ti-6Al-4V球形粉末，粉末粒径为45μm以下。打印后行超声清洗，去除孔隙内游离粉末。由于激光束光斑为50μm、电子束光斑为100μm，打印好的成品孔径可能略小于模型孔径，部分较小的孔可能被游离的钛合金粉末填充。因此，采取酸液(硝酸和氢氟酸按照特定比例混合)侵蚀的方法，去除较小的孔隙内填充的粉末，进一步减薄小梁厚度，并增加小梁表面粗糙度，以利于细胞粘附。
Claims (6)
1.一种具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒的制备方法，其特征在于：
1)首先，构建具有人类股骨头内部松质骨结构的仿生骨小梁结构的仿生支撑棒三维模型；
2)其次，选用粒径小于45μm的Ti6Al4V或Ti2448球形粉末，采取选区激光熔化快速成型或电子束熔融技术打印出与仿生支撑棒三维模型一致的支撑棒仿生骨小梁结构；
3)打印完成后，使用酸性溶液侵蚀棒体，以去除游离Ti6Al4V或Ti2448球形粉末、增加支撑棒仿生骨小梁结构的表面粗糙度；
所述的酸性溶液为硝酸、氢氟酸和水按1：4：5的摩尔比混合的混合液；
4)将支撑棒仿生骨小梁结构置于聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子纳米载药微球的悬浊液中室温放置轻度旋转摇晃24小时，蒸馏水冲洗3次，室温干燥、钴60照射灭菌复合纳米载药微球得到具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒；
所述的聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子纳米载药微球的悬浊液，是将聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子纳米载药微球溶于水中配制成1mg/mL、2mg/mL或5mg/mL的悬浊液。
2.根据权利要求1所述的具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒的制备方法，其特征在于：所述的仿生支撑棒三维模型由体部和尾部组成，体部为圆柱状的仿生多孔小梁结构，直径10mm，长度为80±25mm，体部末梢设计成半球状，尾部为圆柱状，直径12mm，长度为20mm，外部设计成螺纹状，纹距2mm、螺纹高1mm，尾部末梢有内六方锁定孔。
3.根据权利要求1所述的具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒的制备方法，其特征在于：所述的打印完成后先将支撑棒依次按照丙酮、酒精、蒸馏水的顺序依次超声清洗10分钟后干燥，钴60辐射灭菌。
4.根据权利要求1所述的具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒的制备方法，其特征在于：将贻贝粘附蛋白溶于质量浓度为5％乙酸中，配制浓度为5μg/μL的贻贝粘附蛋白溶液，再将酸性溶液侵蚀后的支撑棒浸入贻贝粘附蛋白溶液中负压处理10分钟，再浸泡30分钟，挥发去除乙酸，灭菌去离子水清洗，室温放置干燥。
5.根据权利要求1所述的具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒的制备方法，其特征在于：所述的聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子纳米载药微球由纳米沉积法制成，直径100纳米和70纳米微球制备方法如下：
1)将100mg聚乳酸-羟基乙酸共聚物、180μg骨形态发生蛋白-2和15μg血管内皮生长因子溶于5mL丙酮中，置于超声水浴箱30分钟；2)使用自动注射器以20mL/h的速度将上述溶液注入200mL质量浓度为1％的聚乙烯醇溶液中，注入过程中，500转/分搅拌制成100纳米微球，20000转/分匀化制备70纳米微球；4)合成的纳米微球以20000×g离心力离心30分钟，蒸馏水冲洗3遍，冻干得纳米载药微球。
6.根据权利要求1所述的具有仿生骨小梁结构的多孔钛合金股骨头支撑棒的制备方法，其特征在于：所述的聚乳酸-羟基乙酸共聚物、骨形态发生蛋白-2和血管内皮生长因子纳米载药微球由纳米沉积法制成：
1)直径200纳米微球的制备如下：
将100mg聚乳酸-羟基乙酸共聚物、180μg骨形态发生蛋白-2和15μg血管内皮生长因子溶于6mL二氯甲烷中；将上述溶液加入18mL质量浓度为3％的PVA溶液，冰浴箱内超声探头乳化1分钟，条件设定为100W；乳化液倒入40mL质量浓度为1％的PVA溶液中通风橱内搅拌24小时，蒸馏水冲洗微球3遍，冻干得200纳米载药微球；
2)直径400纳米微球的制备如下：
将100mg聚乳酸-羟基乙酸共聚物、180μg骨形态发生蛋白-2和15μg血管内皮生长因子溶于6mL二氯甲烷中；将上述溶液加入18mL质量浓度为3％的PVA溶液，在冰浴箱内30000转/分钟摇匀5分钟；乳化液倒入40mL质量浓度为1％的PVA溶液通风橱内搅拌24小时，蒸馏水冲洗微球3遍，冻干得400纳米载药微球；
3)直径600纳米微球的制备如下：
将100mg聚乳酸-羟基乙酸共聚物、180μg骨形态发生蛋白-2和15μg血管内皮生长因子溶于20mL二氯甲烷中，将上述溶液加入60mL质量浓度为1％的PVA，冰浴箱内30000转/分摇匀5分钟，乳化液倒入40mL质量浓度为1％的PVA溶液通风橱内搅拌24小时，蒸馏水冲洗微球3遍，冻干得600纳米载药微球。
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| CN104645419A (zh) | 2015-05-27 |
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