CN105833341A - 一种具有横向力学结构人工骨支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有横向力学结构人工骨支架的制备方法。该方法首先将人工骨支架CAD模型由下至上均匀分割成N份截面并将每层截面由里到外分为四部分，然后将羟基磷灰石、壳聚糖等按四种不同质量比例混合成打印原材料。最后将四种不同比例的混合材料依次打印到每层截面的四部分中并在每层混合材料上面分别喷洒不同剂量的生物黏结剂。在本发明中，由于每层截面各部分使用的打印原材料比例和各层生物黏结剂的剂量不同，从而使得每层截面各部分具有不同的力学性能，进而真正实现具有横向力学结构的人工骨支架的制备。

Description

一种具有横向力学结构人工骨支架的制备方法

技术领域

本发明提出一种具有横向力学结构人工骨支架的制备方法。主要涉及到现有人工骨支架制备工艺的研究、3D打印技术的研究、人工骨支架复合材料等几方面的研究。

背景技术

骨骼损伤已经成为影响人体健康的重大疾病之一。骨缺损是骨骼损伤常见的病征之一。医疗科研人员经过多年研究提出并应用了骨移植方法治疗骨缺损。目前,骨移植已经成为仅次于输血的人体组织移植,其广泛分布于矫形、口腔及颅面等多个领域。

现有技术中,临床上进行骨移植选用的骨骼主要有自体骨、异体骨、人工骨等。采用自体骨,优点是无免疫排异反应,但是存在来源有限、取骨部位常遗留慢性疼痛等并发症的缺点。采用异体骨,优点是来源充足,却存在容易引起免疫反应、易传染病毒疾病的缺点。因此，在传统骨移植的基础上，研究人员提出采用人工骨替代天然骨进行骨移植。经过研究发现，作为理想的骨替代物，应该满足如下要求:具有良好生物相容性和一定的强度，具有一定的力学和机械性能，保证培养液及血液能够进入骨支架内部,具有良好的骨诱导性，具有合适的表面理化性质,且能被宿主骨组织吸收替代。因此,制作人工骨支架时,除了考虑其生物相容性、三维几何结构、表面理化性质之外,很重要的一点,就是考虑其力学性能是否能满足与患者人体骨力学性能相近的要求。

人体骨组织的基本结构包括骨膜、骨质、骨髓，由有机物和无机物两大部分组成。其中无机物主要是羟基磷灰石，有机物主要是胶原。羟基磷灰石具有良好生物相容性和生物活性，植入骨组织后能在界面上和骨形成很强的化学性键合，具有骨传导和骨诱导性，羟基磷灰石生物陶瓷已经用于临床上骨的修复替换，但其脆性、生物降解性低的缺点制约了其应用范围。

为弥补羟基磷灰石生物降解性低的缺点，本发明在打印材料中加入一种具有良好生物降解性的材料——壳聚糖。这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印人工骨支架是人工骨支架的一种重要制备技术。目前,人工骨支架的快速成型方法主要有光固化成型工艺、叠层制造、选择性激光烧结、熔融沉积制造等。基于喷射技术的人工骨支架的快速成型技术有螺杆挤压喷射、活塞挤压喷射、气动挤压喷射、微滴喷射技术、激光引导直写技术、电纺丝技术、蘸笔纳米刻蚀技术等。虽然当前制备骨支架的研究有很多种，但这些研究大多只是集中于人工骨支架三维结构、制备骨支架材料、骨支架生物相容性等方面，目前，人工制备骨支架在这些方面取得一定的研究成果，但在实现与天然骨类似力学性能这一方面还缺少一定的研究。

公开号为CN102283723A的发明专利提出了一种可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法。该方法首先将人工骨支架CAD模型分割成等间距的二维截面，然后通过控制瞬干黏结剂的喷洒量来控制生物陶瓷微球层之间的粘结强度，进而控制整个人工骨支架的力学性能。但本方法还存在以下问题：

该方法仅仅选用羟基磷灰石生物陶瓷作为打印材料，没有考虑到羟基磷灰石在制备人工骨支架过程中存在的生物降解性差等缺点。并且该发明采用控制每层瞬干粘结剂的喷洒量的方法并不能真正得到与天然骨类似的横向力学梯度的结构。

公开号为CN102274544A发明专利提出了一种多空生物陶瓷微球的人工骨支架制备方法。该方法的特点是通过控制雾化喷洒参数，是不同比例的生物胶黏剂、固化促进剂和增稠增韧改进剂充分混合实现了固化时间可控和提高了制造的效率。但同样，本发明方法不能得到具有优良力学性能的人工骨支架。

综合当前关于人工骨支架的制备工艺，研究人员大多侧重于考虑骨支架三维结构的设计，对于实现人工骨支架力学性能的研究较少。基于此原因，本发明在原有骨支架的制备工艺基础上提出了一种新的具有力学梯度的仿生人工骨支架的制备方法。

发明内容

本发明采用的技术方案是：一种具有力学梯度仿生人工骨支架的制备方法。

具体包括如下步骤：

步骤一、在计算机中建立要打印的人工骨支架的CAD模型然后将已建立的人工骨支架CAD模型进行分层，分为间距相同的N个二维截面。

步骤二、将步骤一中分割好的各层二维截面都由里到外分成四部分，并由里到外分别编号为a、b、c、d这四个区，其中a区是具有一定半径的类圆形，b、c、d是具有一定宽度的类圆环形。

步骤三、将羟基磷灰石、壳聚糖分别按照四种不同的质量比例10%：90% (1)、15%：85%(2)、20%：80%（3）、25%：75%（4）进行混合。

步骤四、将步骤三中制备的（1）、（2）、（3）、（4）四种混合粉末材料分别放入自制快速成型机的铺粉喷头（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）、（Ⅳ）中。

步骤五、令i=1,将喷头（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）、（Ⅳ）中的粉末分别铺洒到二维截面的a、b、c、d四部分中并用铺粉辊压实，形成骨支架的第一层。

步骤六、调节自制成型机的喷洒生物黏结剂的喷头的参数，控制生物黏结剂的喷洒量。控制喷头按照每层截面的二维轨迹将生物黏结剂喷洒到第i层粉末上，形成第i+1层。

步骤七、判断i值，如果i<N-1,i=i+1,重复步骤4；否则，进入下一步。直到骨支架模型的最后一层打印完毕。

步骤八、待最后一层打印完毕，取出打印好的骨支架，进行后续的干燥处理。

进一步的优选：

1、购买羟基磷灰石粉末时选择较小半径的，一般选择30-50nm，这样可以打印出的人工骨支架具备更良好的性能。

2、将壳聚糖和羟基磷灰石进行混合之前，先要将壳聚糖利用粉碎技术将它粉碎为粒径较小的粉末。

本发明的创新点是：

1、提出将每层截面按照骨支架所需不同力学性能重新划分为几部分，进行分区打印的新型打印方法。

2、进行分区打印时，每一部分的复合材料中各组分的比例不相同，这样能真正意义上实现人工骨支架横向力学梯度的分布。

具体实施实例：

本案例选用自制生物快速成型机，该成型机包括铺粉喷头、铺粉辊、粘结剂喷头、成型工作台等几部分组成。本次实施实例打印一个底面直径为10mm，高度为30mm的圆柱形人工骨支架，在计算机利用三维软件建立起该骨支架的CAD模型。

步骤一、将已建立的人工骨支架CAD模型由下至上均匀分割成300层二维截面，每层的厚度为0.1mm。

步骤二、将步骤一中分割好的每层二维截面由里到外都分成四部分，并由里到外分别编号为a、b、c、d这四个区，其中a区是直径为4mm的圆，b、c、d是宽度为1mm的圆环。

步骤三、将粒径为35mm的羟基磷灰石、粉末状的壳聚糖分别按照质量比为10%：90%(1)、15%：85%(2)、20%：80%（3）、25%：75%（4）四种不同的质量比例进行充分混合，得到打印原材料。

步骤四、将步骤三中制备的（1）、（2）、（3）、（4）四种混合材料分别放入自制快速成型机的铺粉喷头（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）、（Ⅳ）中。

步骤五、i=1,将喷头（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）、（Ⅳ）中的粉末材料分别铺洒到第一层二维截面的a、b、c、d四部分中并用铺粉辊压实，形成第一层。

步骤五、调节喷洒生物粘结剂的喷头参数，控制生物黏结剂的喷洒量。控制喷头按轨迹将生物黏结剂喷洒到第i层粉末上，形成第i+1层。

步骤六、判断i值，如果i<299,i=i+1,重复步骤4；否则，进入下一步。直到最后一层材料铺洒完毕。

步骤七、待最后一层打印完毕，取出打印好的骨支架，进行后续的干燥处理。

本次实施实例制备的人工骨支架各部分具有的力学性能（抗压强度MPa）a区：4.21、b区4.92、c区5.43、d区6.15。

Claims (1)

1.一种具有横向力学结构人工骨支架的制备方法包括以下步骤：

步骤一、在计算机中建立要打印的人工骨支架的CAD模型然后将已建立的人工骨支架CAD模型进行分层，分为间距相同的N个二维截面；

步骤二、将步骤一中分割好的各层二维截面都由里到外分成四部分，并由里到外分别编号为a、b、c、d这四个区，其中a区是具有一定半径的类圆形，b、c、d是具有一定宽度的类圆环形；

步骤三、将羟基磷灰石、壳聚糖分别按照四种不同的质量比例10%：90% (1)、15%：85%(2)、20%：80%（3）、25%：75%（4）进行混合；

步骤四、将步骤三中制备的（1）、（2）、（3）、（4）四种混合粉末材料分别放入自制快速成型机的铺粉喷头（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）、（Ⅳ）中；

步骤五、令i=1,将喷头（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）、（Ⅳ）中的粉末分别铺洒到二维截面的a、b、c、d四部分中并用铺粉辊压实，形成骨支架的第一层；

步骤六、调节自制成型机的喷洒生物黏结剂的喷头的参数，控制生物黏结剂的喷洒量；

控制喷头按照每层截面的二维轨迹将生物黏结剂喷洒到第i层粉末上，形成第i+1层；

步骤七、判断i值，如果i<N-1,i=i+1，重复步骤4；否则，进入下一步；直到骨支架模型的最后一层打印完毕；

步骤八、待最后一层打印完毕，取出打印好的骨支架，进行后续的干燥处理。