CN104826171A - 一种多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

一种多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，将生物高分子材料和生物陶瓷材料混合后与去离子水或有机溶剂混合成均匀浆料，再进行冷冻干燥，获得均质粉体，再与去离子水或有机溶剂混合搅拌，真空排气后，通过螺杆泵定量挤出，采用XYZ运动装置，按照从CT扫描获取的骨缺损三维几何模型，通过计算机程序设计该几何模型内部的孔隙形状、尺寸和孔隙率，挤出材料的运动轨迹，完成增材制造。采用可降解生物复合材料，骨缺损部位最终被人体自体组织替换，满足人体终身生长要求。直接用螺杆泵定量挤出所需生物材料，用量精准可控，并显著降低人工骨的临床应用成本。该方法具有打印材料用量精准、材料适用范围广、孔隙结构精确可调，以及宏观几何外形可自由成型等优点。

Description

一种多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法

技术领域

本发明涉及一种增材制造方法，具体涉及一种生物医学骨组织工程领域的多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法。

背景技术

健康生存是人类发展的第一要务，当前，硬组织骨骼移植物的极度短缺导致大量病人致残甚至死亡。因此，迫切需要发展具有在材料成分、显微结构和几何外形上具有仿生特征的可降解人造骨骼支架，这已成为大段骨替换的黄金定律。人工骨是指用人工材料制造的人骨替代品或者骨折固定材料，人工骨是传统骨损伤修复材料的替代品，它具有良好的机械强度和生理活性，能极大地减轻患者痛苦，具有非常重要的社会效益和经济价值。目前，获得临床应用的人工骨替换或修复材料主要包括：金属（包括医用钛合金和不锈钢等），高分子聚合物（包括聚乳酸、聚乙烯、尼龙和胶原等），陶瓷（包括羟基磷灰石、氧化铝、氧化锆和氮化硅等），以及它们的复合材料。理想的骨组织工程材料应具有生物相容性、可降解性和多孔性等特点，以利于细胞粘附、生长、增殖和分化，并形成功能性组织。为此，人们提出了很多制造人工骨支架的方法。

专利CN102796909A提出了一种采用三维打印成型制备多孔钽医用植入材料的方法，首先将金属钽粉和硬脂酸成型剂混合，然后利用三维铺粉打印技术制造几何模型，最后通过高温烧结形成多孔人工骨支架。这种方法能够在宏观外形和多孔结构方面满足人工骨的需求，但是其原材料不具有可降解性，不能适用于处于生长期的儿童和青少年的骨缺损修复。如果选用可降解的生物陶瓷和胶原材料进行打印，则需要预先制备大量粉体，这对于材料的消毒和保存不利。

专利CN1613514A公开了一种三维多孔组织工程支架材料及其制备方法，其原料成分为壳聚糖、明胶、GPSM和硝酸钙，通过冷冻干燥技术实现孔隙制造。该方法不需要高温烧除粘结剂，保证了材料的生物活性。但是这种制备方法获得的孔隙往往受热传导温度梯度的限制，不能定量控制孔隙率和孔隙分布，也不能制造出骨骼的宏观外形结构。

专利CN102274544A公开了一种多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制备方法，利用铺层打印技术实现人工骨的宏观几何外形和多孔结构。该方法的优势是不需要高温消除生物粘结剂。但是，通过微球堆积形成的多孔结构的孔隙尺寸和孔隙率都很难定量控制，处于封闭几何结构中的微球也很难通过微球之间的孔隙取出，对打印剩余的微球进行二次消毒和保存也存在困难。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，采用精确配制的复合材料浆料，通过螺杆泵定量挤出方式，在计算机控制下进行逐层打印成型，具有打印材料用量精准、材料适用范围广、孔隙结构精确可调，以及宏观几何外形可自由成型等特点。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，包括以下步骤：

1）以可降解的生物高分子材料和生物陶瓷材料为人工骨基质材料，将质量比为10~50%的生物高分子材料与50~90%的生物陶瓷材料混合；

2）将步骤1的混合物与去离子水或有机溶剂混合成均匀浆料，去离子水或有机溶剂的质量为步骤1混合物质量的3~10倍；

3）将步骤2获得的浆料进行冷冻干燥，获得均质粉体；

4）将步骤3获得的粉体与去离子水或有机溶剂混合搅拌为粘度20~50万厘泊的流质浆料，并真空排气；

5）螺杆泵外部设有连续供料器，通过高压气体将流质浆料持续输入到螺杆泵中，将步骤4所得的流质浆料通过螺杆泵定量挤出；

6）采用XYZ运动装置，按照从CT扫描获取的骨缺损三维几何模型，通过计算机程序设计该几何模型内部的孔隙形状、尺寸和孔隙率，控制所述步骤5中挤出材料的运动轨迹，完成增材制造。

所述的生物高分子材料可采用胶原或壳聚糖或纤维蛋白或明胶或透明质酸或海藻酸盐或聚乳酸或聚已内酯或聚乳酸甘醇酸中任意一种或任意几种的混合物。

所述的生物陶瓷材料可采用羟基磷灰石或钙磷陶瓷或生物活性玻璃陶瓷中任意一种或任意几种的混合物。

所述的骨基质材料中可在质量比为10~50%的生物高分子材料与50~90%的生物陶瓷材料混合中添加1~10%骨形成蛋白。

本发明具有以下有益效果：

人工骨基质材料采用可降解生物复合材料，骨缺损部位最终被人体自体组织替换，满足人体终身生长要求，直接用螺杆泵定量挤出所需生物材料，用量精准可控，并显著降低人工骨的临床应用成本，采用增材制造方法，无需模具实现人工骨支架的宏观几何外形，实现按需定制，其孔隙结构的形状、尺寸和孔隙率也可定量定点控制，最终实现从材料成分、孔隙结构和几何外形上具有多尺度仿生特征的可降解人工骨支架。该方法具有打印材料用量精准、材料适用范围广、孔隙结构精确可调，以及宏观几何外形可自由成型等优点。

附图说明

图1为本发明多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法流程图。

图2为实施例1中纳米羟基磷灰石的X射线衍射图。

图3为实施例1中纳米羟基磷灰石的透射电子显微镜照片。

图4为仿生人工骨的宏观结构和孔隙结构照片。

具体实施方式     

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

人体骨骼的无机材料和有机质材料主要分别为羟基磷灰石和胶原，实现该类可降解复合材料的增材制造能够为骨组织修复奠定技术基础。

1）以质量百分比30%的胶原和质量百分比70%的纳米羟基磷灰石为人工骨基质材料，与6倍的去离子水混合均匀，并冷冻干燥获得均质粉体；

2）将步骤1获得的粉体与5倍的去离子水混合，获得粘度为32万厘泊的浆料，并真空排气；

3）通过螺杆泵定量挤出方式将步骤2所得的流质浆料挤出；

4）采用XYZ运动装置，按照从CT扫描获取的骨缺损三维几何模型，通过计算机程序设计该几何模型内部的孔隙结构参数：正方形孔隙，孔边长0.8mm、孔隙率70%，控制所述步骤3中挤出材料的运动轨迹，完成增材制造过程。

实施例2

在骨基质材料中添加骨形成蛋白（Bone Morphogenetic Protein，BMP），能够更好地促进骨骼修复。

1）以质量百分比8%的BMP，质量百分比32%的胶原和质量百分比60%的纳米缺钙羟基磷灰石为人工骨基质材料，与8倍的去离子水混合均匀，并冷冻干燥获得均质粉体；

2）将步骤1获得的粉体与6倍的去离子水混合，获得粘度为25万厘泊的浆料，并真空排气；

3）通过螺杆泵定量挤出方式将步骤2所得的流质浆料挤出；

4）采用XYZ运动装置，按照从CT扫描获取的骨缺损三维几何模型，通过计算机程序设计该几何模型内部的孔隙结构参数：六边蜂窝型孔隙、孔边长1mm、孔隙率80%，控制所述步骤3中挤出材料的运动轨迹，完成增材制造过程。

综上所述，本具体实施能够实现生物可降解材料的自由复合，用量精确可控，从而降低打印耗材的应用成本，人工骨宏观几何外形由计算机打印控制，无需模具约束，实现个性化医疗定制，其孔隙结构的尺寸、形状和孔隙率也可定量定点控制，最终实现从材料成分、孔隙结构和几何外形上具有多尺度仿生特征的可降解人工骨支架。

Claims (4)

1.一种多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）以可降解的生物高分子材料和生物陶瓷材料为人工骨基质材料，将质量比为10~50%的生物高分子材料与50~90%的生物陶瓷材料混合；

2）将步骤1的混合物与去离子水或有机溶剂混合成均匀浆料，去离子水或有机溶剂的质量为步骤1混合物质量的3~10倍；

3）将步骤2获得的浆料进行冷冻干燥，获得均质粉体；

4）将步骤3获得的粉体与去离子水或有机溶剂混合搅拌为粘度20~50万厘泊的流质浆料，并真空排气；

5）螺杆泵外部设有连续供料器，通过高压气体将流质浆料持续输入到螺杆泵中，将步骤4所得的流质浆料通过螺杆泵定量挤出；

6）采用XYZ运动装置，按照从CT扫描获取的骨缺损三维几何模型，通过计算机程序设计该几何模型内部的孔隙形状、尺寸和孔隙率，控制所述步骤5中挤出材料的运动轨迹，完成增材制造。

2.根据权利要求1所述的一种多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，其特征在于，所述的生物高分子材料可采用胶原或壳聚糖或纤维蛋白或明胶或透明质酸或海藻酸盐或聚乳酸或聚已内酯或聚乳酸甘醇酸中任意一种或任意几种的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，其特征在于，所述的生物陶瓷材料可采用羟基磷灰石或钙磷陶瓷或生物活性玻璃陶瓷中任意一种或任意几种的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，其特征在于，所述的骨基质材料中可在质量比为10~50%的生物高分子材料与50~90%的生物陶瓷材料混合中添加1~10%的骨形成蛋白。