CN107050518A

CN107050518A - 一种基于光固化3d打印技术个体化定制型的骨修复生物陶瓷支架材料及其制备方法

Info

Publication number: CN107050518A
Application number: CN201611148188.XA
Authority: CN
Inventors: 全仁夫; 王拓; 谢尚举
Original assignee: HANGZHOU CITY XIAOSHAN DISTRICT TRADITIONAL CHINESE MEDICAL HOSPITAL
Current assignee: HANGZHOU CITY XIAOSHAN DISTRICT TRADITIONAL CHINESE MEDICAL HOSPITAL
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2017-08-18

Abstract

本发明涉及生物陶瓷支架材料的制备方法。一种基于光固化3D打印技术个体化定制型的骨修复生物陶瓷支架材料的制备方法，该方法包括以下的步骤：（1）利用CT二、三维成像技术建立骨骼未受损时的健康状态图，再结合等待植入的缺损骨骼状态图，分离出需植入的骨骼形态图；（2）利用专用数据软件把CT数据转化为3D打印数据；（3）利用光固化3D打印技术个体化制备骨缺损生物陶瓷修复材料。该方法的骨修复生物陶瓷材料符合个体化治疗原则，制造工艺时间短，效率高，所制得的材料孔隙率较为精准，误差小，抗压、抗弯强度大，生物相容性好。

Description

一种基于光固化3D打印技术个体化定制型的骨修复生物陶瓷支架材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物陶瓷支架材料的制备方法。

背景技术

随着创伤骨折及骨肿瘤发生率的逐年增长，创伤及肿瘤造成的骨缺损病患越来越多，但治疗上特别是大段骨缺损的治疗一直是骨科领域的难题之一。大段骨缺损不但需要的植骨量大，还对术后的力学性能有很高的要求。目前临床上治疗骨缺损运用最广泛的方法有骨移植术、人工替代物置换、牵拉成骨技术等，但都有各自的局限性。如自体取骨其本身就是对患者的再次损伤，极大增加了患者的痛苦，而且供体骨量有限；异体骨和异种骨又存在来源有限且价格不菲，潜在转播疾病及免疫排斥反应等一系列问题。骨组织工程学技术的发展虽为骨缺损修复治疗注入了新的活力，但对骨大段缺损的治疗，仍有其不足之处，克服生物材料自身力学性能，成品模式化及促进生物材料在体内成骨效能这几方面成为研究的新趋势和热点。目前最常用的骨缺损修复材料支架有生物陶瓷、羟基磷灰石(HA)、人工可降解聚合物等（Sachlos E, et al. 2003），但由于没有单独的一种材料在生物活性及生物力学性能上可以满足骨组织工程支架材料的要求，现今研究主要将另一种或多种材料与常用支架材料进行复合，形成的新的生物复合材料以发挥不同结合材料的优势，弥补单一材料的不足，不但可保证材料有足够的强度，而且能够更有效地结合种子细胞或生长因子，以及通过调配具有合适的降解速度以适应于骨的构建。

近年来组织工程支架结构设计的研究已经非常丰富，开发出了许多切实可行的设计方法，但这些具有复杂微结构和个体化外形的组织支架的三维模型要转化成实际的物理模型还面临一些实际的困难，设计意图无法成为现实。支架的制造方法主要有直接快速成形、三维立体编织与浇注成型、发泡、酸碱中和法等方法，这些方法在材料使用和微结构的实现方面存在一些不足。比如快速成型制造虽然可以直接成型任意复杂结构，非常适合支架的制作，但受成型原理的限制，只能对某些特定生物材料进行成型，而且制造的工艺参数不易控制。之前研究采用干铺-烧结的方法研制了一种新型生物复合材料：HA/ZrO₂梯度复合物。该材料不仅具有了羟基磷灰石良好的生物相溶性，同时植入体内后，在体液的作用下，会发生部分降解，游离出人体组织必需的元素钙和磷，并被人体组织吸收、利用，生长出新的组织，从而使植入体和人体组织获得良好的结合。结合的第二相颗粒二氧化锆可以显著提高材料的断裂韧性，具有更好的力学强度和抗生物腐蚀性。其平均抗弯强度为898.67MPa，而人体致密骨的抗弯强度为：120-160 MPa，其优良的力学性能可以达到人体每个负重部位的使用要求；材料粗糙的表面是多孔状的，分布着大小为200~300 μm的孔洞。孔洞深浅不一，呈连通状，表面层中孔隙的存在有助于提高生物材料与新骨的接触面积，从而增加植入材料与骨结合的强度；同时先前实验也证明了该材料生物相容性和免疫相容性良好，不具有基因毒性，具有良好的成骨效能优及力学性能，能够与骨界面形成良好的生物连接，是一种能够运用与临床的新型的骨缺损修复材料。但在后期该材料动物实验中发现干铺-烧结法制造材料耗时较长，操作不便，且每次制备的HA/ZrO₂梯度复合材料空隙率不可控制，存在100 μm左右的浮动范围。同时该方法制备需要固定模具，成品样式固定，不能足够应付临床复杂骨缺损的要求，因此需要一种方式来改进制备工艺和体现生物材料治疗的个体化需求。

随着先进制造技术的不断发展, 出现了基于计算机辅助设计和制作的快速原型技术(RP)，为临床个体化治疗骨缺损提出了一种可能性。三维打印成形技术(3DP)是一项新型的快速成型技术，其原理是根据计算机辅助设计（CAD）模型，打印头在薄层粉末上喷射粘结剂形成二维平面, 并逐层堆积成型。将三维打印成形技术于CT、MRI 扫描数据的三维重构技术相结合，通过反求技术，从外形仿生可以实现患者缺损部位假体填充的个性化制造（Guk Bae Kim,et al. 2016）。近年来，研究较多的是利用快速成型技术打印三维支架材料，采用该方法在制造仿生骨骼大体外形和微细结构方面，有着其它传统工艺不可比拟的优势，可以制造出适合细胞生长的孔隙结构，并可实现孔隙之间完全贯通及孔隙梯度结构的成形，因此可以直接制造出骨骼内部的仿生微结构（Butscher A, et al. 2011）（SeitzH, et al. 2005）。

目前在医学范围应用较多的三维打印技术主要包括光固化立体成型(SLA)、熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结（SLS）和三维喷印（3DP）等（Soman P, et al. 2012）。其中SLA是基于微滴喷射技术，使用液态光敏树脂成形制件，用紫外光进行固化的一种工艺。SLA工作原理是打印槽形成一平面，打印喷头沿设定方向以规定速度来回移动，同时喷射实体材料和支撑材料，并用紫外光照射固化。一层平面打好以后，打印槽下降一平面，重复该过程，层层堆积，最后得到一个三维立体材料（Liu Haitao, et al. 2009）。

SLA因其能自动运行，工作稳定，材料利用率高，同时又能定向选择性地控制打印的面积，精确地改变复合材料的孔隙及孔径大小，成型精度高，在制作多孔植入体及支架方面尤其独特的优势，使其成为近年来生物材料的研究重点，有逐渐替代传统材料制作方法的趋势（Mazzoli A. 2013）。

因此我们通过开创性的运用新型SLA方法制备HA/ZrO₂梯度复合物不仅可以弥补其他方法成形操作复杂，耗时较长的问题，更能运用计算机结合CAD技术来控制成型孔隙的大小形状及分布，而且制作过程中无需模具，能直接从计算机图形数据中生成任何形状的试件。

三维打印（3DP）能根据计算机图型数据进行模件的打印，因此通过螺旋CT断层扫描的方法，对骨缺损部位进行逐层扫描，对采集的信息进行合成三维重建，最终转换为三维打印机可用的CAD图像格式，运用SLA技术将生物材料做成需要的个体化的模件，使临床个性化治疗骨缺损成为可能。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种基于光固化3D打印技术个体化定制型的骨修复生物陶瓷支架材料的制备方法，该方法的骨修复生物陶瓷材料符合个体化治疗原则，制造工艺时间短，效率高，所制得的材料孔隙率较为精准，误差小，抗压、抗弯强度大，生物相容性好。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种基于光固化3D打印技术个体化定制型的骨修复生物陶瓷支架材料的制备方法，该方法包括以下的步骤：

1）利用CT二、三维成像技术建立骨骼未受损时的健康状态图，再结合等待植入的缺损骨骼状态图，分离出需植入的骨骼形态图，形成DICOM格式图；

2）将CT输出的DICOM数据通过MAGICS软件转化为三维打印所用的STL文件，根据所需材料的孔隙率要求，对STL格式文件进行进一步地处理，导出STL文件；

3）将STL文件导入至3D打印机中；

4）配制纳米级ZrO₂泥浆，加入光敏树脂，两者质量比为1:10~20，采用3D打印机打印，然后通过LED紫外光源使树脂引起聚合反应，材料逐层固化成型，形成复合光敏树脂初胚；

5）初胚形成后，按以下的步骤进行烧结：

A、烘干及挥发阶段：从室温至70~80℃，升温时间3~5 h，然后保温时间5~8h，进而继续上升温度直至450~550℃；

B、脱脂及高温烧结阶段：从450~550℃至1200~1300℃时，控制升温时间7.0~8.0h，速度为1.6~1.8 K/min，温度至1200~1300℃后无需保温，继续上升温度至1400~1500℃，控制升温速度在3.2~3.5K/min，保温1.5~2.5 h；

C、冷却阶段：达到1400~1500℃的最高烧结温度保温后，之后以-0.6~0.7 K/min进行冷却至室温；

6）设置纳米级HA粉末与纳米级ZrO₂粉末浆料配比，采取浸涂法制备HA/ZrO₂梯度复合材料；第一层浆料，纳米级HA粉末占浆料质量的百分比为10~15%，纳米级ZrO₂粉末占浆料质量的百分比为25~35%，第一层浆料完成后90~110℃电炉中烘干1.5~2.5h，再加热到850~950℃，保温4~6h，最后加热到1200~1300℃，保温0.8~1.5h；第二层浆料，纳米级HA粉末占浆料质量的百分比为30~40%，纳米级ZrO2粉末占浆料质量的百分比为2~5%，第一层浆料完成后90~110℃电炉中烘干1.5~2.5h，再加热到850~950℃，保温4~6h，最后加热到1200~1300℃，保温0.8~1.5h；冷却后得到HA/ZrO₂梯度复合材料。

作为优选，所述的3D打印机打印时设置平面分辨率为40 μm，像素（X,Y）1920*1080，工作台大小（X,Y,Z）76 mm*43 mm*150 mm，层厚25 μm，曝光时间为1 s，开始打印层厚参数设置为10 μm。

作为优选，所述的第一层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

纳米级ZrO₂粉末 25~35%

纳米级HA粉末 10~18%

双蒸水 50~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

作为再优选，所述的第一层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

纳米级ZrO₂粉末 30~32%

纳米级HA粉末 12~15%

双蒸水 50~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

作为优选，所述的第二层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

纳米级ZrO₂粉末 2~5%

纳米级HA粉末 30~40%

双蒸水 55~65%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

作为再优选，所述的第二层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

纳米级ZrO₂粉末 3~4%

纳米级HA粉末 32~36%

双蒸水 56~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

本发明的第二个目的是提供采用所述的方法制备得到的骨修复生物陶瓷支架材料。

本发明由于采用了上述的技术方案，该方法的骨修复生物陶瓷材料符合个体化治疗原则，制造工艺时间短，效率高，所制得的材料孔隙率较为精准，误差小，抗压、抗弯强度大，生物相容性好。其具体数据为平均孔隙率82.46%，平均抗压强度49.72 MPa，体外细胞毒性试验（MTT）（—）。

附图说明

图1 本发明具体实施方式Micro CT平扫及三维图像。

图2 本发明具体实施方式数据后期处理形成的材料三维结构。

图3 本发明具体实施方式光固化成型及后期脱脂烧结所制备的HA/ZrO₂生物陶瓷材料。

图4 本发明具体实施方式HA/ZrO₂生物陶瓷材料扫描电镜图。

图5 本发明具体实施方式HA/ZrO₂生物陶瓷材料粉末XRD分析图。

图6 本发明具体实施方式HA/ZrO₂生物陶瓷材料MTT试验OD值。

图7 本发明具体实施方式HA/ZrO₂生物陶瓷材料植入物取材后新生骨二、三维CT重建。

具体实施方式

下面以犬股骨干HA/ZrO₂生物陶瓷支架材料为例对本发明进行详细的说明。

1.1 股骨干骨缺损动物模型

实验采用雄性成年比格犬，体重7.3±1.2 kg，根据犬股骨干骨缺损临界值15 mm，实验中截去犬股骨中段15 mm，建立股骨干缺损模型。手术方式：术前12 h禁食，用3%的戊巴比妥钠(1 m1/kg)经静脉麻醉，麻醉完毕，行气管插管，手术过程持续吸氧。手术区皮肤脱毛、清洁、消毒、铺巾，取右下肢股外侧正中切口约8 cm，逐层切开皮肤、皮下组织，电凝止血，显露大腿肌肉，从肌肉间筋膜间隙行钝性分离，暴露股骨，测量长度后，截去股骨中段15 mm(全层包括骨膜)制成骨缺损模型，行有限接触钢板内固定，C-臂形X线机下透视见螺钉长度合适，钢板固定稳妥，用生理盐水反复冲洗，确认无器械纱布等残留后逐层缝合关闭切口。术后青霉素钠160万U肌注，每日一次，持续3 d，以预防感染，常规饲养。

1.2 Micro-CT数据采集

将犬股骨干骨缺损模型放入动物专用Micro CT，进行容积扫描，CT 扫描核定电压90kV，电流278 uA，扫面层厚34.92 um。所有图像经数字接口传至图形工作站，以DICOM数据格式输出。

1.3 Micro-CT数据转化及后期处理

将Micro CT已输出的DICOM数据通过MAGICS软件进行转化，具体操作如下：将比格犬股骨干中段CT医学图像源三维数据按原始尺寸导入MAGICS软件，设置图片坐标，使用剖面线工具测量出该部位的密度分布，使用区域增长命令阈值（Thresh Holding），对其所在密度范围进行选取，过滤出骨骼组织。生成的股骨横切面有时会形成空洞，空洞的产生是由于医学图像本身阈值的差别造成的，因此要通过调节阈值范围或者编辑蒙板工具进行编辑，这样处理不影响后续计算。经过修补后，选取适当精度，对股骨干所在灰度值进行三维重建，导出三维打印所用的STL文件。

根据所需复合材料的孔隙率要求，对STL格式文件进行进一步地处理。调取图像，取犬股骨干中段平均直径，包括外圈直径14 mm，内圈直径8 mm。拉伸中空圆柱，长度设计为15 cm，沿长度方向阵列，作样条曲线，再画一个球切除实体，沿旋转阵列，用半球实体切割上平面，采用填充阵列。圆柱切割贯通整个实体，圆柱相交为90°，再延长度进行阵列。保存修改结果，导出STL文件。

1.4 光固化成型打印ZrO₂陶瓷

将犬股骨干CT扫描数据转化为STL文件并进一步加工处理后，导入至CeraFab 7500光固化三维打印机中。设置平面分辨率为40 μm（635 dpi），像素（X,Y）1920*1080，工作台大小（X,Y,Z）76 mm*43 mm*150 mm，层厚25 μm，曝光时间为1 s，开始打印层厚参数设置为10 μm。配制纳米级ZrO₂泥浆，加入光敏树脂，使ZrO₂与树脂质量比为15%，导入料桶。根据设定参数启动打印程序，通过LED紫外光源使树脂引起聚合反应，材料逐层固化成型，形成复合光敏树脂初胚。初胚形成后，对其进一步脱脂烧结处理，此过程中脱脂与烧结同时进行。具体步骤如下：（1）烘干及挥发阶段：从25℃至75℃，升温时间4 h，升温速度为0.208 K/min，保温时间6 h，使多余水分蒸发。进而继续上升温度直至500℃，其中上升到额定温度时其升温时间、升温速度及保温时间均有差异。（2）脱脂及高温烧结阶段：从500℃至1 250℃时,控制升温时间7.5 h，速度为1.677 K/min，温度至1 250℃后无需保温，继续上升温度至1 450℃，控制升温速度在3.333 K/min，耗时1 h，保温2 h。（3）冷却阶段：达到1 450℃的最高烧结温度后，再保温2 h，之后以-0.660 K/min进行冷却，耗时36 h至25℃。整个脱脂烧结过程共耗时120.5 h。

1.5 浸涂法制备HA/ZrO₂梯度复合材料

采取浸涂法制备HA/ZrO₂梯度复合材料。具体步骤如下：第一层浆料配比，31.1%纳米级ZrO₂粉末、13.3%纳米级HA粉末，53%双蒸水，1.4%磷酸乙酯，0.2%乙基纤维素。HA加热至800℃后保温2 h，备用，双蒸水加热至50℃，将上述材料混合导入双蒸水中，充分搅拌。将光固化成型的纯ZrO₂陶瓷浸入浆料中使其充分渗透，取出，甩去多余浆料。100℃电炉中烘干2h，再加热到900℃，保温5 h，最后加热到1 250℃，保温1 h。第二层浆料配比，3.9%纳米级ZrO₂粉末，35.5%纳米级HA粉末，58%双蒸水，磷酸乙酯与乙基纤维素配比不变，重复上述步骤。冷却后得到HA/ZrO₂梯度复合材料。

Claims

1.一种基于光固化3D打印技术个体化定制型的骨修复生物陶瓷支架材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下的步骤：

3）将STL文件导入至3D打印机中；

5）初胚形成后，按以下的步骤进行烧结：

6）设置纳米级HA粉末与纳米级ZrO₂粉末浆料配比，采取浸涂法制备HA/ZrO₂梯度复合材料；第一层浆料，纳米级HA粉末占浆料质量的百分比为10~15%，纳米级ZrO₂粉末占浆料质量的百分比为25~35%，第一层浆料完成后90~110℃电炉中烘干1.5~2.5h，再加热到850~950℃，保温4~6h，最后加热到1200~1300℃，保温0.8~1.5h；第二层浆料，纳米级HA粉末占浆料质量的百分比为30~40%，纳米级ZrO₂粉末占浆料质量的百分比为2~5%，第一层浆料完成后90~110℃电炉中烘干1.5~2.5h，再加热到850~950℃，保温4~6h，最后加热到1200~1300℃，保温0.8~1.5h；冷却后得到HA/ZrO₂梯度复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种基于光固化3D打印技术个体化定制型的骨修复生物陶瓷支架材料的制备方法，其特征在于：3D打印机打印时设置平面分辨率为40 μm，像素（X,Y）1920*1080，工作台大小（X,Y,Z）76 mm*43 mm*150 mm，层厚25 μm，曝光时间为1 s，开始打印层厚参数设置为10 μm。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光固化3D打印技术个体化定制型的骨修复生物陶瓷支架材料的制备方法，其特征在于第一层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

纳米级ZrO₂粉末 25~35%

纳米级HA粉末 10~18%

双蒸水 50~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

4.根据权利要求3所述的一种基于光固化3D打印技术个体化定制型的骨修复生物陶瓷支架材料的制备方法，其特征在于第一层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

纳米级ZrO₂粉末 30~32%

纳米级HA粉末 12~15%

双蒸水 50~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于光固化3D打印技术个体化定制型的骨修复生物陶瓷支架材料的制备方法，其特征在于第二层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

纳米级ZrO₂粉末 2~5%

纳米级HA粉末 30~40%

双蒸水 55~65%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

6.根据权利要求5所述的一种基于光固化3D打印技术个体化定制型的骨修复生物陶瓷支架材料的制备方法，其特征在于第二层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

纳米级ZrO₂粉末 3~4%

纳米级HA粉末 32~36%

双蒸水 56~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

7.权利要求1~5任意一项权利要求所述的方法制备得到的骨修复生物陶瓷支架材料。