CN105147423B - 一种三维复合多孔结构组织工程支架的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种三维复合多孔结构组织工程支架的制备方法，涉及生物材料技术领域。本发明旨为在计算机的辅助下构建包含若干子结构的复合多孔结构，使得该结构的孔隙率、孔形态呈现所需要的空间变化，并采用3D增材制造方法成形。本发明的优点为：将具有不同形态、特性的子结构结合成一个结构综合体，并实现各个子结构之间的光滑结合，产生复合特性；所构建结构，可以模仿自然组织多孔结构内部的复杂变化，保证营养物质传输和废物代谢，实现结构仿生特性；该方法适用于多种材料，如：金属、非金属材料以及高分子材料等，可满足用户个性化的设计、制造的需要。
Description
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，特别适用于组织工程支架结构材料的设计与制备，具体为一种三维复合多孔结构组织工程支架的数字化设计与制备。
背景技术
多孔结构是制造组织工程支架的关键，孔隙的形态会直接影响细胞的生长过程。原则上，支架的功能是提供一个环境，通过细胞-支架、细胞-细胞间的相互作用来刺激细胞行为，如：粘附、迁移、增殖、分化、维持和死亡。组织工程支架能实现在体内或体外培养中对组织的初始支撑、细胞的初始黏附以及使得细胞能可控地形成组织或器官。理想的支架应具有内部有相连通的高孔隙率多孔结构，能适应细胞生长、营养流的输送与代谢产物的排出。
各向异性的孔隙率可以引导骨沿着孔隙率和力学强度梯度的方向进行再生，这可以控制干细胞分化，进而促进组织功能。不同的孔隙结构能影响靠近和远离该结构的细胞的运动方向和速度，这成为细胞外环境控制细胞行为的一种生理机制。具有一定分布规律的复合孔隙结构是经过自然选择与进化的理想结构。它比规则多孔结构拥有更优越的力学性能和渗透率，拥有更多样性的孔隙形态以便适应细胞的不同需要，其3D连通孔隙，便于把营养物质灌注进支架内部，并排出细胞代谢废物，营造利于细胞生长的环境；同时结构的复合分布带来力学特性的复合分布，以保证结构中力学特性的最优分配。
在多孔支架制造方面，尽管已有一些传统的手工制造方法如：盐过滤法、气体发泡法、冷冻干燥法，但这些方法仅仅能实现对少数参数的粗调(如：孔隙率)，无法进行精细控制。最近发展起来的增材制造技术，如选择性激光烧结、激光快速成型、自由实体制造、3D打印、光固化立体造型等技术，解决了这一问题并成功应用于成型复杂零件。现在，这些技术也被引入组织工程领域，结果证明该技术有潜力用于制造更为复杂、高仿生特征的孔隙结构和力学特性的支架产品，并且能精确形成支架的微观形态、控制生长因子空间分布，以满足个性化组织修复的需要。
目前，针对增材制造的多孔结构设计环节，仍存在很多困难，例如：如何采用简单有效的方式，构造孔隙形态呈空间变化的多孔结构。这些困难成为限制仿生结构组织工程支架设计、制造和应用的瓶颈。
发明内容
本发明目的在于解决传统设计方法不能灵活、精确构建复合多孔结构，及传统制备方法成本高、工艺不稳定、造孔剂残留等问题，提供一种三维复合多孔结构组织工程支架的数字化设计与制备方法。
本发明提供的三维复合多孔结构组织工程支架的数字化设计与制备方法，基于三重周期最小表面(triply periodic minimal surface，简称TPMS)方法设计复合多孔结构，并采用增材制造方法制备该支架，该方法的具体步骤是：
第1、确定所选的子结构以及子结构之间的过渡边界，步骤为：
a、确定需要结合的各个子结构的结构类型；
b、确定子结构之间的过渡边界，对于2D结构，该边界为直线或曲线，对于3D结构，该边界为平面或曲面；
c、应用Sigmoid子结构结合公式，将相邻两子结构根据过渡边界结合成一个复合结构：
其中，φ1≥0，φ2≥0分别表示两子结构的实体部分，b(x,y,z)＝0表示两结构的过渡边界，参数k控制过渡梯度，该复合结构实体区域由不等式φ≥0确定。
对于多子结构复合而言，可递归使用上述结合公式：
其中φi≥0，bi,ki分别表示第i个子结构、过渡边界和梯度控制值。
d、结合产品所需要的外表面模型，并生成最终的实体模型；
第2、采用3D增材制造方法制备复合多孔结构支架。
所述的3D增材制造方法具体工艺为：
由计算机控制激光头固化模型指定区域内的材料，当前一层材料固化后，计算机控制工作台下移一个距离单位，再固化下一层材料，直至支架达到所要求的高度为止。所以支架实体由这种一层一层的堆积方式制成。
本发明适用材料广泛，包括金属、非金属和医用高分子材料等等，具体为：钛、镁、生物活性玻璃、羟基磷灰石、光敏树脂、以及生物相容性高分子材料(如：聚乳酸及其聚合物、聚乙交酯、聚乳酸-聚乙交酯共聚物、聚己内酯、聚β-羟基丁酸酯、聚β-羟基丁酸酯-聚羟基戊酸酯共聚物、聚己内酯-聚乙二醇多嵌段共聚物或者聚氨酯)。
本发明的优点和有益效果为：
采用计算机辅助设计的方式，构造3D复合多孔结构，并通过增材制造方法精确制造此多孔结构体，用于实现用户个性化的设计与制备。在三重周期最小表面隐式函数中的孔隙率控制项和孔隙尺寸控制项可以方便地控制支架孔隙率和孔隙尺寸的分布；通过设定子结构间的过渡边界，可以方便地由Sigmoid函数实现子结构之间任意的空间安排。同时，所采用的3D增材制造方法能准确按照原模型制出产品。本发明适用材料广泛，如：具有生物惰性/活性的金属、非金属材料以及多类高分子聚合物材料都可以采用本发明方式成形。所制产品兼顾：各孔隙间的连通性、实体材料的连续性、子结构之间过渡的光滑性、子结构组合的方便性和任意性。既可以作为具有骨生长的引导、诱导能力的植入材料使用，又可以应用于科学研究：为特定细胞提供可控的生长环境，进而研究、归纳细胞随不同环境的不同生长规律。
附图说明
图1为本发明设计的一个圆柱形复合多孔结构，由两种子结构组成，其间的过渡边界为另一个圆柱面，该结构实现多孔结构的径向变化，用来模仿股骨横截面处“边缘孔隙率小，内部孔隙率大”的结构特点。k＝1和k＝0.02时的模型分别见图1中的A与B，可见k值对过渡梯度的控制效果。图中1,2分别表示两种子结构。
图2为在图1基础上，递归地结合第三种子结构所构成的复合结构(即，此复合结构共含3种子结构)，A为模型，B为增材制造样品。其中1,2的含义和图1中的一致；3表示第三种子结构。
具体实施方式
实施例1
本实施例给出设计、制造一个圆柱形复合结构的全部细节，该结构由两个子结构组成，两子结构之间的过渡边界为圆柱面，该设计实现多孔形态的径向变化，以及孔隙率的边缘小、内部大的过渡。具体步骤是：
第1、确定所选的子结构以及子结构之间的过渡边界
a、圆周边缘子结构选用D型网状结构：
φ1＝-(cos(1.5x)cos(1.5y)cos(1.5z)-sin(1.5x)sin(1.5y)sin(1.5z)-0.3)
在边长为2R的正方体兴趣区域内，可计算该多孔结构实体体积为
其中区域A＝(φ1≥0)∩(|x|≤R)∩(|y|≤R)∩(|z|≤R)。
孔隙率按下式计算：
经计算该D型网状结构孔隙率为32％。
内部子结构选用G型网状结构：
φ2＝-((cos(0.5x)sin(0.5y)+cos(0.5y)sin(0.5z)+cos(0.5z)sin(0.5x))2-0.52)
用同样方法算得，该结构孔隙率为67.6％。
b、子结构之间的过渡边界定义为半径为16mm的圆柱面：
b(x,y,z)＝162-(x2+y2)＝0
c、应用Sigmoid子结构结合公式，将子结构根据过渡边界结合成一个复合结构：
其中，参数k控制过渡梯度，该结构实体区域由不等式φ≥0确定，相反φ＜0所对应区域为孔隙区域。
支架的最外层表面定义为半径为20mm的圆柱面，支架高度为10mm，所以整体支架定义为
(φ≥0)∩(202-(x2+y2)≥0)∩(10≥z≥0)
其中k＝1，k＝0.02时的模型图请见图1中的A与B，其中可见k值对过渡梯度的控制效果。
第2、采用3D增材制造方法制备复合多孔结构支架。
将所生成模型另存为STL格式导出，并导入增材制造系统，选用适当的材料，即可制备出和模型结构一致的复合多孔结构支架。本例采用光固化立体造型法：在模型规定区域(即表示复合结构的不等式)用激光照射光敏树脂使其固化，完成一个切片层的制造，然后盛有光敏树脂的容器平台下降一个薄层距离，再制造下一个切片层，直到所制结构达到设定的高度。其中，所用光敏树脂中包含PCL大分子单体并复合光敏引发剂：photoinitiator-TPO-L(3wt％)，染料：Orasol Orange G dye(0.1wt％)，以及生物玻璃粉末(10wt％)。沉积层厚度为50μm，曝光时间为12s，光强度为16mW cm-2，透镜焦距为75mm。过量的单体和光诱发剂由丙酮萃取出多孔支架。清洗剩余的光敏树脂，将样品置于真空环境下干燥。
实施例2
在实施例1的基础上进行递归操作，生成含有三种子结构的复合结构：
a、选用P型网状结构，该结构孔隙率为54.6％，作为第三种子结构：
φ3＝-((cos(0.75x)+cos(0.75y)+cos(0.75z))2-0.82)≥0
b、在y≤0的区域上，将第三种子结构一次递归地结合在实施例1中所生成的结构中：
c、采用增材方式制造该样品(方法同上)，模型和样品列于图2。
实施例表明，本发明方法不仅能结合两种子结构，还可以采用多次递归的方式结合多种子结构，以实现构建任意组合形态的复合多孔结构。配合3D增材制造方法，能精确制造出模型所要求的支架结构，以满足仿生个性化的需要。
需要说明的是，本发明具体实施方式只是为了便于理解本发明的技术方案，所做的进一步说明，因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种三维复合多孔结构组织工程支架的制备方法，设计过程基于三重周期最小表面triply periodic minimal surface，简称TPMS方法，结合Sigmoid函数方法，制造过程采用增材制造方法，具体步骤是：
第1、确定所选的子结构以及子结构之间的过渡边界，步骤为：
a、确定需要结合的各个子结构的结构类型；
b、确定子结构之间的过渡边界及其表达式；
c、应用Sigmoid子结构结合公式，将相邻子结构根据过渡边界结合成一个复合结构；
d、结合产品所需要的外表面模型，并生成最终的实体模型；
第2、采用3D增材制造方法制备复合多孔结构支架。
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