CN105877874B - 仿生设计类骨多孔骨制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仿生设计类骨多孔骨制品及其制备方法和用途，属于生物医学材料领域。仿生设计类骨多孔骨制品，具有体心立方晶格微孔空间结构，微孔空间结构单元体中原子的位置由几何体填充，所述的几何体为球壳或者球体，几何体与周围布置球壳或者球体相交，相交位置形成贯通圆孔。使用三维打印快速成型制造技术，无多余切削废料产生，材料利用率高，加工快捷。该仿生设计类骨多孔骨制品制备的类骨多孔骨钉、棒、板产品，用于人体硬组织缺损修复、骨组织工程用支架、承力部位骨组织创伤修复重建，具有良好的结构完整性和外形定制能力，可根据患者骨组织缺损修复需求，加工成各种形状，满足患者个性化医疗需求。

Description

仿生设计类骨多孔骨制品及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种仿生设计类骨多孔骨制品及其制备方法和用途，属于生物医学材料领域。
背景技术
钛及钛合金因具有优异的抗腐蚀性、生物相容性、低密度和高的比强度等特点，在医用外科方面尤其是骨修复领域得到了广泛的应用。生物医用植入体是与人生命健康密切相关的特殊功能材料。同其它金属材料相比，钛及钛合金有着巨大的先天优势。室温时，钛及钛合金的密度为4.5g/cm3,仅为不锈钢的56％。植入体内可大幅度减轻植入体载荷；同时，钛及钛合金的弹性模量较低，纯钛为108.5GPa，仅为不锈钢的53％，植入体内与人体自然骨更接近，可减轻植入体应力屏蔽效应；不同于磁性材料，钛及钛合金为无磁性金属，不受电磁场和雷雨天气的影响，这有利于植入后的人体安全；最重要的是钛及钛合金具有优良的生物相容性、无毒性，它们被称为生物惰性金属材料，在人体血液的浸泡环境中具有优异的耐腐蚀性能，保证与人体血液及细胞组织的生物相容，不产生过敏反应，对人体无毒副作用。
临床应用中，因外伤、肿瘤等因素常导致骨、关节损害，为建立稳固的骨支架，必须借助人工骨钉、棒、弧型板等产品。这些植入物要长期留置于人体内，会受到人体的弯曲、扭转、挤压、肌肉收缩力等作用，要求植入物具有高的强度和韧性。研究与临床应用证明，在人体受力小的部位可以用纯钛，在人体受力大的部位可以用Ti-6Al-4V合金，以满足人体植入物的需求。
天然骨组织为一种具有精细微孔结构的多孔材料，骨组织的三维多孔结构会根据负重相应地改变以适应承载的需要。当外载植入体具有较高弹性模量时，会对天然骨组织形成应力遮挡。如果骨组织修复体的力学性与天然骨组织不匹配，载荷就不能由植入体很好地传到相邻的骨组织，造成植入体周围出现了应力吸收，最终导致植入体的松动和断裂引起应用失败。
为了解决该问题，科研人员提出在钛及钛合金中引入微孔设计的方法，将其制成多孔植入体。微孔设计对植入体的性能有以下几个方面的改善：(1)植入体的密度、强度和弹性模量可以通过对孔隙率的调整来达到与被替换骨组织的力学 性能相匹配(生物力学相容)，从而有效减轻或消除应力屏蔽现象；(2)多孔结构以及大的比表面积有利于成骨细胞的吸附、增殖和分化，促使新骨组织长入孔隙，使植入体同骨之间形成骨键合，并最终形成一个整体；(3)独特的三维连通孔能够保证体液和营养物质在多孔植入体中传输，促进组织再生与重建，加快愈合过程。因此，具有上述优点的生物医用多孔钛合金植入体被视为硬组织修复的关键。
现有的钛及钛合金植入体加工需要经过精密的切削加工，材料消耗比较大，设备要求高，加工周期长，造成制作成本高。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种3D打印钛及钛合金的类骨多孔骨制品及其制备方法，该方法节约原料、加工快捷、成本低。
仿生设计类骨多孔骨制品，具有体心立方晶格微孔空间结构，微孔空间结构单元体中原子的位置由几何体填充，所述的几何体为球壳或者球体，几何体与周围布置球壳或者球体相交，相交位置形成贯通圆孔。
仿生设计类骨多孔骨制品由纯钛或钛合金构成，例如Ti-6Al-4V，具有体心立方晶格(BCC)微孔空间结构。微孔空间结构单元体与BCC晶胞结构相同，不同之处在于晶胞中原子的位置由几何体填充。
微孔空间结构单元体填充球壳或者球体的半径为0.03mm～3mm，厚度为0.01mm～2mm。
仿生设计类骨多孔骨制品的孔隙率为50％～95％，大孔孔径为100～800微米，大孔之间有小孔相互贯通，具有仿生类骨微孔结构。
仿生设计类骨多孔骨制品以纯钛或钛合金粉末为原材料，粉末的粒径为30μm～100μm；仿生设计类骨多孔骨制品的微孔空间结构单元以边长为0.1mm～3mm的正方体为单元体，以该正方体为原点建立三维坐标，向三维坐标的X、Y、Z三个方向阵列再进行布尔运算设计产品；
采用快速成型制造技术打印出产品，所述的快速成型制造技术包括激光选区熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔融(EPM)方法制备；
经快速成型制造技术打印得到的半成品，进行生物活化改性处理，生物活化改性处理方法包括SBF浸泡形成类骨磷灰石层、电化学沉积磷酸钙生物活性层、等离子喷涂磷酸钙生物活性层。
半成品采用SBF浸泡形成类骨磷灰石活性层厚度为200nm～1μm，形貌为片层状羟基磷灰石；经电化学沉积磷酸钙生物活性层厚度为1μm～10μm，形貌为棒状层叠羟基磷灰石；经等离子喷涂磷酸钙生物活性层厚度为10～30μm，形貌为片层状堆覆磷酸钙。
优化的方法，半成品在生物活化改性处理前经300摄氏度真空退火处理。
仿生设计类骨多孔骨制品用于人体硬组织缺损修复、骨组织工程用支架、承力部位骨组织创伤修复重建。
本发明提供的仿生设计类骨多孔骨制品，微孔模仿了天然骨的组织解剖结构，有利于成骨细胞在材料表面黏附、生长和分化，同时三维贯通的排列方式保证了营养物质和代谢废物的传输。
该材料模仿了BCC结构，力学性能优异，抗压强度、抗弯强度可根据设计调整微孔结构特征以与天然骨力学性能相匹配，避免应力遮挡效应。
仿生设计类骨多孔骨制品制备方法，使用三维打印快速成型制造技术，无多余切削废料产生，材料利用率可达95％以上，同时成型设备占地面积小，加工快捷，缩短周期减少患者的等待时间。
在制备过程中，无化学反应及有机溶剂参与，避免了有毒、有害物质对材料的污染。
该仿生设计类骨多孔骨制品制备的类骨多孔骨钉、棒、板产品具有良好的结构完整性和外形定制能力，可根据患者骨组织缺损修复需求，加工成各种形状，满足患者个性化医疗需求。产品经表面生物活化后，有利于促进骨组织整合，诱导骨长入，加快骨组织修复重建过程。
附图说明
图1为实施例1的BCC微孔结构单元体模型图；
图2为实施例1的STL三维建模图形；
图3为实施例3的STL三维建模图形；
图4为实施例9经等离子喷涂磷酸钙涂层处理后的实体图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
在建模软件中，放置九个中空球壳，如图1所示，使其球心的位置严格按照晶体学中BCC原子放置位置，其中球壳外半径为0.75mm，内半径为0.55mm，其中球壳上面会有直径为0.3mm的孔洞，该模型孔隙率59.83％、孔径为350±20μm、互穿贯通微孔孔径为90±10μm。
以纯钛球形粉为原料，以上述单元体为孔结构单元，在三维空间阵列然后进行切除/布尔运算得到类骨多孔钛钉棒产品，如图2所示。将设计导出为STL格式文件，输入三维打印机中进行打印成型。
实施例2
以实施例1的建模方式进行建模，其中球壳外半径为0.7mm，内半径为0.5mm，球壳孔直径为400mm，其他参数不变。以纯钛球形粉为原料，将设计产品三维模型转换为STL格式文件，输入三维打印机中进行打印成型，得到产品的孔隙率为74.4％，孔径为400±20μm，互穿贯通微孔孔径为200±10μm。
实施例3
以实施例1的建模方式进行建模，其中球壳外半径为0.7mm，内半径为0.35mm，球壳孔直径为300mm，其他参数不变。以纯钛球形粉为原料，将设计产品三维模型转换为STL格式文件，输入三维打印机中进行打印成型，如图3所示，得到产品的孔隙率为85.2％，孔径为300±20μm，互穿贯通微孔孔径为200±10μm。
实施例4
以实施例1的建模方式进行建模，不同的是，放置的是球体而不是球壳，球体的半径为0.7mm。该单元体孔隙率为71.3％，孔径为700±20μm，互穿贯通微孔孔径为300±10μm。
实施例5
以实施例1的建模方式进行建模，所有建模参数不变。不同的是选择以钛合金(Ti6Al4V)球形粉为原料，经三维打印成型，得到产品的孔隙率为59.83％、孔径为350±20μm、互穿贯通微孔孔径为90±10μm。产品具有比实施例1具有更好的力学性能。
实施例6
以实施例1的建模方式进行建模，所有建模参数及三维打印成型参数不变。 不同的是得到的产品经300摄氏度真空退火后处理，退火处理进一步消除了激光选区熔融成型过程中的残余内应力，产品具有比实施例1具有更好的尺寸精度和力学性能稳定性。
实施例7
以实施例1的建模方式进行建模，所有建模参数及三维打印成型参数不变。得到的产品经300摄氏度真空退火后处理，不同的是进一步进行7天SBF浸泡生物活化处理，经生物活化处理后的产品表面及内部孔壁上形成了约为10μm厚的类骨磷灰石层，产品具有比实施例1具有更好的生物活性，利于骨长入，促进骨愈合。
实施例8
以实施例1的建模方式进行建模，所有建模参数及三维打印成型参数不变。得到的产品经300摄氏度真空退火后处理，不同的是进一步进行2小时电化学沉积羟基磷灰石，经电化学沉积羟基磷灰石生物活化处理后的产品表面及内部孔壁上形成了5-20μm的羟基磷灰石层，产品具有比实施例1具有更好的生物活性，利于骨长入，促进骨愈合。
实施例9
以实施例1的建模方式进行建模，所有建模参数及三维打印成型参数不变。得到的产品经300摄氏度真空退火后处理，不同的是进一步进行等离子喷涂磷酸钙涂层，经等离子喷涂磷酸钙涂层处理后的产品表面形成了一层100μm的磷酸钙涂层，如图4所示，产品具有比实施例1具有更好的生物活性，利于骨细胞黏附，骨长入，促进骨愈合。
以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.仿生设计类骨多孔骨制品，其特征在于，具有体心立方晶格微孔空间结构，微孔空间结构单元体中原子的位置由几何体填充，所述的几何体为球壳或者球体，几何体与周围布置球壳或者球体相交，相交位置形成贯通圆孔。
2.根据权利要求1所述的仿生设计类骨多孔骨制品，其特征在于，所述的微孔空间结构单元体中填充球壳或者球体的半径为0.03mm～3mm，厚度为0.01mm～2mm。
3.根据权利要求1所述的仿生设计类骨多孔骨制品，其特征在于，仿生设计类骨多孔骨制品的孔隙率为50％～95％，圆孔孔径为100～800微米，圆孔之间有小孔相互贯通，具有仿生类骨微孔结构。
4.根据权利要求1到3任一项所述的仿生设计类骨多孔骨制品的制备方法，其特征在于，包括以下过程：
仿生设计类骨多孔骨制品以纯钛或钛合金粉末为原材料，粉末的粒径为30μm～100μm；仿生设计类骨多孔骨制品的微孔空间结构单元以边长为0.1mm～3mm的正方体为单元体，以该正方体为原点建立三维坐标，向三维坐标的X、Y、Z三个方向阵列再进行布尔运算设计产品；
采用快速成型制造技术打印出产品，所述的快速成型制造技术包括激光选区熔化、选择性激光烧结、电子束熔融方法制备；
经快速成型制造技术打印得到的半成品，进行生物活化改性处理，得到最终产品。
5.根据权利要求4所述的仿生设计类骨多孔骨制品的制备方法，其特征在于，所述的半成品生物活化改性处理方法包括SBF浸泡形成类骨磷灰石层、电化学沉积磷酸钙生物活性层、等离子喷涂磷酸钙生物活性层；
采用SBF浸泡形成类骨磷灰石活性层厚度为200nm～1μm，形貌为片层状羟基磷灰石；经电化学沉积磷酸钙生物活性层厚度为1μm～10μm，形貌为棒状层叠羟基磷灰石；经等离子喷涂磷酸钙生物活性层厚度为10～30μm，形貌为片层状堆覆磷酸钙。
6.根据权利要求4所述的仿生设计类骨多孔骨制品的制备方法，其特征在于，所述的半成品在生物活化改性处理前经300摄氏度真空退火处理。
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