CN108859127A - 骨移植物的3d打印 - Google Patents

Abstract

提供了计算机实现的生产骨移植物的方法。这些方法包括获得预期骨移植部位的3D图像；基于预期骨移植部位的3D图像生成骨移植物的3D数字模型，骨移植物的3D数字模型被配置为适配在预期骨移植部位的3D数字模型内；将所述3D数字模型存储在耦合到处理器的数据库上，所述处理器具有用于检索所存储的骨移植物的3D数字模型并用于基于所存储的3D数字模型将载体材料与骨材料一起、在骨材料中或在骨材料上进行组合以及用于指示3D打印机生产骨移植物的指令。还提供了由所述计算机实现的方法制备的分层式3D打印的骨移植物。

Description

骨移植物的3D打印

背景技术

三维(3D)打印是用于从数字模型制作三维固体对象的增材打印工艺。3D打印技术被认为是增材工艺，因为它们涉及连续材料层的应用。

3D打印技术被应用于各种行业以用于制造和规划。例如，汽车、航空航天和消费品行业使用3D打印来创建零件和产品的原型。3D打印也被用于建筑行业以打印结构模型。3D打印在私人和政府防御中的应用也在快速增长。

传统的3D打印允许通过一次一层地将材料沉积在平坦的制造平台上来创建对象。一旦沉积第一层，那么在第一层的顶部上沉积第二层。根据需要重复所述过程以创建多层压固体对象。但是，3D打印不允许连续挤出来创建对象。3D打印在用于制造用于修复骨缺损的骨移植物中也未被广泛认可。

骨缺损可能由许多不同的因素引起，包括但不限于创伤、病理性疾病或手术介入。由于骨骼既能提供生物体的稳定性，又能提供保护，因此这些缺损会成为问题。为了解决这些缺损，已经开发了含有天然和合成材料的组合物。取决于它们内包含的材料，这些组合物可用于修复组织并赋予骨缺损所需的生物和/或机械特性。

已知的骨修复材料和骨空隙填充剂是自体松质骨。这种骨类型具有骨诱导性和非免疫原性的优点。不幸的是，这种骨类型在所有情况下都不可用。此外，供体部位的发病率和创伤增加了自体松质骨的局限性。

通常，通过用骨移植物填充骨修复部位来实现骨组织再生。随着时间的推移，骨移植物被宿主并入，并且新骨重塑骨移植物。为了放置骨移植物，通常使用整体骨移植物或在载体中形成包含颗粒状骨的骨植入物。载体材料因此被选择为生物相容的、可再吸收的并且具有使骨移植物可接近的释放特征。通常，所形成的植入物无论是整体的还是颗粒状的并且在载体中，在植入时基本上是固体，因此不符合植入部位。此外，植入物在植入时基本上是完全的，因此提供很少的定制能力，例如通过添加或减去自体移植材料。

关于骨移植物，同种异体移植骨是自体骨的合理骨移植替代物。它很容易从尸体中获得，并且避免了与收获自体骨相关的手术并发症和患者发病率。同种异体移植骨基本上是包含交联胶原、羟基磷灰石和骨诱导性骨形态发生蛋白(BMP)的承重基质。人类同种异体移植骨被广泛用于骨科手术。

脱矿骨基质(DBM)也被认为是同种异体移植骨，即来自其它人的骨，其已经去除了无机矿物材料，留下有机胶原基质和诱导骨形成的BMP。DBM有利于骨诱导，但缺乏承重力。

传统的3D打印方法不允许通过在制造期间控制与载体材料一起、在载体材料中或在载体材料上的骨材料以形成期望的骨传导性、骨诱导性和/或成骨性骨移植物来制造定制骨移植物，所述骨移植物有助于流入和流出细胞以修复受损的骨。因此，需要一种计算机实现的生产具有期望的骨传导性、骨诱导性和/或成骨性的骨移植物的方法，其可以针对预期骨移植部位进行定制。

发明内容

本公开提供了一种生产定制骨移植物的系统和方法，所述定制骨移植物由可以用作3D打印机中的墨以产生任何期望形状的骨移植物的生物相容性材料制成。在一些实施例中，本公开还提供了一种生产定制骨移植物的系统和方法，所述定制骨移植物含有可在骨移植部位释放的生物活性剂。

在一些实施例中，存在用于生产骨移植物的计算机实现的方法。所述方法包含获得预期骨移植部位的3D图像；基于预期骨移植部位的3D图像生成骨移植物的3D数字模型，骨移植物的3D数字模型被配置为适配在骨移植部位内。所述方法还包括将3D数字模型存储在耦合到处理器的数据库上，处理器具有用于检索所存储的骨移植物的3D数字模型并用于基于所存储的3D数字模型将载体材料(例如生物可降解聚合物)与骨材料一起、在骨材料中或在骨材料上进行组合以及用于指示3D打印机生产骨移植物的指令。

根据其它方面，提供了一种分层式3D打印的骨移植物。在一些实施例中，分层式骨移植物包括第一层生物可降解聚合物、置于第一层生物可降解聚合物上的第二层骨材料、置于第二层上的第三层生物可降解聚合物，每层重复，直到3D打印机已完成分层式骨移植物。在其它实施例中，分层式3D打印的骨移植物包含与骨材料混合的第一层生物可降解聚合物；与骨材料混合的第二层生物可降解聚合物，第二层置于第一层上；与骨材料混合的第三层生物可降解聚合物，第三层置于第二层上；每层重复，直到3D打印机已完成分层式骨移植物。

根据其它实施例，提供了一种治疗有需要的患者的骨缺损的方法。在某些方面，所述方法包含将分层式3D打印的骨移植物施用于骨缺损，其中分层式3D打印的骨移植物包含第一层生物可降解聚合物、置于第一层生物可降解聚合物上的第二层骨材料、置于第二层上的第三层生物可降解聚合物，每层重复，直到3D打印机已完成分层式骨移植物。在其它方面，治疗方法包括施用分层式3D打印的骨移植物，其包含与骨材料混合的第一层生物可降解聚合物；与骨材料混合的第二层生物可降解聚合物，第二层置于第一层上；与骨材料混合的第三层生物可降解聚合物，第三层置于第二层上；每层重复，直到3D打印机已完成分层式骨移植物。

虽然公开了多个实施例，但是根据以下结合附图阅读的详细描述，本申请的其它实施例对于本领域技术人员将变得显而易见。显而易见，本公开能够在各种明显的方面进行修改，所有这些都不脱离本公开的精神和范围。因此，详细描述本质上被认为是说明性的而不是限制性的。

附图说明

部分地，关于以下描述、所附权利要求和附图，实施例的其它方面、特征、益处和优点将是显而易见的。

图1示出了根据本申请的一个方面的示例性3D打印装置的透视图。所述3D打印装置包括可旋转的打印表面以促进预定中空植入物的连续挤出。

图2示出了根据本申请的一个方面的示例性3D打印装置的组件的透视图。具体而言，示出了具有圆柱形形状的打印表面，其被配置成创建圆柱形的中空结构，如网袋。打印表面邻近和/或接触打印头。

图3示出了根据本申请的一个方面的示例性3D打印装置的组件的透视图。具体而言，示出了具有矩形横截面的打印表面，其被配置成创建矩形或方形的中空结构，例如网袋。

图4示出了根据本申请的一个方面的通过使用3D打印装置创建的示例性中空结构的透视图。所描绘的中空结构包括矩形横截面。

图5示出了根据本申请的一个方面的示例性3D打印装置的组件的透视图。具体而言，示出了打印表面的移动，而如施用器的打印头将材料连续地挤出至表面以形成网状图案。

图5A示出了根据本申请的一个方面的具有由3D打印装置形成的中空内部区域的网袋的透视图。

图5B示出了如图5A所示的在中空内部区域或隔室中含有成骨材料的网袋的透视图。

图6示出了根据本申请的一个方面的示例性3D打印装置的组件的侧视图。具体而言，示出了处理有待挤出到打印表面的材料的打印头。

图7示出了根据本申请的一个方面的示例性3D打印装置的组件的侧视图。具体而言，示出了辐射源，例如邻近打印头安装的激光器，以施加能量烧结或熔融从打印头排出的材料。

图8示出了用于生产如网袋的中空结构的计算机实现的系统的一个实施例。

图9是示出用于生产如网袋的中空结构的计算机实现的系统的一个实施例的流程图。

图10是示出通过使用具有旋转打印表面的3D打印机来生产如网状植入物或网袋的中空结构的系统的一个实施例的流程图。

图11是示出根据本申请的一个实施例的逻辑执行用于产生骨移植物的代表性步骤的流程图。

图12是示出根据本申请的一个实施例的逻辑执行用于产生骨移植物的代表性步骤的流程图。

图13示出了定制以适配预期骨移植部位的3D打印的骨移植物的一个实施例。

图14示出了显示本申请的3D打印的骨移植物的人股骨的视图，所述骨移植物被植入预期骨移植部位。

图15示出了人脊柱的局部视图，其示出了本申请的3D打印的盘状骨移植物被植入到预期骨移植部位，即椎间部位。

图16示出了本申请的3D打印的骨移植物的截面视图，其具有由聚合物层部分包围的同种异体移植组织，所述骨移植物定制成适配预期骨移植部位。

图17示出了本申请的3D打印的骨移植物的放大透视图，其具有由聚合物层部分包围的同种异体移植组织，所述骨移植物定制成适配预期骨移植部位。

应理解，这些图不是按比例绘制的。此外，图中对象之间的关系可能不是按比例的，并且实际上可能与大小具有相反的关系。这些图旨在帮助理解和明晰所示每个对象的结构，并且因此，为了说明结构的具体特征，可能放大一些特征。

具体实施方式

定义

出于本说明书和所附权利要求书的目的，除非另有指示，否则在本说明书和权利要求书中使用的表达成分的量、材料的百分比或比例、反应条件和其它数值的所有数字应理解为在所有情形下均由术语“约”修饰。类似地，当通过使用先行词“约”将数值表示为近似值时，应理解特定值形成所述值的+/-10％的另一个实施例。因此，除非有相反指示，否则在以下说明书和所附权利要求书中所示的数值参数是近似值，其可以根据本公开试图获得的期望特性而变化。至少，而不是试图限制等同原则应用于权利要求范围，每个数值参数至少应根据所报告的有效数字的数量和通过应用普通舍入技术来解释。此外，如说明书以及包括所附权利要求书中所使用，单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”包括复数形式，并且对特定数值的引用至少包括所述特定值，除非上下文另外明确规定。范围可以在本文中表达为从“约”或“近似”一个特定值和/或至“约”或“近似”另一个特定值。当表达这样的范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或至另一个特定值。

尽管阐述本申请的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但具体实例中所阐述的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地含有必然由它们各自测试测量中发现的标准偏差导致的某些误差。此外，本文公开的所有范围都应理解为涵盖其中包含的任何和所有子范围。例如，“1至10”的范围包括最小值1和最大值10之间(并且包括最小值1和最大值10)的任何和所有子范围，即，具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值的任何和所有子范围，例如5.5至10。

如本文所用，同种异体移植物是指从相同物种的供体获得但具有与受体不同的遗传组成的组织的移植物，作为两个人之间的组织移植物。

骨移植物可以具有置于骨移植物内或移植物上的生物活性剂。生物活性剂或生物活性化合物在本文中用于指改变、抑制、激活或以其它方式影响生物或化学事件的化合物或实体。例如，生物活性剂可以包括但不限于成骨或软骨形成蛋白或肽、抗AIDS物质、抗癌物质、抗生素、免疫抑制剂、抗病毒物质、酶抑制剂、激素、神经毒素、阿片类药物、安眠药、抗组胺剂、润滑剂、镇静剂、抗惊厥剂、肌肉松弛剂和抗帕金森病物质、抗痉挛剂和肌肉收缩剂(包括通道阻断剂)、缩瞳药和抗胆碱能剂、抗青光眼化合物、抗寄生虫和/或抗原生动物化合物、细胞-细胞外基质相互作用的调节剂(包括细胞生长抑制剂和抗粘附分子)、血管舒张剂、DNA、RNA或蛋白质合成抑制剂、抗高血压药、镇痛剂、退烧药、甾体和非甾体消炎剂、可乐定(clonidine)、他汀(statin)、骨形态发生蛋白、抗血管生成因子、血管生成因子、抗分泌因子、抗凝剂和/或抗血栓剂、局部麻醉剂、前列腺素、抗抑郁药、抗精神病物质、止吐药和成像剂。在某些实施例中，生物活性剂是药物。生物活性剂还包括RNA，如siRNA和破骨细胞刺激因子。在一些实施例中，生物活性剂可以是停止、去除或降低骨生长抑制剂活性的因子。在一些实施例中，生物活性剂是生长因子、细胞因子、细胞外基质分子或其片段或衍生物，例如细胞附着序列，如RGD。

如本文所用，生物相容性旨在描述材料在体内施用时不诱导不期望的长期效应。

生物可降解包括化合物或组分会随着时间的推移而被酶的作用、水解作用和/或人体内的其它类似机制降解。在各种实施例中，“生物可降解”包括当细胞(例如骨细胞)渗透组分并允许修复缺损时组分可在体内分解或降解成无毒组分。“生物可降解”是指化合物或组分会随时间蚀解或降解，至少部分是由于与周围组织中发现的物质、流体或细胞作用接触。“生物可吸收”是指化合物或组分将在人体内被例如细胞或组织分解和吸收。“生物相容性”是指化合物或组分不会在靶组织部位引起实质性组织刺激或坏死和/或不会致癌。

如本文所用，骨是指自体、同种异体、异种或转基因来源的皮质骨、松质骨或皮质松质骨。

如本文所用，骨移植物是指根据本文所述实施例制备的任何植入物，并且因此可以包括如骨材料和骨膜的表达。

如本文所用，脱矿是指通过从组织(例如骨组织)去除矿物材料而产生的任何材料。在某些实施例中，可以将脱矿骨材料添加到骨移植物中。本文所述的脱矿骨材料包括含有小于5重量％、4重量％、3重量％、2重量％或1重量％钙的制剂。部分脱矿骨(例如具有大于5重量％钙但含有小于100％的钙的原始起始量的制剂)也被认为在本公开的范围内。在一些实施例中，部分脱矿骨含有大于5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或99％的钙的原始起始量的制剂。在一些实施例中，脱矿骨具有小于95％的其原始矿物质含量。在一些实施例中，脱矿骨具有小于95％、90％、85％、80％、75％、70％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％或5％的其原始矿物质含量。脱矿意图涵盖如“基本上脱矿”、“部分脱矿”、“表面脱矿”和“完全脱矿”之类的表述。在一些实施例中，骨的部分或整个表面可以被脱矿。例如，骨材料的部分或整个表面可以被脱矿达到约100至约5000微米，或约150微米至约1000微米的深度。在一些实施例中，骨材料的部分或全部表面可以被脱矿达到约100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1000、1050、1100、1150、1200、1250、1300、1350、1400、1450、1500、1550、1600、1650、1700、1750、1800、1850、1900、1950、2000、2050、2100、2150、2200、2250、2300、2350、2400、2450、2500、2550、2600、2650、2700、2750、2800、2850、2900、2950、3000、3050、3100、3150、3200、3250、3300、3350、3400、3450、3500、3550、3600、3650、3700、3750、3800、3850、3900、3950、4000、4050、4100、4150、4200、4250、4300、4350、4400、4450、4500、4550、4600、4650、4700、4750、4800、4850、4900、4950至约5000微米的深度。如果需要，骨空隙填充剂可以包含脱矿材料。

部分脱矿骨旨在指具有大于5重量％钙但含有小于100％的钙的原始起始量的制剂。在一些实施例中，部分脱矿骨包含5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98和/或99％的钙的原始起始量。

在一些实施例中，脱矿骨可以表面脱矿约1-99％。在一些实施例中，脱矿骨是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98和/或99％表面脱矿的。在各种实施例中，脱矿骨可以表面脱矿约15-25％。在一些实施例中，脱矿骨是15、16、17、18、19、20、21、22、23、24和/或25％表面脱矿的。

如本文所用，脱矿骨基质(DBM)是指通过从骨组织去除矿物材料而产生的任何材料。在一些实施例中，如本文所用的DBM组合物包括含有小于5重量％钙且在一些实施例中小于1重量％钙的制剂。在一些实施例中，DBM组合物包括含有小于5、4、3、2和/或1重量％钙的制剂。在其它实施例中，DBM组合物包含部分脱矿骨(例如具有大于5重量％钙但含有小于100％的钙的原始起始量的制剂)。

如本文所用，骨传导性是指物质充当骨可以沿其生长的模板或物质的能力。

如本文所用，成骨是指含有能够分化成骨组织的活细胞的材料。

如本文所用，骨诱导性是指能够从宿主募集具有刺激新骨形成潜力的细胞的品质。任何能够诱导动物软组织中异位骨形成的材料都被认为是骨诱导性的。例如，大多数骨诱导性材料在根据Edwards等人,“人类脱矿骨的骨诱导：在大鼠模型中表征(Osteoinduction of Human Demineralized Bone:Characterization in a RatModel),”《临床骨科和相关研究(Clinical Orthopaedics&Rel.Res.)》,357:219-228,1998年12月的方法分析时在无胸腺大鼠中诱导骨形成，所述文献以引入的方式并入本文中。

骨植入物在本文中以其最广泛的含义使用，并且不旨在限于任何特定的形状、尺寸、构造、组成或应用。骨植入物是指用于植入的任何装置或材料，其有助于或加强骨形成或愈合。骨植入物可以包括用于促进或支持骨愈合的任何材料，如同种异体移植物、异种移植物或合成材料。骨植入物可以是均质的或非均质的。通常将骨植入物应用于骨缺损部位，例如由于损伤、手术过程中引起的缺损、感染、恶性肿瘤、炎症或发育畸形所引起的骨缺损部位。骨植入物可以用于各种矫形外科、神经外科、牙科、口腔颌面外科手术，如修复简单和复合骨折和不愈合、外部和内部固定、关节重建，如关节固定术、一般关节成形术、缺损填充、椎间盘切除术、椎板切除术、前颈椎和胸椎手术或脊柱融合。

DBM制剂已被用于骨科医学多年以促进骨的形成。例如，DBM已被发现用于修复骨折、融合椎骨、进行关节置换手术以及治疗由于潜在疾病如骨肿瘤引起的骨质破坏。已经显示DBM通过骨传导和骨诱导过程在体内促进骨形成。植入的DBM组合物的骨诱导作用源于存在分离的基于胶原的基质上所存在的活性生长因子。这些因子包括TGF-R、IGF和BMP蛋白家族的成员。骨诱导因子的具体实例包括TGF-β、IGF-1、IGF-2、BMP-2、BMP-7、甲状旁腺激素(PTH)和血管生成因子。其它骨诱导因子如骨钙蛋白和骨桥蛋白也可能存在于DBM制剂中。DBM中也可能存在其它未命名或未发现的骨诱导因子。

如本文所用，表面脱矿是指骨衍生元件具有其原始无机矿物含量的至少约90重量％。在一些实施例中，表面脱矿含有其原始无机材料的至少约90、91、92、93、94、95、96、97、98和/或99重量％。如本文所用，表述“完全脱矿”是指骨含有其原始矿物含量的小于8％。在一些实施例中，完全脱矿含有其原始矿物含量的约小于8、7、6、5、4、3、2和/或1％。

应用于本申请的DBM纤维的表述“平均长度与平均厚度比”是指纤维的最长平均尺寸(平均长度)与其最短平均尺寸(平均厚度)之比。这也被称为纤维的“纵横比”。

如本文所用，纤维状是指纤维的平均长度与平均厚度比或纵横比为约50:1至约1000:1的骨元件。在一些实施例中，纤维的平均长度与平均厚度比或纵横比为约50:1、75:1、100:1、125:1、150:1、175:1、200:1、225:1、250:1、275:1、300:1、325:1、350:1、375:1、400:1、425:1、450:1、475:1、500:1、525:1、550:1、575:1、600:1、625:1、650:1、675:1、700:1、725:1、750:1、775:1、800:1、825:1、850:1、875:1、900:1、925:1、950:1、975:1和/或1000:1。在整体外观上，纤维状骨元件可以被描述为骨纤维、细线、窄条或薄片。通常，在生产薄片的地方，它们的边缘倾向于彼此卷起。纤维状骨元件的外观可以基本上是线性的，或者它们可以卷绕成类似于弹簧。在一些实施例中，骨纤维具有不规则形状，包括例如线形、蛇形或弯曲形状。骨纤维优选是脱矿的，然而当特定实施例需要时，可以保留一些原始矿物质含量。在各种实施例中，骨纤维被矿化。在一些实施例中，纤维是脱矿和矿化的组合。

如本文所用，非纤维状是指平均宽度基本上大于纤维状骨元件的平均厚度或纵横比小于约50:1至约1000:1的元件。非纤维状骨元件可以基本上规则的方式或特定的构造成形，例如三棱柱、球体、立方体、圆柱体和其它规则形状。相反，如碎片、碎屑或粉末之类的粒子具有不规则或随机的几何形状。应理解，在本申请的元件的制造中会发生尺寸上的一些变化，并且展示这种尺寸上的变化性的元件在本申请的范围内，并且旨在在本文中被理解为处于由“大部分不规则”和“大部分规则”表述建立的边界内。

根据本申请的骨植入装置和方法增加了装置中的DBM含量，增加了DMB的表面积并且将DBM均匀地分布在整个递送装置中以在递送装置植入骨缺损处时增强骨生长。所提供的骨植入装置和方法通过减少可能存在于DBM粒子之间的间隙来增强骨骼生长，并且减少细胞(例如破骨细胞、成骨细胞等)在整个装置中行进的距离，以允许那些细胞接收足够的骨诱导信号，而不是仅沿着装置的表面。在一些实施例中，所述装置改善了相邻棘突间融合。

缩写“DLG”是指聚(DL-丙交酯-共-乙交酯)。

缩写“PDL”是指聚(DL-丙交酯)。

缩写“PLG”是指聚(L-丙交酯-共-乙交酯)。

缩写“PCL”是指聚己内酯。

缩写“DLCL”是指聚(DL-丙交酯-共-己内酯)。

缩写“LCL”是指聚(L-丙交酯-共-己内酯)。

缩写“PPG”是指聚乙交酯。

缩写“PEG”是指聚(乙二醇)。

缩写“PLGA”是指聚(丙交酯-共-乙交酯)，也称为聚(乳酸-共-乙醇酸)，是可互换使用。

缩写“PLA”是指聚丙交酯。

缩写“PEA”是指聚(酯)酰胺。

缩写“POE”是指聚(原酸酯)。

术语“三维打印系统”、“三维打印机”、“打印”描述了用于通过选择性沉积、喷射、熔融沉积成型、多喷射成型以及本领域中目前已知的或者将来可能已知的使用构建材料或墨来制造三维对象的其它增材制造技术制造三维物体或对象的各种实体自由形式制造技术。

现在将详细参考本发明的某些实施例，其实例在附图中示出。虽然本发明将结合示出的实施例进行描述，但应理解，它们并不意图将本发明限制于那些实施例。相反，本发明旨在覆盖可以包括在由所附权利要求书限定的本发明内的所有替代方案、修改和等同物。

根据一个方面，提供了一种3D打印骨移植物递送装置，包含：用于在手术部位诱导骨生长的多孔生物可降解的移植体，所述多孔生物可降解的移植体具有安置在所述多孔生物可降解体内的脱矿骨基质(DBM)纤维以及安置在DBM纤维附近、之上或之中的DBM粉末，其中所述多孔生物可降解的移植体促进细胞转移进出多孔多孔生物可降解的移植体以诱导手术部位的骨生长。

3D打印装置

提供了用于在一些实施例中形成如网状植入物或网袋的中空结构的3D打印装置和使用方法。还提供了3D打印装置，包括可旋转的打印表面以创建这样的中空结构，或者在一些实施例中是实心结构。还提供了用于通过连续挤出而不是分层来3D打印到可旋转的打印表面上的装置和方法。此外，提供了用于创建具有牢固、柔性、可拉伸和生物相容性的网状设计的结构的装置和方法。

现在转向图1-7，提供了用于制造中空结构如网袋70(例如网袋或网状植入物)的3D打印装置10。3D打印通常在2个维度上进行，一次一层。材料布置在平坦的表面上，并且三维结构是通常通过熔融或烧结工艺一次一层建立的。在一些实施例中，提供具有可旋转的打印表面的3D打印机以允许打印中空结构，例如网袋。在一些实施例中，打印头通过连续挤出而不是如传统3D打印装置进行的那样分层来将材料施加到打印表面。在一些实施例中，3D打印装置创建比传统3D打印装置更强的结构并产生更少的浪费。

如图1所示，提供了用于制造网袋70的3D打印装置10。3D打印装置10包括具有基座16和打印表面12的工作台14。在一些实施例中，打印表面12被安装到包括基座16的工作台14上。基座16被配置成平面移动。在一些实施例中，基座16可在x-y平面内移动并且可在x轴和y轴两侧横向移动，以精确定位打印表面12。在一些实施例中，打印表面12与工作台14固定地安置，使得基座16的横向移动引起打印表面12的横向移动。如本文所讨论，基座16的移动允许打印表面12相对于打印头30定位，以便于将材料沉积到打印表面12上。

打印表面12可围绕旋转轴线旋转，如图2和3所示。在一些实施例中，旋转打印表面12包括沿着纵向轴线延伸的圆柱形形状，如图2所示。表面12可以沿着B旋转。当植入物呈现打印表面12的形状时，这允许打印具有中空区域的圆形或环形植入物。线72可以包括均匀安置在线72中的骨材料74(例如DBM粒子、同种异体移植组织粒子、皮质骨粒子等)。

在一些实施例中，打印表面12包括其它横截面形状，例如矩形、椭圆形、多边形、不规则形、波浪形或叶状。例如，如图3所示，打印表面12可以具有沿着纵向轴线延伸的矩形横截面。表面12可以沿着B旋转。这允许正方形或矩形植入物的打印，随着打印表面旋转，植入物将呈现打印表面的形状。在替代实施例中，打印表面12沿其整个长度包括均匀的直径和/或横截面。在其它实施例中，打印表面12沿其长度包括变化的直径或横截面。例如，在一些实施例中，从打印表面12的一端到另一端，直径可以增加。在一些实施例中，从一端到另一端，打印表面12的横截面变化。例如，打印表面12的一端可以具有圆形的横截面，而相对的端部可以具有矩形的横截面。打印表面12的尺寸和形状可以根据特定医疗程序的规格和需要而改变。在一些实施例中，网袋70被打印到打印表面12上，在网袋中，另一对象(例如骨材料(例如表面脱矿骨碎片和完全脱矿骨纤维))可以放置在中空区域或隔室内。打印表面12的形状限定了所创建的中空结构的形状。如图2所示，所创建的网袋70的形状是圆柱形的。如图4所示，所创建的网袋70的形状是中空的矩形棱柱的形状。线72可以包括均匀安置在线72中的骨材料74(例如DBM粒子、同种异体移植组织粒子、皮质骨粒子等)。

如本文所讨论，打印表面12可围绕由延伸轴20限定的轴线的旋转而旋转。在各种实施例中，打印表面12可沿顺时针或逆时针方向旋转。在各种实施例中，打印表面12沿顺时针和逆时针方向均可旋转，如图2和3中的箭头B所示。如本文所讨论，打印表面12被配置为在整个制造中空结构(例如网袋70)的过程中多次改变旋转方向。例如，打印表面12可以沿着旋转轴线顺时针和/或逆时针旋转360度以打印植入物。

在一些实施例中，打印表面12可在展开构造和折叠构造之间移动。在一些实施例中，当处于展开构造时，材料40(其可以是生物可降解聚合物)被沉积到打印表面12上，并且打印表面12被移动到折叠构造以去除打印的中空结构。打印头30可以接触打印表面12，或者可以在打印表面12和打印头30之间存在间隙，使得材料40可以被打印在打印表面12上。

在一些实施例中，打印表面12经由安装托架18与工作台14固定地安置。安装托架18可以包括用于保护的覆盖物15。在一些实施例中，安装托架18包括马达以提供旋转力以移动打印表面12。在一些实施例中，安装托架18连接到延伸轴20。打印表面12在打印表面12的第一端连接到延伸轴20。延伸轴20限定用于打印表面12的旋转轴线并且经由夹头22连接到安装托架18。在一些实施例中，夹头22可扩张以松开延伸轴20上的抓握部。这允许将延伸轴20和打印表面12更换为另一个打印表面12，其尺寸和/或形状可以不同以适应特定程序的需要。

在一些实施例中，3D打印装置10进一步包括打印头30，例如可沿横向于基座16的移动平面的方向移动的施用器。在一些实施例中，打印头30可在z轴上移动，如图1中的箭头A₁所示，允许使用不同尺寸的夹具、不同的表面结构和控制挤出层的厚度。因此，打印头30可移动以具有距打印表面12的可调距离。另外，打印头30可移动以适应具有各种直径的打印表面或具有梯度直径的打印表面。在一些实施例中，打印头30也可在与用于基座16的移动平面平行的x和y平面中移动。因此，在一些实施例中，打印头30可以在与打印表面12的移动相反的方向上移动，以便于更快的打印。在一些实施例中，打印头30从轨道35悬挂。轨道35为打印头30提供支撑的基座。在一些实施例中，轨道35为打印头30在如C所示的方向上提供了允许移动的预定路线。在一些实施例中，轨道35是中空的以允许材料40的流动被递送到打印表面12，如本文所述。

在一些实施例中，打印表面12用粘合剂材料处理。粘合剂材料可以被纹理化或涂布到打印表面12上。如本文所讨论，当打印表面12被加热时，粘合剂可以是热敏或热激活的，使得打印表面12变得与材料40粘合。粘合剂涂层有助于防止打印材料40在旋转过程中从打印表面12脱落。在一些实施例中，粘合剂通过冷却而失活。在一些实施例中，可以通过将打印表面12放置在溶剂中以溶解粘合剂材料来去除粘合剂。一旦粘合剂材料被去除，可以去除打印到打印表面12上的中空结构。

如图1和6所示，打印头30包括远端开口32，材料40通过所述远端开口沉积在打印表面12上。打印头30的管部分31包括第一直径并且向远端延伸到具有第二直径的头部分33。在一些实施例中，第二直径小于第一直径。在各种实施例中，材料40包括生物可降解聚合物。在一些实施方案中，材料40包含生物可蚀解的、生物可吸收的和/或生物可降解的生物聚合物。合适的生物聚合物的实例包括但不限于聚(α-羟基酸)、聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLGA)、聚丙交酯(PLA)、聚乙交酯(PG)、聚乙二醇(PEG)、聚(α-羟基酸)的缀合物、聚(原酸酯)(POE)、聚阿司匹林、聚磷腈、胶原、淀粉、预糊化淀粉、透明质酸、壳聚糖、明胶、藻酸盐、白蛋白、纤维蛋白、维生素E化合物(如α-生育酚乙酸酯、d-α-生育酚琥珀酸酯)、D,L-丙交酯或L-丙交酯、己内酯、葡聚糖、乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇(PVA)、PVA-g-PLGA、PEGT-PBT共聚物(polyactive)、PEO-PPO-PAA共聚物、PLGA-PEO-PLGA、PEG-PLG、PLA-PLGA、泊洛沙姆407、PEG-PLGA-PEG三嵌段共聚物、SAIB(乙酸异丁酸蔗糖酯)或其组合。在各种实施例中，材料40包含聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLGA)、聚丙交酯(PLA)、聚乙交酯(PGA)、D-丙交酯、D,L-丙交酯、L-丙交酯、D,L-丙交酯-共-ε-己内酯、D,L-丙交酯-共-乙交酯-共-ε-己内酯、L-丙交酯-共-ε-己内酯或其组合。

如图6所示，打印头30包括内腔34和中央进给轴36。进给轴36被配置成转动进给螺纹38以通过开口32从打印头30的近端供给材料40。材料40保持在外部储存器(未示出)中并且被供给到内腔34中。在一些实施例中，材料40通过重力被驱动到内腔34中。在一些实施例中，通过转动进给轴36和进给螺纹38将材料40拉入内腔34。在一些实施例中，3D打印装置包括多个打印头30，每个打印头配置成将材料40沉积到打印表面12上。

在一些实施例中，如图1所示，3D打印装置10还包括温度控制单元50，例如连接到打印表面12的加热或冷却单元。在一些实施例中，温度控制单元50包括加热单元。在其它实施例中，温度控制单元50包括冷却单元。在一些实施例中，温度控制单元50用于通过打印表面12的表面下方的电加热元件加热打印表面12。可以通过这种电导管提供足够的能量以在打印表面12的表面上提供温度以熔融并粘合从打印头30施用的材料40。在这样的实施例中，如图1所示，导管52是电加热导管。在一些实施例中，在材料40包含高粘性材料的情况下，加热的打印表面12允许材料40流动。在其它实施例中，材料40在储存器37中被加热或冷却以允许材料40的期望的流动性或粘度来制造植入物。

在一些实施例中，温度控制单元50包含冷却单元。冷却单元用于通过打印表面12下方的制冷剂供应和回流管线来冷却打印表面12。在这样的实施例中，供应和回流管线是导管52。导管52将冷却流体供应到打印表面12以冷却和固化挤出到表面上的热材料40。在替代实施例中，储存器37可以具有冷却和加热单元以允许材料40的冷却或加热。

根据一些方面，3D打印装置10包括辐射源，其被配置成供应能量并将能量传递到施用于表面的至少一部分粉末(例如聚合物材料)。在一些实施例中，辐射源是定位在打印头30附近的激光器60。激光器60铰接，使得供应的光束可以聚焦在打印表面12的选定部分上。如图7所示，激光器60被配置成在打印头30将材料40(例如聚合物材料)沉积到打印表面12上期间或之后使用。激光束60聚焦在打印表面12上的部分材料40上，以根据需要熔融或烧结材料40。一旦打印的中空结构完成，它可以从留在打印表面12上的残余粉末状材料40中去除，或者将残余粉末状材料40擦掉。在一些实施例中，激光器60聚焦在邻近开口32的点处以在材料沉积到打印表面12上时烧结材料40。由于挤出到打印表面12上的大部分材料40被烧结，所以这类实施例可以有助于消除浪费。

在一些实施例中，激光器60可以包括可见光或UV光的任何波长。在一些实施例中，激光器60发射可选形式的辐射，例如微波、超声波或射频辐射。在一些实施例中，激光器60被配置成聚焦在打印表面12的一部分上以烧结沉积在上面的材料40。激光器60可以小直径的光束发射。例如，光束的直径可以在约0.01mm与约0.8mm之间。在一些实施例中，光束的直径可以在约0.1mm与约0.4mm之间。在一些实施例中，光束的直径是可调节的，以定制烧结强度。在一些实施例中，材料40被沉积在打印表面12上，并且打印头30通过例如加热材料40从打印表面12去除不需要的材料40以制造植入物。在去除不需要的材料40之后留在打印表面12上的材料40将是植入物。

在其它方面，如图8所示，3D打印装置10包括控制器或处理器102，以接受指令并基于指令自动制造中空结构，例如网袋70。在一些实施例中，处理器102包括用于临时或永久存储指令的存储器100。各种指令可以被编程并存储在存储器100中以制造网袋70和/或网袋70的网罩的多种设计。在一些实施例中，3D打印装置10包括输入装置106，例如用于输入命令和指令的键盘。在一些实施例中，3D打印装置10的处理器102被配置成从外部计算机接收命令和指令。例如，可以在外部计算机上本地存储和执行各种指令以操作3D打印装置10。在一些实施例中，计算机和3D打印装置10可以是具有组成部件的单个装置。

在一些实施例中，处理器102包括执行一个或多个指令以执行计算机系统的指令(例如向3D打印机发送指令等)的逻辑。用于执行指令的逻辑可以被编码在一个或多个有形介质中以供处理器102执行。例如，处理器102可以执行存储在如存储器100的计算机可读介质中的代码。计算机可读介质可以存储在例如电子(例如RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、磁性、光学(例如CD(光盘)、DVD(数字视频光盘))、电磁、半导体技术或任何其它合适的介质中。

在一些实施例中，指令包括有待制造的网袋70的尺寸。例如，指令可以包括关于网袋70的长度和厚度的编程。处理器102通过在材料40被施用到打印表面12时引起基座16相对于打印头30的移动来执行指令。另外，根据指令中的预定规格，处理器102可以引起打印头30沿远离打印表面12的方向移动，以允许更厚的材料层40。在一些实施例中，处理器102被配置成提供单层材料40以制造网袋70。沉积到打印表面12上的材料层40可以具有均匀的厚度或可以包括不同的厚度，如在网袋70的整个长度上的厚度梯度。在一些实施例中，网袋70的尺寸可以在约1cm至约1m长度范围内，或约3cm至约8cm长度范围内，约2mm至约30mm厚度范围内，或约2mm至约10mm厚度范围内，以及约2mm至约30mm宽度范围内，或约2mm至约10mm宽度范围内。

一旦处理器102接收到指令，处理器102就基于所接收的指令指示3D打印装置10制造网袋70。在一些实施例中，处理器102引导基座16和打印表面12的横向移动以及打印头30横向于基座16和打印表面12的移动。在一些实施例中，处理器102还控制打印表面12的旋转方向、旋转程度和旋转速度。在一些实施例中，处理器102移动、聚焦并引导激光器60在打印表面12上的预定点处发射辐射。在一些实施例中，处理器102引导温度控制单元50加热或冷却打印表面12。基于接收到的指令，处理器102协调基座16、打印表面12和打印头30相对于彼此的同时和/或有序的移动。处理器102还控制将材料40施用到打印表面12上。例如，处理器102引导材料40释放到打印表面12上的压力。处理器102还将施用图案引导到打印表面12上，包括材料40未施用到打印表面12以减少浪费的部分。处理器102还可以引导激光器60以受控的脉冲发射辐射(例如聚焦光束)以烧结打印表面12上的材料40的预选部分。

在一些实施例中，处理器102引导控制至少基座16、打印表面12和打印头30相对于彼此的移动和旋转的马达。在一些实施例中，处理器102引导3D打印装置10的组件的粗略和/或精细移动。

尽管图8的系统的组件显示为分开的，但是它们可以组合在一个或多个计算机系统中。事实上，它们可能是驻留在(或分布在)一个或多个本地或远程计算机系统中的一个或多个硬件、软件或混合组件。还应该显而易见的是，如本文所述的系统的组件可以仅仅是逻辑构造或例程，其被实现为以物理组件的形式组合或进一步分离成各种不同的组件，共享不同的资源(包括处理单元、存储器、时钟装置、软件例程、逻辑命令等)，如所公开的实施例的特定实现所需要的。实际上，甚至执行存储在制品(例如记录介质或其它存储器单元)上的程序以产生本文中提到的功能的单个通用计算机(或其它处理器控制的装置)也可以用来实现所示出的实施例。还应理解，可以使用多个计算机或服务器来使得系统成为基于网络的系统，所述系统具有通过网络或互联网相互连接的多个计算机，或者多个计算机可以彼此连接以通过云计算机或在数据投递箱中传输、编辑和接收数据。

计算机(例如存储器、处理器、存储组件等)可以由授权用户访问。授权用户可以包括至少一名工程师、技术人员、外科医生、医生、护士和/或医疗保健提供者、制造商等。

用户可以经由用户界面与计算机进行交互，所述用户界面可以包括一个或多个显示装置104(例如CRT、LCD或其它已知显示器)或其它输出装置(例如打印机等)以及一个或多个输入装置(例如键盘、鼠标、触控笔、触摸屏界面或其它已知的输入机构)，以便于用户通过用户界面与系统进行交互。用户界面可以直接耦合到数据库或者经由互联网、Wi-Fi或云计算直接耦合到网络服务器系统。根据一个实施例，提供一个或多个用户界面作为所示系统的一部分(或与其结合)以允许用户与系统进行交互。

用户界面装置可以被实现为含有显示器104等的图形用户界面(GUI)，或者可以是到本领域中已知的其它用户输入/输出装置的链接。多个装置(例如网络/独立计算机、个人数字助理(PDA)、WebTV(或其它互联网专用)终端、机顶盒、蜂窝电话、屏幕电话、寻呼机、黑莓、智能电话、iPhone、iPad、桌面、对等/非对等技术、信息亭或其它已知(有线或无线)通信装置等)中的各个装置可以类似地用于执行一个或多个计算机程序(例如通用互联网浏览器程序、专用接口程序等)以允许用户以所描述的方式与系统进行交互。可以开发数据库硬件和软件，供用户通过个人电脑、大型机和其它基于处理器的装置访问。用户可以访问本地存储在硬盘驱动器、CD-ROM上，通过局域网存储在网络存储装置上，或通过一个或多个不同的网络路径(例如Internet)存储在远程数据库系统中的数据。

数据库可以存储在存储装置或系统(例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动器(HDD)、软盘驱动器、zip驱动器、光盘ROM、DVD、磁泡存储器、闪存驱动器、独立磁盘冗余阵列(RAID)、网络可访问存储(NAS)系统、存储区域网络(SAN)系统等)。CAS(内容寻址存储器)也可以是嵌入CPU内或与一个或多个其它组件共享的一个或多个存储器装置，并且可以相对于与存储器或一个或多个模块交互的一个或多个组件进行本地或远程部署。数据库可以包括数据存储装置、用于将来自用户或其它计算机的信息收集到集中式数据库中的收集组件、用于跟踪接收和输入的信息的跟踪组件、用于在数据库或其它数据库中搜索信息的搜索组件、接收来自用户界面的特定查询的接收组件以及访问集中式数据库的访问组件。接收组件被编程为从多个用户中的一个接收特定查询。数据库还可以包括处理组件，用于针对含有由收集装置收集的各种信息的数据存储装置搜索和处理接收到的查询。

在一些实施例中，所公开的系统可以是基于计算机网络的系统。计算机网络可以采用任何有线/无线形式的已知连接技术(例如企业或个人LAN、企业WAN、内联网、互联网、Wi-Fi、虚拟专用网络(VPN)、网络系统的组合等)以允许服务器向/从其它位置(例如其它远程数据库服务器、远程数据库、网络服务器/用户界面等)提供本地/远程信息和控制数据。根据一个实施例，网络服务器可以通过一系列远程且不同的网络(例如互联网、Wi-Fi、内联网、VPN、电缆、特殊高速ISDN线路等)为一个或多个用户服务。网络可以包含用于接收数据、将数据传输到其它网络装置以及将接收到的数据转发到系统的内部组件(例如3D打印机、打印头等)的一个或多个接口(例如卡、适配器、端口)。

根据本申请的一个实施例，数据可以一种或多种文本/图形格式(例如RTF、PDF、TIFF、JPEG、STL、XML、XDFL、TXT等)下载，或者设置用于以任何期望的格式(例如打印、在电子媒体和/或如CD-ROM的计算机可读存储介质上的存储等)向一个或多个指定位置(例如通过电子邮件)的替代递送。用户可以在用户界面处查看搜索结果和底层文档，这允许在同一显示器104上观看一个或多个文档。

网状配制品

在图5中，网袋70正在被打印。在一些实施例中，网袋70由从打印头30挤出的材料形成。网袋70包含直接挤出到打印表面上的线72的系统。线72可以各种图案挤出，并且可以根据特定应用的要求来确定尺寸。例如，线72可以从打印头30以编织图案挤出，其中线72彼此交织，使得每个线72交替地交织在相邻线72上方和下方。在其它实施例中，线72可以其它方式挤出。例如，线72的水平排可以在第一步骤中被挤出，并且在第二步骤中，线72的垂直排可以被挤出在水平排的顶部上。线72可以包括均匀安置在线72中的骨材料74(例如DBM粒子、同种异体移植组织粒子、皮质骨粒子等)。用于制造线72的材料(例如生物可降解聚合物)和骨材料74可以组合成一个打印头或在分离的打印头中，然后一起打印或单独打印，直到形成网袋70。如激光的辐射源可以被配置成将挤出的排烧结在一起以形成网袋70。

在如图5A所示的一些实施例中，完全打印的网袋70形成为具有由线72形成的连续表面75。网袋70包括相反定位的端部77和79。由于网袋70被3D打印以允许连续制造，因此在这些端部没有密封。不是通过3D打印制造的网袋70将在袋子的四个角落中的三个上具有密封。在3D打印网袋70的一个实施例中，网袋70的底端73是唯一一个密封的，使得内容物不会掉出。在其它实施例中，端部71打开以允许将骨材料放置到网袋70的中空区域或隔室81中。端部71允许进入网袋70的中空区域或隔室81中，骨材料置于其中；然后将植入物放置在骨缺损处并且网袋70允许骨诱导因子离开网袋70并允许骨细胞流入网袋70。网袋70是多孔的，以允许材料的流入和流出。

在图5B中，网袋70的中空区域或隔室81显示为具有网袋70的端部71。通过手动或经由自动化程序用骨粒子83(例如表面脱矿碎片和完全脱矿纤维)填充网袋70以用于增强骨生长。计算机系统可以具有传感器以确定用骨材料填充网袋70的适当水平。

在一些实施例中，打印表面12的尺寸允许打印具有与打印表面12(例如圆形、矩形、方形等)相对应的不同尺寸和形状的网袋70。打印表面12的旋转在图2和3如B所示，允许植入物(例如网袋70)连续地打印，从而降低了对植入物的中空区域进行密封的需求。计算机系统可以计算覆盖物的适当体积、长度、宽度和厚度以匹配隔室和/或网袋70的体积、长度、宽度和厚度。

在一些实施例中，网袋70是柔性的，使得其可以被平坦地包装并且其在相对定位的端部77和79之间延伸。在一些实施例中，网袋70在相对定位的端部77和79之间形成圆柱形。

线72可以被配置成允许细胞向内生长同时还将成骨材料保持在网袋70的隔室81内。在一些实施例中，打印头30被配置成挤出具有预定厚度的线72。在一些实施例中，线72的厚度是约0.01mm至约2.0mm。在一些实施例中，线72的厚度是约0.05mm至约1.0mm，或约0.1至约0.5mm。线72的厚度可以沿着每条线的长度是均匀的，或者可以在每条线的长度上变化。在一些实施例中，一些线72具有比网袋70中的其它线72更大的厚度。线72的尺寸可以设定为允许线72之间的可定制的孔径。在一些实施例中，多孔网袋70被配置成便于转移手术部位周围的物质和/或材料。在植入手术部位时，网袋70可以参与、控制或以其它方式调节，或者可以允许网袋70被周围的材料(如细胞或组织)穿透。

在各种实施例中，网袋70可以根据特定应用的需要来确定尺寸。例如，网袋70可以包括直径在约1mm至约100mm之间的尺寸，如图5B中的W所示。在一些实施例中，网袋70包括如图5B中所示的直径D1，其为约5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm或100mm。在一些实施例中，网袋70包括如图5B中的L1所示的约0.1cm至约10厘米的长度或深度。在一些实施例中，网袋70包括约1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm或10cm的长度或深度。用户可以选择所需的尺寸，并且计算机系统可以根据选择打印植入物。

在各种实施例中，基于前述尺寸，可以容易地计算3D打印的管状网袋70的体积。例如，在一些实施例中，具有0.5cm直径和0.1cm长度的3D打印的管状网袋70将提供0.02cc的体积。在其它实施例中，具有1cm直径和1cm长度的3D打印的管状网袋70将提供0.79cc的体积。在其它实施例中，具有1.5cm直径和3cm长度的3D打印的管状网袋70将提供5.3cc的体积。

在一些实施例中，线72以具有交替的峰部和顶部的波状构造被挤出到打印表面12上。在一些实施例中，打印表面12以顺时针和逆时针方向交替旋转，同时材料40被挤出到表面上以在峰部和顶部上形成具有均匀形状曲线的正弦形波。在一些实施例中，波的峰部和顶部被指向赋予网袋70可变的特性。在一些实施例中，线72彼此相邻地挤出，使得第一条线72的峰部被挤出以接触相邻的第二条线72的顶部。在一些实施例中，网袋70可以完全由具有这种构造的线72形成。波形线72赋予所制造的网袋70以柔韧性和可拉伸特征。波形线72的波长可以被改变以定制网袋70的可拉伸性。例如，具有较短波长的线72将能够比具有较长波长的线72被拉伸更多。在一些实施例中，网袋70的可拉伸性在其整个长度上是均匀的。在一些实施例中，网袋70包括根据手术应用的需要而具有增加的可拉伸性的区域。

网袋70的形状、网格尺寸、厚度和其它结构特征(例如体系结构)可针对所需应用进行定制。例如，为了优化通过网格的细胞或流体迁移，孔径可以针对流体的粘度和表面张力或细胞的大小进行优化。例如，如果细胞要通过网格迁移，那么可以使用线72之间大约100-200μm的孔径。在其它实施例中，波形线72可以被挤出以具有更大的峰部和顶部，并且孔径可以更大。例如，在一些实施例中，线72之间的孔径可以是约0.1mm至约5mm、约0.5mm至约3mm或约1mm至约2mm。网格尺寸可以通过物理编织线72并通过控制在打印表面12上挤出和烧结的线72的厚度来控制。

在各种实施例中，由3D打印装置10制成的网袋70可以在其表面上具有不同程度的渗透性。它可能是可渗透的、半渗透的或不可渗透的。渗透性可能与细胞、液体、蛋白质、生长因子、骨形态发生蛋白或其它相关。在其它实施例中，材料40可以编织。

网袋70可以具有任何合适的构造。例如，网袋70可以被3D打印到具有各种形状的打印表面12上，例如环、圆柱体、笼、矩形、缝合线包、连续管或其它构造。打印表面12提供了一个支架，网袋70被3D打印到所述支架上并且网袋70从所述支架衍生出其形状。在特定实施例中，网袋70可以形成为设计成通过导管或导入管插入的细管；矩形形状，设计成适配邻近棘突以用于后外侧脊柱融合；立方体；如图4所示的矩形棱柱状结构，设计成适配在椎体之间或笼内以用于椎间脊柱融合；管状形状；相对平坦的形状；矩形形状；预先成形为适配各种植入物周围的结构(例如具有用于牙科植入物的孔的牙科圆环)；或相对弹性的环状结构，其将拉伸并随后符合形状(例如适配在突起周围的橡胶带)。在网袋70形成为笼的一个实施例中，笼可以包含多个交叉的线72，所述交叉的线在它们之间限定用于组织向内生长的一系列开口。如本文所讨论，这些形状中的任何一种均可以用于容纳如骨材料的成骨材料。如图5A和5B所示，网袋70可以被打印并烧结到打印表面12上，从而具有一个开口端。

此外，网状材料的柔性特征允许网袋70被操控成多个隔室。例如，在一个管状的实施例中，可以通过在一个或多个点处将绳子缠绕在管子上，或者通过如卷曲、扭转、打结、吻合或缝合以及包括如本申请中更具体描述的基于3D数字模型的3D打印的其它合适的机制使管子形成多个隔室。

可以通过本申请的3D打印装置10制造的合适网袋70是可从美敦力(Medtronic)获得的骨移植物，其包含与未脱矿皮质骨纤维或完全脱矿骨纤维混合的表面脱矿骨碎片密封在可吸收聚(乙醇酸)(PGA)网状植入物、袋或囊中。

在某些实施例中，骨空隙可以由含有骨材料的网袋70填充。网袋70内的隔室81可以至少部分地填充有骨修复物质。在各种实施例中，如本文所用，至少部分地填充可意味着隔室81或中空内部区域的体积百分比被占据至少70％、占据至少75％、占据至少80％、占据至少85％、占据至少90％、占据至少95％或占据100％。在各种实施例中，与网袋70的中空隔室81连通并且还耦合到计算机处理器的传感机构或传感器可以指示处理器何时占据隔室81的期望百分比体积。处理器然后可以指示3D打印机生成用于将骨材料封闭在网袋70内的覆盖物。可以将网袋70插入缺损的开口中，直到缺损被基本上填充。在各种实施例中，如本文所用，基本上填充可意味着缺损的体积百分比被占据至少70％、占据至少75％、占据至少80％、占据至少85％、占据至少90％、占据至少95％或占据100％。

在一些实施例中，网袋70可以被标记。这种标记可以任何合适的方式并且在网袋70上的任何合适的位置处完成。在一些实施例中，标记可以通过使用丝网印刷、使用改变的编织或打结图案、通过使用不同颜色的线72或其它手段来完成。标记可以指示关于网袋70的信息。这些信息可能包括零件编号、捐赠者ID号码、编号、指示手术使用顺序或植入物尺寸的印字或措辞等。

在一个实施例中，网袋70可以包含在第一隔室81处的可穿透材料，所述第一隔室被配置成用于放置在邻近骨处；和在第二隔室81处的基本上不可穿透的材料，所述第二隔室被配置成用于放置在邻近软组织处。例如，网袋70的第一区域处的线72之间的孔径可以被设定为足够大以允许细胞迁移通过网袋70，但是网袋70的第二区域处的线72之间的孔径可以被设定为足够小(或可能包括完全无孔)以防止细胞迁移。或者，网袋70的材料40可以具有均匀的构造，使得相邻的隔室81可以具有基本上相同的特性。仅举例而言，网袋70可以具有定位在骨骼附近的多孔表面和定位在软组织附近的具有大体上不可渗透的表面的分开或相对的表面。或者，网袋70可以具有包含多孔材料的一个隔室81和包含基本上不可渗透的材料的第二隔室81。

对于单隔室或多隔室网袋70，网袋70可在填充物质后封闭。因此，在利用3D打印装置10制造之后，可以立即将网袋70设置为未填充的未密封状态。在将用于递送的物质放入网袋70中之后，网袋70可以永久或临时封闭。永久封闭可以例如通过3D打印用于封闭网袋70的隔室81内的骨材料的覆盖物。临时封闭可以通过打结、折叠锁定、收紧或其它手段。临时封闭的网袋70可以在手术植入期间打开而不损伤网袋70以添加或去除网袋70中的物质。

用于封闭网袋70的合适粘合剂可以包括例如氰基丙烯酸酯(如histoacryl,贝朗(B Braun)，其为2-氰基丙烯酸正丁酯；或Dermabond，其为2-辛基氰基丙烯酸酯)、环氧基化合物、牙科树脂密封剂、牙科树脂粘固剂、玻璃离聚物粘固剂、聚甲基丙烯酸甲酯、明胶-间苯二酚-甲醛胶、胶原基胶、无机粘合剂如磷酸锌、磷酸镁或其它磷酸盐基粘固剂、羧酸锌、L-DOPA(3,4-二羟基-L-苯丙氨酸)、蛋白质、碳水化合物、糖蛋白、粘多糖、其它多糖、水凝胶、基于蛋白质的粘合剂如纤维蛋白胶和贻贝衍生的粘合蛋白，以及任何其它合适的物质。可以基于粘合时间来选择使用粘合剂；例如在某些情况下，临时粘合剂可能是期望的，例如，用于外科手术过程中的固定并且持续其后有限的时间，而在其它情况下，可能需要永久性粘合剂。在隔室81由可吸收的材料制成的情况下，可以选择在材料存在于人体内时粘合的粘合剂。

在一些实施例中，生物附接可以通过促进组织向内生长的机构，如通过多孔涂层或羟基磷灰石-磷酸三钙(HA/TCP)涂层。通常，羟基磷灰石通过新的组织形成的生物效应结合。可以使用多孔向内生长表面，如珠状涂层中的钛合金材料或钽多孔金属或小梁金属，并且至少通过促使骨穿过多孔植入物表面生长来促进附接。这些机构可以被称为生物附接机构。在一些实施例中，网袋70可以通过包裹物、缝合线、线、绳、弹性带、线缆或线扣或其组合附接到组织结构。在一些实施例中，附接机构可以(i)与3D打印的无缝生物可降解的网袋70成一体，或(ii)与3D打印的无缝生物可降解的网袋70分开地提供，并且可以附接到3D打印的无缝生物可降解的网袋70用于预期移植部位。

在一些实施例中，网袋70包括布置成网状构造的挤出材料40。在一些实施例中，网袋70的材料40是生物可降解的。在一些实施例中，网袋70仅包括均匀挤出以形成整个网袋70的一种材料。在一些实施例中，网袋70包含合适材料40的混合物。在一些实施例中，第一组线72可以包括第一材料40并且第二组线72包括第二材料40。在一些实施例中，打印头30被配置成挤出多于一种类型的材料40。在一些实施例中，第一打印头30被配置成挤出第一材料40以形成线72，而第二打印头30被配置成挤出第二材料40以形成线72。

在其它实施例中，合适的材料包括天然材料、合成聚合物可再吸收材料、合成聚合物不可再吸收材料和其它材料。天然网状材料包括丝、细胞外基质(如DBM、胶原、韧带、肌腱组织或其它)、丝-弹性蛋白、弹性蛋白、胶原和纤维素。合成聚合物可再吸收材料包括聚(乳酸)(PLA)、聚(乙醇酸)(PGA)、聚(乳酸-乙醇酸)(PLGA)、聚对二氧环己酮、PVA、聚氨酯、聚碳酸酯等。

在各种实施例中，网袋70的材料40包含聚合物基质。在一些实施例中，DBM纤维和/或DBM粉末悬浮在聚合物基质中以促进细胞转移进出网袋70以诱导手术部位处的骨生长。在其它实施例中，网袋70还包含悬浮在聚合物基质中的矿化骨纤维。在一些实施例中，DBM粉末悬浮在DBM纤维和矿化骨纤维之间的聚合物基质中。在一些实施例中，DBM粉末悬浮在聚合物基质中的DBM纤维之间，以减少和/或消除存在于纤维之间的间隙。在一些实施例中，DBM粉末悬浮在聚合物基质中的DBM纤维之间以改善促进骨融合(例如棘突间融合)的骨诱导性。

在一些实施例中，聚合物基质包含可提供立即释放或持续释放的生物可蚀解、生物可吸收和/或生物可降解生物聚合物。合适的持续释放生物聚合物的实例包括但不限于聚(α-羟基酸)、聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLGA)、聚丙交酯(PLA)、聚乙交酯(PG)、聚乙二醇(PEG)、聚(α-羟基酸)的缀合物、聚(原酸酯)(POE)、聚阿司匹林、聚磷腈、胶原、淀粉、预糊化淀粉、透明质酸、壳聚糖、明胶、藻酸盐、白蛋白、纤维蛋白、维生素E化合物(如α-生育酚乙酸酯、d-α-生育酚琥珀酸酯)、D,L-丙交酯或L-丙交酯、己内酯、葡聚糖、乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇(PVA)、PVA-g-PLGA、PEGT-PBT共聚物(polyactive)、PEO-PPO-PAA共聚物、PLGA-PEO-PLGA、PEG-PLG、PLA-PLGA、泊洛沙姆407、PEG-PLGA-PEG三嵌段共聚物、SAIB(乙酸异丁酸蔗糖酯)或其组合。如本领域普通技术人员所知，mPEG和/或PEG可用作PLGA的增塑剂，但也可以使用其它聚合物/赋形剂来实现相同的效果。mPEG赋予聚合物延展性。在一些实施例中，这些生物聚合物也可以涂布在网袋70上以提供期望的释放特征或组织的向内生长。在一些实施例中，涂层厚度可以很薄，例如从约5、10、15、20、25、30、35、40、45或50微米到较厚的涂层60、65、70、75、80、85、90、95、100微米以延迟物质从网状植入物70释放。在一些实施例中，网袋70上的涂层范围为约5微米至约250微米或约5微米至约200微米。

在各种实施例中，网袋70的各种组分包含聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLGA)、聚丙交酯(PLA)、聚乙交酯(PGA)、D-丙交酯、D,L-丙交酯、L-丙交酯、D,L-丙交酯-共-ε-己内酯、D,L-丙交酯-共-乙交酯-共-ε-己内酯、L-丙交酯-共-ε-己内酯或其组合。

在一些实施例中，网袋70的材料40还包含骨形态发生蛋白(BMP)、生长因子、抗生素、血管生成促进材料、生物活性剂或其它主动释放材料。

网袋70可以用于递送包含任何合适的生物相容性材料的物质。在具体实施例中，网袋70可以用于递送任选地具有预定粒度的表面脱矿骨碎片、任选地被压制的脱矿骨纤维和/或同种异体移植物。对于物质是生物物质的实施例，所述物质可以是自体的、同种异体的、异种的或转基因的。可能位于网袋70中的其它合适材料包括例如蛋白质、核酸、碳水化合物、脂质、胶原、同种异体移植骨、自体移植骨、软骨刺激物质、同种异体移植软骨、TCP、羟基磷灰石、硫酸钙、聚合物、纳米纤维聚合物、生长因子、生长因子载体、组织生长因子提取物、DBM、牙本质、骨髓抽吸物、与各种骨诱导或骨传导载体组合的骨髓抽吸物、脂质源性或骨髓源性成体干细胞浓缩物、脐带源性干细胞、与各种骨诱导或骨传导载体组合的成体或胚胎干细胞、转染的细胞系、来源于骨膜的骨形成细胞、骨刺激和软骨刺激材料的组合、来自成骨细胞或软骨细胞谱系的定型或部分定型细胞，或以上任何一项的组合。

根据一些实施例，待定位在网袋70的中空隔室81中的材料可以用一种或多种生物活性剂或生物活性化合物补充、进一步处理或化学修饰。如本文所用，生物活性剂或生物活性化合物是指改变、抑制、激活或以其它方式影响生物或化学事件的化合物或实体。例如，生物活性剂可以包括但不限于成骨或软骨形成蛋白或肽；DBM粉末；胶原、不溶性胶原衍生物等以及溶解于其中的可溶性固体和/或液体；抗AIDS物质；抗癌物质；抗微生物剂和/或抗生素，如红霉素(erythromycin)、杆菌肽(bacitracin)、新霉素(neomycin)、青霉素(penicillin)、多霉素B(polymycin B)、四环素(tetracycline)、二霉素(biomycin)、氯霉素(chloromycetin)和链霉素(streptomycin)、头孢唑林(cefazolin)、氨苄西林(ampicillin)、氨曲南(azactam)、妥布霉素(tobramycin)、克林霉素(clindamycin)和庆大霉素(gentamycin)等；免疫抑制剂；抗病毒物质，如对肝炎有效的物质；酶抑制剂；激素；神经毒素；阿片类药物；安眠药；抗组胺剂；润滑剂；镇静剂；抗惊厥剂；肌肉松弛剂和抗帕金森病物质；抗痉挛剂和肌肉收缩剂，包括通道阻断剂；缩瞳药和抗胆碱能剂；抗青光眼化合物；抗寄生虫和/或抗原生动物化合物；细胞-细胞外基质相互作用的调节剂，包括细胞生长抑制剂和抗粘附分子；血管舒张剂；DNA、RNA或蛋白质合成抑制剂；抗高血压药；镇痛剂；退烧药；甾体和非甾体消炎剂；抗血管生成因子；血管生成因子和含有这些因子的聚合物载体；抗分泌因子；抗凝剂和/或抗血栓剂；局部麻醉剂；眼药；前列腺素；抗抑郁药；抗精神病药物；止吐药；成像剂；杀生物/生物稳定糖，如葡聚糖、葡萄糖等；氨基酸；肽；维生素；无机元素；蛋白质合成的辅因子；内分泌组织或组织碎片；合成剂；酶，如碱性磷酸酶、胶原酶、肽酶、氧化酶等；具有实质细胞的聚合物细胞支架；胶原晶格；抗原剂；细胞骨架剂；软骨碎片；活细胞，如软骨细胞、骨髓细胞、间充质干细胞；天然提取物；基因工程活细胞或以其它方式修饰的活细胞；扩增或培养的细胞；由质粒、病毒载体或其它成员递送的DNA；组织移植物；自体组织，如血液、血清、软组织、骨髓等；生物粘附剂；骨形态发生蛋白(包括BMP-2的BMP)；骨诱导因子(IFO)；纤连蛋白(FN)；内皮细胞生长因子(ECGF)；血管内皮生长因子(VEGF)；牙骨质附着提取物(CAE)；酮色林(ketanserin)；人类生长激素(HGH)；动物生长激素；表皮生长因子(EGF)；白细胞介素，例如白细胞介素-1(IL-1)、白细胞介素-2(IL-2)；人α凝血酶；转化生长因子(TGF-β)；胰岛素样生长因子(IGF-1、IGF-2)；甲状旁腺激素(PTH)；血小板源性生长因子(PDGF)；成纤维细胞生长因子(FGF、BFGF等)；牙周韧带趋化因子(PDLGF)；釉基质蛋白；生长和分化因子(GDF)；刺猬蛋白家族；蛋白质受体分子；来源于上述生长因子的小肽；骨促进剂；细胞因子；生长激素；骨消化剂；抗肿瘤剂；细胞引诱剂和附着剂；免疫抑制剂；穿透增强剂，例如脂肪酸酯，如聚乙二醇的月桂酸酯、肉豆蔻酸酯和硬脂酸单酯，烯胺衍生物，α-酮醛；和核酸。

在某些实施例中，生物活性剂可以是药物。在一些实施例中，生物活性剂可以是生长因子、细胞因子、细胞外基质分子或其片段或衍生物，例如蛋白质或肽序列，如RGD。

在一些实施例中，用于制造网袋70的聚合物材料可以具有在约1×10²至约6×10⁵达因/平方厘米、或2×10⁴至约5×10⁵达因/平方厘米、或5×10⁴至约5×10⁵达因/平方厘米范围内的弹性模量。

材料40可以具有功能特征。或者，具有功能特征的其它材料40可以结合到网袋70中。功能特征可能包括射线不透性、杀细菌性、释放材料来源、粘性等。这类特征可以基本上遍及网袋70或仅在网袋70的特定位置或部分被赋予。

合适的不透射线材料包括例如陶瓷、矿化骨、陶瓷/磷酸钙/硫酸钙、金属粒子、纤维和碘化聚合物(参见例如WO/2007/143698)。聚合物材料可以用于形成骨移植物或网袋70并通过对其进行碘化而制成不透射线的，如美国专利号6,585,755中所教导，其以全文引用的方式并入本文中。也可以使用其它将生物相容性金属或金属盐掺入聚合物中以增加聚合物射线不透性的技术。合适的杀细菌材料可以包括例如痕量金属元素。在一些实施例中，微量金属元素也可以促进骨骼生长。

在一些实施例中，网袋70可以包含在润湿时变粘的载体材料。这种材料可以是例如基于蛋白质或明胶的材料。包括贻贝粘附蛋白和氰基丙烯酸酯的组织粘合剂可以用于赋予网袋70粘性。在其它实例中，藻酸盐或壳聚糖材料可以用于赋予网袋70粘性。在其它实施例中，可以将粘合剂物质或材料放置在网袋70的一部分上或网袋70的特定区域中以将网袋70的所述部分或区域锚定在植入部位处的适当位置。

骨材料

在各种实施例中，骨移植物(例如由3D打印装置10制成的网袋70)包括用于容纳成骨材料(如骨材料)的隔室81。在各种实施例中，骨材料可以是颗粒状的，例如呈骨碎片、粉末或纤维形式。如果骨脱矿，那么可以在脱矿之前、期间或之后将骨制成颗粒。在一些实施例中，骨可以是整体的并且可以不是颗粒。

在脱矿之前或之后，可将骨磨碎并研磨或以其它方式加工成适当大小的粒子。粒子可以是颗粒状(例如粉末)或纤维状的。术语磨碎或研磨并非意在限于生产特定类型的粒子，并且可能涉及颗粒状或纤维状粒子的生产。在某些实施例中，粒度可以大于25微米，如约25至约2000微米，或约25至约500微米或约200至约5000微米。在一些实施例中，骨粒子的尺寸小于100微米。在一些实施例中，骨粒子的尺寸小于500微米。

研磨后，可以筛分骨粒子以选择具有所需尺寸的那些粒子。在某些实施例中，粒子可以通过25微米筛、50微米筛、75微米筛、100微米筛、125微米筛、150微米筛、175微米筛和/或200微米筛筛分。

在一些实施例中，骨粒子包含和/或矿化骨。在一些实施例中，骨粒子的尺寸小于25微米。在一些实施例中，骨粒度为约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23和/或24微米。

在各种实施例中，骨粒子和/或DBM和/或矿化骨纤维具有粘性外表面，使得骨粒子可以粘附到DBM和/或矿化骨纤维。在各种实施例中，骨粒子具天然粘性。在一些实施例中，将粘合剂施用到骨粒子和/或骨纤维，所述粘合剂包含生物粘合剂、胶水、粘固剂、氰基丙烯酸酯、硅酮、热熔粘合剂和/或纤维素粘合剂。在各种实施例中，可以通过喷涂或刷涂将粘合剂施用到骨粒子的表面。在一些实施例中，电荷被施加到纤维上并且相反的电荷被施加到骨粒子(例如静电沉淀技术)。骨粒子将被吸引并顽强地粘附到纤维表面。这些应用技术中的任何一种都可以重复一次或多次，以在纤维表面上累积相对厚的粘附性骨粒子层。

可以将骨粒子直接施用到DBM纤维和/或完全矿化的纤维上，并将混合物置于网袋70中。在一些实施例中，插入网袋70中的骨材料含有孔径为约0.5至约2,000微米的孔。在一些实施例中，插入网袋70中的骨材料含有孔径为约0.5、5、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1,000、1,050、1,100、1,150、1,200、1,250、1,300、1,350、1,400、1,450、1,500、1,550、1,600、1,650、1,700、1,750、1,800、1,850、1,900、1,950至约2,000微米的孔。在一些实施例中，骨材料的孔径是均匀的。在一些实施例中，骨材料的孔径是不均匀的并且包括0.5至约2,000微米范围内的各种孔径。或者，可将DBM纤维和DBM粒子置于聚合物(例如胶原)中并插入多孔生物可降解的移植体(例如囊、容器、网袋等)中。

在切削、碾磨或其它获得骨材料的技术之后，将骨材料脱矿以便将其无机含量降低至非常低的水平，在一些实施例中，不超过约5重量％的残余钙，并且优选不超过约1重量％的残余钙。骨材料的脱矿通常会在一定程度上导致其收缩。

在本文所述的方法中使用的骨可以是自体移植物、同种异体移植物或异种移植物。在各种实施例中，骨可以是皮质骨、松质骨或皮质松质骨。尽管本文对脱矿骨基质进行了具体讨论，但根据本文教导处理的骨基质可以是未脱矿、脱矿、部分脱矿或表面脱矿的。这一讨论适用于脱矿、部分脱矿和表面脱矿骨基质。在一个实施例中，脱矿骨来源于牛骨或人骨。在另一个实施例中，脱矿骨来源于人骨。在一个实施例中，脱矿骨来源于患者自己的骨骼(自体骨)。在另一个实施例中，脱矿骨来源于相同物种(同种异体移植骨)的不同动物(包括尸体)。

可以使用任何适合的使骨脱矿的方式。骨材料的脱矿可以根据已知的常规程序进行。例如，在脱矿程序中，可用于本申请的可植入组合物的骨材料经历酸脱矿步骤，随后进行脱脂/消毒步骤。将骨材料浸入酸中，随着时间的推移实现其脱矿作用。可用于这一步骤的酸包括无机酸，如盐酸；和有机酸，如过乙酸、乙酸、柠檬酸或丙酸。通过调整处理时间、脱矿溶液的温度、脱矿溶液的浓度、处理过程中的搅拌强度以及其它施加的力，例如真空、离心机、压力和如本领域技术人员已知的其它因素，可以控制脱矿进入骨表面的深度。因此，在各种实施例中，骨材料可以完全脱矿、部分脱矿或表面脱矿。

酸处理后，将骨用无菌注射用水冲洗，用缓冲剂缓冲至最终预定的pH值，然后用注射用水最终冲洗以去除残余量的酸和缓冲剂或用水洗涤去除残余酸，从而提高pH。脱矿后，将骨材料浸入溶液中使其脱脂。脱脂/消毒剂溶液是乙醇的水溶液，乙醇是脂质的良好溶剂，并且水是良好的亲水性载体，以使溶液更深地渗入骨中。乙醇水溶液也通过杀死营养微生物和病毒来消毒骨骼。通常，在脱脂/消毒溶液中应存在至少约10至40重量％的水(例如约60至90重量％的脱脂剂，如醇)以在最短时间内产生最佳的脂质去除和消毒。脱脂溶液的浓度范围为约60至85重量％的醇或约70重量％的醇。

另外，根据本申请，DBM材料可以立即用于制备植入物，或者它可以在无菌条件下储存，有利地在这种制备之前在临界点干燥状态下储存。在一个实施例中，骨材料可以保留其一些原始矿物质含量，使得组合物能够利用射线照相技术成像。

在各种实施例中，本申请还提供了包含临界点干燥(CPD)纤维的骨基质组合物。DBM包括骨的胶原基质以及不溶于酸的蛋白质，包括骨形态发生蛋白(BMP)和其它生长因子。它可以配制成用作颗粒剂、凝胶剂、海绵材料或腻子，并且可以冷冻干燥以用于储存。用于防止疾病传播的灭菌程序可能会降低DBM中有益生长因子的活性。DBM提供初始的骨传导基质并表现出一定程度的骨诱导潜能，诱导来自周围组织的骨祖细胞的浸润和分化。

DBM制剂已被用于骨科医学多年以促进骨的形成。例如，DBM已被发现用于修复骨折、融合椎骨、进行关节置换手术以及治疗由于潜在疾病如类风湿性关节炎引起的骨质破坏。DBM被认为通过骨传导和骨诱导过程在体内促进骨形成。植入的DBM组合物的骨诱导作用被认为是由存在于分离的基于胶原的基质上的活性生长因子的存在引起的。这些因子包括TGF-β、IGF和BMP蛋白家族的成员。骨诱导因子的具体实例包括TGF-β、IGF-1、IGF-2、BMP-2、BMP-7、甲状旁腺激素(PTH)和血管生成因子。其它骨诱导因子如骨钙蛋白和骨桥蛋白也可能存在于DBM制剂中。DBM中也可能存在其它未命名或未发现的骨诱导因子。

在各种实施例中，本申请中所描述的方法中提供的DBM由经受临界点干燥的细长骨纤维制备。本申请中使用的细长CPD骨纤维通常表征为具有相对较高的平均长度与平均宽度比，也称为纵横比。在各种实施例中，细长骨纤维的纵横比为至少约50:1至至少约1000:1。这种细长骨纤维可以通过几种方法中的任何一种容易地获得，例如通过研磨或切削整个骨或骨的相对较大部分的表面。

在其它实施例中，纤维的长度可以是至少约3.5cm，并且平均宽度可以是约20mm至约1cm。在各种实施例中，细长纤维的平均长度可以是约3.5cm至约6.0cm，并且平均宽度可以是约20mm至约1cm。在其它实施例中，细长纤维的平均长度可以是约4.0cm至约6.0cm，并且平均宽度可以是约20mm至约1cm。

在其它实施例中，细长纤维的直径或平均宽度例如不超过约1.00cm、不超过0.5cm或不超过约0.01cm。在其它实施例中，纤维的直径或平均宽度可以是约0.01cm至约0.4cm或约0.02cm至约0.3cm。

在另一个实施例中，纤维的纵横比可以是约50:1至约950:1、约50:1至约750:1、约50:1至约500:1、约50:1至约250:1、或约50:1至约100:1。根据本公开的纤维的纵横比宜为约50:1至约1000:1、约50:1至约950:1、约50:1至约750:1、约50:1至约600:1、约50:1至约350:1、约50:1至约200:1、约50:1至约100:1、或约50:1至约75:1。

在一些实施例中，碎片与纤维比为约90:10、80:20、75:25、70:30、60:40、50:50、40:60、30:70、25:75、20:80和/或10:90。在各种实施例中，表面脱矿碎片与纤维比为约90:10、80:20、75:25、70:30、60:40、50:50、40:60、30:70、25:75、20:80和/或10:90。在一些实施例中，表面脱矿碎片与完全脱矿纤维比为约90:10、80:20、75:25、70:30、60:40、50:50、40:60、30:70、25:75、20:80和/或10:90。

在一些实施例中，DBM纤维的厚度为约0.5-4mm。在各种实施例中，DBM纤维的厚度为约0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、2.5、3、3.5和/或4mm。在各种实施例中，DBM纤维与DBM粉末比为约40:60至约90:10W/W、W/V或V/V。在一些实施例中，矿化骨纤维与DBM粉末比为约25:75至约75:25W/W、W/V或V/V。在各种实施例中，骨移植材料包含比率为40:60至约90:10W/W、W/V或V/V的DBM纤维和矿化纤维。在一些实施例中，DBM纤维与DBM粉末比、矿化骨纤维与DBM粉末比和/或DBM纤维与矿化纤维比为5:95至约95:5W/W、W/V或V/V。在一些实施例中，DBM纤维与DBM粉末比、矿化骨纤维与DBM粉末比和/或DBM纤维与矿化纤维比为5:95、10:90、15:85、20:80、25:75、30:70、35:65、40:60、45:55、50:50、55:45、60:40、65:35、70:30、75:25、80:20、85:15、90:10和/或95:5W/W、W/V或V/V。

在一些实施例中，骨材料包含脱矿骨材料，其包含脱矿骨、纤维、粉末、碎片、三角棱柱、球体、立方体、圆柱体、碎屑或具有不规则或随机几何形状的其它形状。这些可以包括例如“基本上脱矿的”、“部分脱矿的”或“完全脱矿的”皮质和/或松质骨。这些还包括表面脱矿，其中骨构建体的表面基本上脱矿、部分脱矿或完全脱矿，然而骨构建体的主体完全矿化。

在各种实施例中，骨移植材料包含完全DBM纤维和表面脱矿骨碎片。在一些实施例中，完全DBM纤维与表面脱矿骨碎片比为5:95至约95:5纤维比碎片。在一些实施例中，完全DBM纤维与表面脱矿骨碎片比为5:95、10:90、15:85、20:80、25:75、30:70、35:65、40:60、45:55、50:50、55:45、60:40、65:35、70:30、75:25、80:20、85:15、90:10和/或95:5纤维比碎片。在各种实施例中，完全DBM纤维的厚度为约0.5-4mm。在各种实施例中，完全DBM纤维的厚度为约0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、2.5、3、3.5和/或4mm。

在各种实施例中，纤维和/或粉末是表面DBM。在一些实施例中，纤维和/或粉末是表面DBM皮质同种异体移植物。在各种实施例中，表面脱矿涉及至少一定深度的表面脱矿。例如，同种异体移植物的表面脱矿可以是约0.25mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4mm、4.5mm至约5mm。骨纤维和/或粉末的边缘可以进一步机械加工成任何形状或包括如凹槽、突起、凹陷等的特征以帮助改善贴合性并限制任何移动或微动，从而帮助融合和/或骨诱导发生。

为了制备成骨DBM，将一定量的纤维与生物相容性载体材料组合以提供脱矿骨基质。

通常将DBM干燥，例如通过冷冻干燥或溶剂干燥，以将DBM储存并维持在活性条件下以便植入。此外，认为这些过程中的每一个都会减少骨头的整体表面积结构。可以理解的是，外表面的结构损坏减小了总体表面积。表面的物理改变和表面积的减小可能会影响细胞附着、迁移、增殖和分化。表面对生长因子的亲和力和从表面释放生长因子的动力学也可能改变。

因此，在一些实施例中，提供了用于干燥骨以将骨储存并维持在活性条件下以便植入的方法，所述植入维持或增加骨的表面积。在一个实施例中，使用临界点干燥(CPD)技术处理骨基质，由此减少骨表面的破坏。尽管对临界点干燥进行了具体描述，但应理解，在替代实施例中，可以使用超临界点处理。在利用CPD的各种实施例中，干燥后骨表面上的胶原原纤维的百分比未变性至约15％或更少的残余水分含量。在一些实施例中，在干燥之后，骨基质具有约8％或更少的残余水分含量。在一些实施例中，在干燥之后，骨基质具有约6％或更少的残余水分含量。在一些实施例中，在干燥之后，骨基质具有约3％或更少的残余水分含量。

样品的蒸发干燥和冷冻干燥可能导致表面结构变形和塌陷，从而导致表面积下降。不希望受特别的理论所束缚，认为这种变形和结构发生是因为当物质穿过从液体到气体的边界时，物质挥发使得液体的体积减小。发生这种情况时，固-液界面处的表面张力会拉扯液体所附着的任何结构。这种表面张力往往会使细微的表面结构破碎。这种损害可能是由液/气界面表面张力的影响引起的。临界点干燥是通过基本上防止液/气界面出现而避免表面张力对液/气界面的影响的技术。临界点或超临界干燥不穿过任何相边界，而是通过超临界区域，在这里气体和液体的区别不再适用。因此，使用临界点干燥脱水的材料不会受到破坏性表面张力。当达到液体的临界点时，可以从液体转变为气体而不会发生突然的状态变化。临界点干燥可以与骨基质一起用于从液体到干燥气体的相变，而不受表面张力的影响。因此，使用临界点干燥脱水的骨可以保留或增加至少一些表面结构并因此增加表面积。

在一些实施例中，使用二氧化碳进行临界点干燥。但是，也可以使用其它介质，如氟利昂，包括氟利昂13(氯三氟甲烷)。通常，适用于超临界干燥的流体包括二氧化碳(临界点在7.39MPa下304.25K或在1072psi下31.1℃或31.2℃和73.8巴)和氟利昂(在3.5-4MPa下约300K或在500-600psi下25至30℃)。一氧化二氮具有与二氧化碳类似的物理行为，但在其超临界状态下是一种强大的氧化剂。超临界水也是一种强大的氧化剂，部分原因是其临界点出现在如此高的温度(374℃)和压力(3212psi/647K和22.064MPa)下。

在一些实施例中，骨可以在临界点干燥之前预处理以去除水。因此，根据一个实施例，使用二氧化碳在(或超过)其临界点状态干燥骨基质。脱矿后，可以将骨基质样品(在水中)脱水以去除残余水含量。例如，通过使用一系列梯度乙醇溶液(例如含20％、50％、70％、80％、90％、95％、100％乙醇的去离子水)可以获得这种脱水。在一些实施例中，可以自动化方式完成用梯度系列的乙醇溶液或醇渗透组织。例如，可以使用压力和真空来加速渗透到组织中。

制造网状植入物的方法

在如图10所示的各种实施例中，提供了通过使用3D打印装置10来制造如网袋70的中空结构的计算机实现的方法200。在一些实施例中，所述方法包括用于输入用于计算机处理器102执行制造的指令的步骤210，用于使打印表面12、基座16和打印头30相对于彼此对齐的步骤220，用于将材料40沉积到打印表面12上的步骤230，用于旋转打印表面12和移动基座16以创建网状图案的步骤240，用于使打印表面12上的材料40凝固的步骤250，用于3D打印具有可通过开口进入的隔室81的网袋70的步骤251，用于用骨材料填充隔室81的步骤252，用于通过3D打印用于封闭在网袋70的隔室81内的骨材料的覆盖物来封闭网袋70的步骤253以及用于移出3D形成并覆盖的网袋70的步骤260。在一些实施例中，所述方法包含：以交替的顺时针和逆时针方向旋转打印表面，将材料从打印头喷射到打印表面，以形成具有交替的峰部和顶部的波状图案的股线，并且使打印头旋转一定的角距离以在打印表面上形成多个互连的线。

在一些实施例中，提供了一种用于制造中空结构的方法，其包括提供具有工作台14、基座16和打印表面12的3D打印机10。在各种实施例中，打印表面12可围绕旋转轴线旋转。基座16被配置成平面移动。打印表面12与工作台14固定地安置，使得基座16的横向移动引起打印表面12的横向移动。在一些实施例中，基座16可在x-y平面内移动并且可在x轴和y轴两侧横向移动，以精确定位打印表面12。如本文所讨论，基座16的移动允许打印表面12相对于延伸轴20定位，以便于将材料40沉积到打印表面12上。3D打印装置10进一步包括打印头30以将材料40沉积到打印表面12上。沉积材料40包括用于制造网状物的材料(例如生物可降解聚合物、与生物活性剂混合在一起的生物可降解聚合物、与骨材料混合在一起的生物可降解聚合物等)。

在其它实施例中，处理器102接收用于制造网袋70的指令。用户可以将指令直接输入到3D打印装置10中，或者可以将指令输入到与处理器102通信的外部计算机中。处理器102引导基座16、打印表面12和打印头30相对于彼此的移动。处理器102还引导材料40从打印头30施用到打印表面12上。

根据各个方面，用户用合适的材料40装载与打印头30连通的材料储存器(未示出)。材料40可以是粉末形式、颗粒形式、凝胶形式或固体形式。处理器102将打印表面12和一个或多个打印头30相对于彼此移动就位。一旦定位，打印头30开始将材料40沉积到打印表面12上。在一些实施例中，当打印表面12沿着x-y平面旋转和/或横向移动时，打印头30连续沉积材料40。在一些实施例中，打印表面12沿顺时针和逆时针方向旋转，同时基座16横向移动以形成波形线72。可以调节旋转的程度以赋予每条形成的线72以柔性和可拉伸的质量。例如，具有较短波长的线72将能够比具有较长波长的线72被拉伸更多。在一些实施例中，处理器102引导打印表面12的旋转和基座16的横向移动以赋予网袋70在其整个长度上均匀的可拉伸性。在一些实施例中，处理器102引导打印表面12的可变旋转和基座16的横向移动，使得网袋70包括根据手术应用的需要而具有增加的可拉伸性的区域。

将基座16、打印表面12和打印头30相对于彼此的移动以及材料40施用到打印表面12上重复多次，使得线72包围打印表面12的表面。也就是说，每当具有波状形状的线被施用到打印表面12时，类似的线72被施用到邻近第一条线的打印表面12。在一些实施例中，线72彼此相邻地挤出，使得第一条线72的峰部被挤出以接触相邻的第二条线72的顶部。在一些实施例中，网袋70可以完全由具有这种构造的线72形成。

在一些实施例中，打印头30将粉末形式的材料40沉积到打印表面12上。材料40必须被烧结和/或熔融以形成线72。在一些实施例中，如激光器60之类的辐射源可以与打印头30结合使用。处理器102引导激光器60聚焦在材料40已经沉积在打印头30附近的点上。处理器102还根据指令在期望的间隔期间向激光器60供电，以防止对网袋70和/或打印表面12造成不希望的损坏。也就是说，激光器60将在烧结材料40以形成线72时发射光束，但是当打印表面12相对于打印头30被重新定位时将不会发射光束。一旦完成了所有所需的烧结，任何多余的材料40就可以从打印表面12上被刷掉而被丢弃或再循环。

在一些实施例中，材料40可以通过使用温度控制单元50(例如加热单元)而被烧结，如图1所示。温度控制单元50向打印表面12提供能量，使得粉末状材料40熔融并一起模制。可以提供一定量的热量使得材料40在与打印表面12接触时快速熔融。

在一些实施例中，使用温度控制单元50来加热或冷却打印表面12以移出网袋70。在一些实施例中，打印表面12可以从3D打印装置10移出并浸没在溶剂中以松开并移出网袋70。

如图9所示，示出了用于生产如网袋的中空结构的计算机实现的方法。在第一步骤110中，用户或设计者生成要用3D打印机创建的对象或3D数字模型的虚拟图像，例如包括虚拟体积的隔室81以将骨材料封闭其中的网袋70以及网袋70的虚拟深度、厚度和体积以及被配置成用于封闭网袋70的隔室81的覆盖物。计算机可以生成覆盖物的虚拟3D图像，包括要打印的覆盖物的虚拟体积、长度和宽度。商业上可用的CAM软件可以使网袋70的CAD绘图/设计成为计算机代码(例如g代码)。这一代码被发送到装置并且控制器控制装置以及用材料40装载打印头30，加热和冷却材料40的温度和时间，激光发射时间，旋转，打印表面12、打印头30、工作台14的旋转速度，打印表面12、打印头30和工作台14的横向移动以及其它参数。控制器装置基于3D数字模型由材料或在材料中创建医疗植入物。在一些实施例中，网袋70的3D数字模型基于预期骨修复部位的3D图像生成。骨修复部位的3D图像可以通过使用(i)一个或多个X射线图像；(ii)计算机辅助设计(CAD)程序；(iii)锥束成像装置；(iv)计算机断层摄影(CT)扫描装置；(v)磁共振成像(MRI)；(vi)3D激光照相机或其组合来获得。

在第二步骤112中，处理器102计算X、Y、Z和A₁轴。装置采用笛卡尔坐标系(X，Y，Z)来进行3D运动控制并且采用第4轴(A₁)来相对于打印头30旋转打印表面12(例如360度)。植入物可以通过计算机上的CAD/CAM程序虚拟设计在计算机显示器上。用户将特定参数输入计算机，然后按下显示器上的打印开始3D打印制造。计算机逻辑用针对以下的指令对计算机进行编程：用材料40装载打印头30；来自打印头30的聚合物的施用和厚度；装置的加热和冷却温度和时间；激光发射时间；旋转；打印表面12、打印头30和/或工作台14的旋转速度；和/或打印表面12、打印头30和/或工作台14的横向移动以及根据所接收的指令的其它参数。控制器装置使打印头30位于适当的X，Y，Z坐标处来进行3D运动控制，并且采用第4轴(A₁)来相对于打印头30旋转打印表面12(例如360度、180度、120度)以便由材料40或在材料40中制造医疗植入物。在打印表面12的全部或一部分上产生医疗植入物之后，其将具有隔室81或通常大于打印表面12的直径或厚度的中空区域，并且可通过啮合打印表面12的工具移出。在一些实施例中，装置可以具有用于在将植入物从打印表面12移出之前、期间或之后蚀刻、成形和/或干燥植入物的工具。

在第三步骤114中，处理器102通过计划打印表面12和打印头30的协调来计算聚合物施用位置和速度。在一些实施例中，当前装置并非通过在连续层中打印材料40来制造植入装置以形成植入物。在第四步骤116和第五步骤118中，处理器102计算打印表面12的旋转以及打印表面12和打印头30的横向和/或向后和向前移动。在一些实施例中，当打印表面12相对于打印头30和工作台14顺时针和/或逆时针旋转360度时，本申请的打印表面12具有从打印头30连续分配到打印表面12上的聚合物，和/或在一些实施例中，打印表面12可以根据从计算机接收的指令沿向前、横向和/或向后的方向移动，从而形成用于制造医疗植入物(例如网袋70)的线。在一些实施例中，本申请的打印表面12具有安置在其上的热敏聚合物，然后打印头30接收指令以加热待去除的表面区域(例如通过激光、加热元件等)。以这种方式，通过去除聚合物的加热部分来制造聚合物的线72并且留在打印表面12上的是用于植入物的线72。打印表面12相对于打印头30和工作台14顺时针和/或逆时针旋转360度，和/或在一些实施例中，打印表面12可以根据从计算机接收到的指令沿向前、横向和/或向后的方向移动，从而当聚合物的其余部分从打印表面12去除时，形成用于制造医疗植入物(例如网袋70)的线72。

在一些实施例中，当打印表面12相对于打印头30和工作台14顺时针和/或逆时针旋转360度时，本申请的打印表面12具有以干粉形式从打印头30连续分配到打印表面12上的聚合物，和/或在一些实施例中，打印表面12可以根据从计算机接收的指令沿向前、横向和/或向后的方向移动，从而形成用于制造医疗植入物(例如网袋70)的线72。在粉末施用后，其可以来自打印头30中的储存器，打印头30(例如，激光器60或与其耦合的加热元件)可以加热粉末聚合物并形成用于医疗植入物的线72。

基于上述计算，处理器102在步骤120中计算制造医疗植入物将会花费的预计时间量。在随后的步骤122中，处理器102计算打印的医疗装置干燥将会花费的时间量。在一些实施例中，施加到打印表面12的材料40是温度敏感的并且通过加热或冷却来干燥和/或固化。在一些实施例中，处理器120引导温度控制单元50加热或冷却打印表面12。在一些实施例中，处理器120引导激光器60将其光束聚焦在施用到打印表面12的材料40上以烧结和固化材料40。

在步骤124中，由处理器102计算的数据被存储在存储器100中用于随后的实施。在一些实施例中，处理器102将计算的数据处理和组织到存储器100中。在一些实施例中，处理器102包括值确定逻辑、开发逻辑、安全逻辑和/或分析逻辑。在一些实施例中，处理器102用从用户接收的任何新计算数据来更新存储器100。在一些实施例中，存在存储指令的计算机可读存储介质，所述指令在由计算机执行时使计算机显示供用户输入、查看和编辑用于制造植入物的一些或全部特征的选项，包括用材料40装载打印头30；加热和冷却材料40的温度和时间；激光发射时间；旋转角度；打印表面12、打印头30和/或工作台14的旋转速度；打印表面12、打印头30和工作台14的横向移动；以及其它参数。控制器装置通过从计算机接收的指令由材料40或在材料40中创建医疗植入物。所述装置采用笛卡尔坐标系(X，Y，Z)来进行3D运动控制并且采用第4轴(A₁)来相对于打印头30旋转打印表面12(例如360度)。

在最后的步骤126中，用户输入命令以将所存储的数据发送到打印机以创建医疗装置。用户将特定参数输入计算机，然后按下显示器上的打印开始3D打印制造。计算机逻辑使计算机执行用材料40装载打印头30；装置的加热和冷却温度和时间；激光发射时间；旋转；打印表面12、打印头30和/或工作台14的旋转速度；和/或打印表面12、打印头30和/或工作台14的横向移动；以及其它参数。控制器装置使打印头30位于适当的X，Y，Z坐标处来进行3D运动控制，并且采用第4轴(A₁)来相对于打印头30旋转打印表面12(例如360度、180度、120度)以便由材料40或在材料40中制造医疗植入物。

制造骨移植物的方法

在各种实施例中，提供了一种用于生产骨移植物的计算机实现的方法。用于产生骨移植物的计算机实现的方法包括：获得预期骨移植部位的3D图像；基于预期骨移植部位的3D图像生成骨移植物的3D数字模型，骨移植物的3D数字模型被配置为适配在预期骨移植部位内；将先前获得的3D数字模型存储在耦合到处理器的数据库上，所述处理器具有用于检索所存储的骨移植物的3D数字模型的指令，并且所述处理器还具有用于基于所存储的3D数字模型将载体材料与骨材料一起、在骨材料中或在骨材料上进行组合以及用于指示3D打印机生产骨移植物的指令。

在一些方面，计算机实现的方法通过将载体材料与骨材料结合并基于所存储的3D数字模型指示3D打印机打印骨移植物来产生骨移植物。在其它方面，计算机实现的方法通过指示3D打印机打印载体材料并且然后基于所存储的3D数字模型将骨材料打印在载体中或载体上来产生骨移植物。在其它实施例中，计算机实现的方法产生了针对预期骨移植部位定制的骨移植物。

在某些实施例中，预期骨移植部位的3D图像是基于健康骨移植部位的计算机断层摄影图像的不健康骨移植部位的计算机断层摄影图像。在其它实施例中，3D图像是从(i)一个或多个X射线图像；(ii)计算机辅助设计(CAD)程序；(iii)锥束成像装置；(iv)计算机断层摄影(CT)扫描装置；(v)磁共振成像(MRI)或其组合来获得的。

通常，在许多实施方案中，载体材料包含生物可降解聚合物、金属或其组合，并且骨材料包含矿化或脱矿骨。

在一些实施例中，骨移植物包括生物可降解聚合物。示例性生物可降解材料包括任何比率(例如85:15、40:60、30:70、25:75或20:80)的丙交酯-乙交酯共聚物、聚(L-丙交酯-共-D,L-丙交酯)、聚葡萄糖酸酯、聚(芳基化物)、聚(酸酐)、聚(羟基酸)、聚酯、聚(原酸酯)、聚(环氧烷)、聚碳酸酯、聚(富马酸丙二酯)、聚(丙二醇-共富马酸)、聚(己内酯)、聚酰胺、聚酯、聚醚、聚脲、聚胺、聚氨基酸、聚缩醛、聚(原酸酯)、聚(吡咯酸)、聚(格拉酮)、聚(磷腈)、聚(有机磷腈)、聚丙交酯、聚乙交酯、聚(对二氧环己酮)、聚羟基丁酸酯、聚羟基戊酸酯、聚羟基丁酸酯/戊酸酯共聚物、聚(乙烯基吡咯烷酮)、生物可降解的聚氰基丙烯酸酯、生物可降解的聚氨酯(包括葡萄糖基聚氨酯和赖氨酸基聚氨酯)和多糖(例如几丁质、淀粉、纤维素)。在某些实施例中，骨移植物中使用的聚合物是聚(丙交酯-共-乙交酯)。聚合物中丙交酯与乙交酯单元的比率可以变化。特别有用的比率是约45-80％丙交酯比约44-20％乙交酯。在某些实施例中，所述比率是约50％丙交酯比约50％乙交酯。在其它某些实施例中，所述比率是约65％丙交酯比约45％乙交酯。在其它某些实施例中，所述比率是约60％丙交酯比约40％乙交酯。在其它某些实施例中，所述比率是约70％丙交酯比约30％乙交酯。在其它某些实施例中，所述比率是约75％丙交酯比约25％乙交酯。在某些实施例中，所述比率是约80％丙交酯比约20％乙交酯。在某些上述实施例中，丙交酯是D,L-丙交酯。在其它实施例中，丙交酯是L-丙交酯。在某些具体实施例中，824(聚-L-丙交酯-共-乙交酯)(勃林格殷格翰(Boehringer Ingelheim))用作骨移植物中的聚合物。在某些具体实施例中，504(聚-D,L-丙交酯-共-乙交酯)(勃林格殷格翰)用作骨移植物中的聚合物。在某些具体实施例中，PURASORB PLG(75/25聚-L-丙交酯-共-乙交酯)(PuracBiochem)用作骨移植物中的聚合物。在某些具体实施例中，PURASORB PG(聚乙交酯)(PuracBiochem)用作骨移植物中的聚合物。在某些实施例中，聚合物是聚乙二醇化-聚(丙交酯-共-乙交酯)。在某些实施例中，聚合物是聚乙二醇化-聚(丙交酯)。在某些实施例中，聚合物是聚乙二醇化-聚(乙交酯)。在其它实施例中，聚合物是聚氨酯。在其它实施例中，聚合物是聚己内酯。

在某些实施例中，生物可降解聚合物是聚(己内酯)和聚(丙交酯)的共聚物。对于如聚(丙交酯)和聚(丙交酯-共-乙交酯)等聚酯，聚合物的特性粘度在约0.4dL/g至约5dL/g的范围内。在某些实施例中，聚合物的特性粘度在约0.6dL/g至约2dL/g的范围内。在某些实施例中，聚合物的特性粘度在约0.6dL/g至约3dL/g的范围内。在某些实施例中，聚合物的特性粘度在约1dL/g至约3dL/g的范围内。在某些实施例中，聚合物的特性粘度在约0.4dL/g至约1dL/g的范围内。对于聚(己内酯)，聚合物的特性粘度在约0.5dL/g至约1.5dL/g的范围内。在某些实施例中，聚(己内酯)的特性粘度在约1.0dL/g至约1.5dL/g的范围内。在某些实施例中，聚(己内酯)的特性粘度在约1.0dL/g至约1.2dL/g的范围内。在某些实施例中，聚(己内酯)的特性粘度是约1.08dL/g。

也可以使用天然聚合物，包括胶原、多糖、琼脂糖、葡糖胺聚糖、藻酸盐、几丁质和壳聚糖。也可以使用基于酪氨酸的聚合物，包括但不限于聚芳酯和聚碳酸酯(Pulapura等人,“酪氨酸衍生的聚碳酸酯：为生物医学应用设计的骨架修饰的“假”-聚(氨基酸)(Tyrosine-derived polycarbonates:Backbone-modified“pseudo”-poly(amino acids)designed for biomedical applications),”《生物聚合物(Biopolymers)》,1992,32:411-417；Hooper等人,“衍生自天然氨基酸α-L-酪氨酸的二酚单体：肽偶合技术的评估(Diphenolic monomers derived from the natural amino acidα-L-tyrosine:anevaluation of peptide coupling techniques),”《生物活性及相容性聚合物杂志(J.Bioactive and Compatible Polymers)》,1995,10:327-340，其内容均以引入的方式并入本文中)。基于酪氨酸的聚合物的单体可以通过将L-酪氨酸衍生的二酚化合物与光气或二酸反应来制备(Hooper,1995；Pulapura,1992)。类似的技术可以用于制备具有反应性侧链的其它氨基酸的基于氨基酸的单体，包括亚胺、胺、硫醇等。在一个实施例中，降解产物包括生物活性材料、生物分子、小分子或参与代谢过程的其它此类材料。

可以操控聚合物来调节它们的降解速率。聚合物的降解速率充分表征于文献中(参见《生物可降解聚合物手册(Handbook of Biodegradable Polymers)》,Domb等人,编,Harwood Academic Publishers,1997，其全部内容以引入的方式并入本文中)。另外，增加聚合物的交联密度往往会降低其降解速率。聚合物的交联密度可以在聚合期间通过加入交联剂或促进剂来操控。聚合后，通过暴露于UV光或其它辐射可以增加交联。可以使用共聚单体或聚合物的混合物(例如丙交酯和乙交酯聚合物)来操控降解速率和机械特性。

在一些实施例中，骨移植物包含生物可降解聚合物或非聚合材料。在一些实施例中，生物可降解聚合物可以提供生物活性材料的立即释放或持续释放。例如，生物可降解聚合物包含聚醚醚酮(PEEK)。在一些实施例中，骨移植物可以包含一种或多种聚(α-羟基酸)、聚乙交酯(PG)、聚(α-羟基酸)的聚乙二醇(PEG)缀合物、聚(原酸酯)(POE)、聚阿司匹林、聚磷腈、胶原、水解胶原、明胶、水解明胶、水解明胶的级分、弹性蛋白、淀粉、预糊化淀粉、透明质酸、壳聚糖、藻酸盐、白蛋白、纤维蛋白、维生素E类似物(如α-生育酚乙酸酯、d-α-生育酚琥珀酸酯)、D,L-丙交酯或L-丙交酯、己内酯、葡聚糖、乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇(PVA)、PVA-g-PLGA、PEGT-PBT共聚物(polyactive)、甲基丙烯酸酯、PEO-PPO-PAA共聚物、PLGA-PEO-PLGA、PEG-PLG、PLA-PLGA、泊洛沙姆407、PEG-PLGA-PEG三嵌段共聚物、POE、SAIB(乙酸异丁酸蔗糖酯)、聚二噁烷酮、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、MMA和N-乙烯基吡咯烷酮、聚酰胺、氧基纤维素、乙醇酸与三亚甲基碳酸酯的共聚物、聚酯酰胺、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、硅酮、透明质酸、壳聚糖或其组合。

在一些实施例中，骨移植物可能不是完全生物可降解的。例如，骨移植物可以包含聚氨酯、聚脲、聚醚(酰胺)、PEBA、热塑性弹性体烯烃、共聚酯和苯乙烯热塑性弹性体、钢、铝、不锈钢、钛、具有高非铁金属含量和低相对比例的铁的金属合金、碳装置、玻璃装置、塑料、陶瓷、甲基丙烯酸酯、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、PEO-PPO-PEO(pluronics)或其组合。通常，这些类型的基质可能需要在一定量的时间后被去除。

在一些实施例中，骨移植物包含生物可降解聚合物，其包含聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLGA)、聚丙交酯(PLA)、聚乙交酯(PGA)、D-丙交酯、D,L-丙交酯、L-丙交酯、D,L-丙交酯-共-ε-己内酯、L-丙交酯-共-ε-己内酯、D,L-丙交酯-共-乙交酯-共-∈-己内酯、聚(D,L-丙交酯-共-己内酯)、聚(L-丙交酯-共-己内酯)、聚(D-丙交酯-共-己内酯)、聚(D,L-丙交酯)、聚(D-丙交酯)、聚(L-丙交酯)、聚(酯酰胺)或其组合中的一种或多种。在一些实施例中，生物活性材料可以被包封在生物可降解聚合物中。

在各种实施例中，生物可降解聚合物的粒度分布可以是约10微米、13微米、85微米、100微米、151微米、200微米以及其间的所有子范围。在一些实施例中，至少75％的粒子具有约10微米至约200微米的尺寸。在一些实施例中，至少85％的粒子具有约10微米至约200微米的尺寸。在一些实施例中，至少95％的粒子具有约10微米至约200微米的尺寸。在一些实施例中，所有粒子具有约10微米至约200微米的尺寸。在一些实施例中，至少75％的粒子具有约20微米至约180微米的尺寸。在一些实施例中，至少85％的粒子具有约20微米至约180微米的尺寸。在一些实施例中，至少95％的粒子具有约20微米至约180微米的尺寸。在一些实施例中，所有粒子具有约20微米至约180微米的尺寸。

在一些实施例中，骨移植物包含MW为约15,000至约150,000Da或约25,000至约100,000Da的一种或多种聚合物(例如PLA、PLGA等)。

在一些实施例中，骨移植物包含至少一种生物可降解材料，其重量％以骨移植物的总重量计为约99.5％、99％、98％、97％、96％、95％、94％、93％、92％、91％、90％、89％、88％、87％、86％、85％、84％、83％、82％、81％、80％、79％、78％、76％、75％、74％、73％、72％、71％、70％、65％、60％、55％、50％、45％、35％、25％、20％、15％、10％至约5％。在一些实施例中，以骨移植物的总重量计，生物可降解聚合物占约0.1％至约20％的范围。在一些实施例中，以骨移植物的总重量计，生物可降解聚合物占约0.1％至约15％的范围。在一些实施例中，以骨移植物的总重量计，生物可降解聚合物占14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％或5％。

在一些实施例中，生物可降解聚合物以骨移植物的约0.01重量％至约50重量％或约8.0重量％至约50重量％的量存在。在一些实施例中，生物可降解聚合物以约0.1重量％至约10重量％、约10重量％至约20重量％、约20重量％至约30重量％、约30重量％至约40重量％或约40重量％至约50重量％的量存在。在其它实施例中，以骨移植物的重量计，生物可降解聚合物占0.2至2％并且陶瓷粒子占约98至99.8％。

甘露醇、海藻糖、葡聚糖、mPEG和/或PEG可以用作聚合物的增塑剂。在一些实施例中，聚合物和/或增塑剂也可以涂布在骨移植物上以提供期望的释放特征。在一些实施例中，涂层厚度可以很薄，例如从约5、10、15、20、25、30、35、40、45或50微米到较厚的涂层60、65、70、75、80、85、90、95或100微米以延迟生物活性物质从骨移植物的释放。在一些实施例中，骨移植物上的涂层范围从约5微米至约250微米或5微米至约200微米，以延迟从骨移植物的释放。

在各种实施例中，载体材料可以是金属，例如生物可降解金属。术语“生物可降解金属”(BM)已通常用于描述用于医疗应用的可降解金属生物材料。有用的生物可降解金属包括但不限于基于镁的BM，包括纯镁、镁-钙合金、镁锌合金；和基于铁的BM，包括纯铁、铁锰合金。

在另一个实施例中，镁合金可以包括约90至约98重量％镁、约0至约6重量％铝、约0至约2重量％锌和约0至约3％稀土金属。在另一个实施例中，镁合金可以是AE42，其包括94重量％镁、4重量％铝和2重量％稀土金属。

在各种实施方案中，对于用于生产本申请的骨移植物的计算机实现的方法有用的并且可以与3D打印机一起使用的骨材料包括同种异体移植物、脱矿骨基质纤维、脱矿骨碎片或其组合。

根据一些实施例，与骨材料一起、在骨材料中或在骨材料上由3D打印机使用的载体材料可以用一种或多种生物活性剂或生物活性化合物补充、进一步处理或进行化学修饰。如本文所用，生物活性剂或生物活性化合物是指改变、抑制、激活或以其它方式影响生物或化学事件的化合物或实体。例如，生物活性剂可以包括但不限于成骨或软骨形成蛋白或肽；DBM粉末；胶原、不溶性胶原衍生物等以及溶解于其中的可溶性固体和/或液体；抗AIDS物质；抗癌物质；抗微生物剂和/或抗生素，如红霉素、杆菌肽、新霉素、青霉素、多霉素B、四环素、二霉素、氯霉素和链霉素、头孢唑林、氨苄西林、氨曲南、妥布霉素、克林霉素和庆大霉素等；免疫抑制剂；抗病毒物质，如对肝炎有效的物质；酶抑制剂；激素；神经毒素；阿片类药物；安眠药；抗组胺剂；润滑剂；镇静剂；抗惊厥剂；肌肉松弛剂和抗帕金森病物质；抗痉挛剂和肌肉收缩剂，包括通道阻断剂；缩瞳药和抗胆碱能剂；抗青光眼化合物；抗寄生虫和/或抗原生动物化合物；细胞-细胞外基质相互作用的调节剂，包括细胞生长抑制剂和抗粘附分子；血管舒张剂；DNA、RNA或蛋白质合成抑制剂；抗高血压药；镇痛剂；退烧药；甾体和非甾体消炎剂；抗血管生成因子；血管生成因子和含有这些因子的聚合物载体；抗分泌因子；抗凝剂和/或抗血栓剂；局部麻醉剂；前列腺素；抗抑郁药；抗精神病药物；止吐药；成像剂；杀生物/生物稳定糖，如葡聚糖、葡萄糖等；氨基酸；肽；维生素；无机元素；蛋白质合成的辅因子；内分泌组织或组织碎片；合成剂；酶，如碱性磷酸酶、胶原酶、肽酶、氧化酶等；具有实质细胞的聚合物细胞支架；胶原晶格；抗原剂；细胞骨架剂；软骨碎片；活细胞，如软骨细胞、骨髓细胞、间充质干细胞；天然提取物；基因工程活细胞或以其它方式修饰的活细胞；扩增或培养的细胞；由质粒、病毒载体或其它成员递送的DNA；组织移植物；自体组织，如血液、血清、软组织、骨髓等；生物粘附剂；骨形态发生蛋白(BMP)；骨诱导因子(IFO)；纤连蛋白(FN)；内皮细胞生长因子(ECGF)；血管内皮生长因子(VEGF)；牙骨质附着提取物(CAE)；酮色林；人类生长激素(HGH)；动物生长激素；表皮生长因子(EGF)；白细胞介素，例如白细胞介素-1(IL-1)、白细胞介素-2(IL-2)；人α凝血酶；转化生长因子(TGF-β)；胰岛素样生长因子(IGF-1、IGF-2)；甲状旁腺激素(PTH)；血小板源性生长因子(PDGF)；成纤维细胞生长因子(FGF、BFGF等)；牙周韧带趋化因子(PDLGF)；釉基质蛋白；生长和分化因子(GDF)；刺猬蛋白家族；蛋白质受体分子；来源于上述生长因子的小肽；骨促进剂；细胞因子；生长激素；骨消化剂；抗肿瘤剂；细胞引诱剂和附着剂；免疫抑制剂；穿透增强剂，例如脂肪酸酯，如聚乙二醇的月桂酸酯、肉豆蔻酸酯和硬脂酸单酯，烯胺衍生物，α-酮醛；和核酸。

在某些实施例中，生物活性剂可以是药物、生长因子、蛋白质或其组合。在一些实施例中，生物活性剂可以是生长因子、细胞因子、细胞外基质分子或其片段或衍生物，例如蛋白质或肽序列，如RGD。

在一些实施例中，聚合物的弹性模量可以在约1×10²达因/平方厘米至约6×10⁵达因/平方厘米、或2×10⁴至约5×10⁵达因/平方厘米、或5×10⁴至约5×10⁵达因/平方厘米范围内。

载体材料中的微球体

在一些实施例中，包括在由3D打印机使用的载体材料中的生物活性剂可以包埋在例如通过凝聚技术或通过界面聚合制备的微球体或聚合物珠中，例如分别在胶体药物递送系统(例如脂质体、白蛋白微球体、微乳液、纳米粒子和纳米胶囊)中或在粗乳液中的羟甲基纤维素或明胶-微胶囊和聚-(甲基丙烯酸甲酯)微胶囊。这种技术公开于《雷明顿氏药物科学(Remington's Pharmaceutical Sciences)》,第16版,Osol,A.编(1980)中。

在某些实施方案中，掺入载体材料中的微球体的直径大小为约1μm至约750μm。在其它实施方案中，微球体的直径大小可以在约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740至约750μm内变化。在其它方面，微球体是多孔的并且包含具有约1μm至约100μm尺寸的孔。通过在通过3D打印形成骨移植物期间向存在于载体材料中的微球体或聚合物珠添加已知量的生物活性剂，有可能以渐变的方式控制来自骨移植物的生物活性剂的递送机制，防止太多的生物活性剂一次全部释放。

在其它方面，3D打印机可以通过将含有包括生物活性剂的微球体的载体材料和骨材料组合来制备3D骨移植物，其中将骨移植物打印在具有承载强度的衬底上，例如生物相容性或生物可降解金属或其它非金属移植物。在各个方面，载体材料的微球体可以包括额外添加剂，例如药物、生长因子、蛋白质或其组合。

可固化墨

在数种实施方案中，载体材料包含干燥、固化或反应以形成多孔的、生物可降解的生物相容性材料的墨，所述材料是骨诱导性的并且具有与骨相当的承载强度。在一些方面，墨可以前体粉末和前体液体的形式供应。这些可能会被送入3D打印机中的独立容器。在打印之前，可将一定量的前体粉末和前体液体混合以形成用于打印定制骨移植物的墨。打印可以通过经由适当尺寸的打印喷嘴输送大量的墨来完成，所述喷嘴可以相对于正在打印的定制骨移植物在光栅扫描中移动。

墨的前体粉末可以含有多种成分，如但不限于脱矿同种异体移植骨基质(DMB)、自由基聚合引发剂，例如过氧化二苯甲酰或其某一组合。前体液体可以含有各种成分，例如甲基丙烯酸甲酯(MMA)、不透射线的化合物、抗生素和增加生物可降解性的化合物，或其组合。在一些方面，不透射线化合物可以是但不限于二氧化锆或硫酸钡或其组合。在其它方面，有用的抗生素包括但不限于阿莫西林、多西环素、庆大霉素、克林霉素或其组合。可以增加墨的生物可降解性的其它添加剂包括但不限于乙酸纤维素(CA)、邻苯二甲酸乙酸纤维素(CAP)或其组合。

在替代实施例中，墨可以包括合成骨替代物，以及如上所述的其它缓慢再吸收生物相容性生物活性粘合剂。人造骨替代物的实例包括但不限于羟基磷灰石、合成磷酸钙陶瓷或其组合。这些可以用于代替天然骨颗粒或与天然骨颗粒一起使用，例如但不限于同种异体移植物、完全脱矿骨纤维和表面脱矿骨碎片或其组合。这些可以与合成产生的骨形态发生剂一起使用，例如但不限于重组人骨形态发生蛋白rhBMP-2。替代墨还可以包括其它生物相容性生物活性粘合剂，例如玻璃聚亚烷酸酯粘固剂、基于油酸甲酯的粘合剂或其组合。

根据其它实施例，与骨材料一起、在骨材料中或在骨材料上由3D打印机使用的载体材料可以补充有可在3D打印之前或期间掺入的其它微米粒子和/或纳米粒子，以赋予某些期望的机械、磁性、压电特性和/或刺激在各种体内或体外条件下植入本公开中描述的定制骨移植物时的细胞功能。

骨移植物的灭菌

在各个方面，通过本申请的方法获得的3D打印的骨移植物可以在其形成时、在固化工艺期间或在最终包装步骤中被最终灭菌。在各种实施例中，骨移植物的一个或多个组件可以在最终包装的最终灭菌步骤中通过辐射进行灭菌。产品的最终灭菌比无菌工艺等工艺提供了更高的无菌保证，其要求个别产品组分分别灭菌并且在无菌环境中组装最终包装。

在各种实施例中，在最终灭菌步骤中使用γ辐射，其涉及利用来自γ射线的电离能深入地渗透到骨移植物中。γ射线在杀死微生物方面非常有效，它们不留下任何残留物，也没有足够的能量将放射性赋予骨移植物。当骨移植物处于包装中时可以采用γ射线，并且γ灭菌不需要高压或真空条件，因此包装密封件和其它组件不受应力。另外，γ辐射消除了对渗透性包装材料的需求。

在一些实施例中，骨移植物可以包装在防潮包装中，然后通过γ照射进行最终灭菌。在使用中，外科医生从无菌包装中取出一个或全部组件以供使用。

在各种实施例中，可以使用电子束(electron beam/e-beam)辐射对骨移植物的一个或多个组件进行灭菌。电子束辐射包含电离能的形式，其通常以低穿透率和高剂量率为特征。电子束照射与γ处理类似，因为它改变了接触时各种化学和分子键，包括微生物的生殖细胞。所制造的用于电子束灭菌的射束是由电加速和转换所产生的集中的、大量带电的电子流。

也可以使用其它方法来对骨移植物和/或骨移植物的一个或多个组件进行灭菌，包括但不限于气体灭菌，例如用环氧乙烷或蒸汽灭菌。

复合墨

在各种实施例中，用于本文所述的3D打印机系统的墨水是复合墨。在一些方面，3D打印机可以使用包含聚合物和碎片、微米粒子、纳米粒子和/或脱矿骨、未脱矿骨或其组合的纤维的复合长丝作为墨。在一些实施例中，复合长丝包含生物可蚀解聚合物、一种或多种陶瓷和脱矿骨基质(DBM)，其中脱矿骨基质粒子嵌入生物可蚀解聚合物和陶瓷粒子内或涂布在其表面上。在另一个实施例中，脱矿骨基质粒子分散在整个生物可蚀解聚合物和陶瓷粒子中。在一些实施例中，脱矿骨基质粒子均匀地分散在整个聚合物和陶瓷粒子中。

在某些实施例中，复合长丝包含来自同种异体移植骨的脱矿骨基质的纤维和非同种异体移植骨材料的纤维的组合，非同种异体移植骨材料的纤维包含嵌入非同种异体移植骨材料的纤维内或安置于其上的非纤维状脱矿骨基质粒子。

在其它实施例中，非同种异体移植骨材料的纤维单独或组合地包含生物可蚀解聚合物和一种或多种陶瓷。在一些实施例中，非同种异体移植骨材料的纤维单独或组合地包含陶瓷和胶原、透明质酸、壳聚糖、角蛋白及其衍生物。在一些实施例中，生物可蚀解聚合物是胶原。在一些实施例中，胶原是多孔的。在其它实施例中，同种异体移植骨和非同种异体移植骨材料的纤维直径在约50μm与约1mm之间。在一些实施例中，同种异体移植骨和非同种异体移植骨材料的纤维直径在约75nm与约250nm之间。在一些实施例中，同种异体移植骨和非同种异体移植材料的纤维长度在约5mm与约30mm之间。在一些实施例中，复合长丝组合物含有生物活性剂。在一些实施例中，陶瓷是磷酸钙陶瓷和/或硅陶瓷。在其它实施例中，陶瓷是磷酸三钙。在一些实施例中，来自同种异体移植骨的脱矿骨基质的纤维与非同种异体移植材料的纤维的比在约80:20至约70:30，或约40:60至约60:40的范围内。在一些实施例中，同种异体移植骨的脱矿骨基质的纤维与非同种异体移植材料的纤维的比为约50:50。在一些实施例中，嵌入非同种异体移植骨材料的纤维内或安置于其上的非纤维状脱矿骨基质粒子的直径大小范围在约50μm与约30mm之间。

非同种异体移植骨材料的纤维包含生物可蚀解聚合物和合成陶瓷，脱矿骨基质粒子嵌入非同种异体移植骨材料内和/或其表面上。脱矿骨基质粒子是非纤维状的。在其它实施例中，粒子是粉末、微球体、海绵、糊剂、凝胶和/或颗粒。在一个实施例中，粒子是粉末。

用于本公开的DBM粒子可以商购获得或者可以通过已知技术制备。一般而言，有利的骨诱导性DBM材料可以通过皮质和/或松质骨脱钙来制备，通常通过酸提取。可以进行这一工艺以便将胶原、非胶原蛋白和生长因子一起留在固体基质中。用于制备这种生物活性脱矿骨基质的方法是已知的，关于这一点可以参考美国专利号5,073,373；5,484,601；和5,284,655作为实例。DBM产品也可商购，包括例如来自Regeneration Technologies,Inc.(Alachua,Fla.),美国红十字会(Arlington,Va.)和其它来源。为了本公开的目的，可以使用任何形状和粒度的DBM，包括片段、切片、小球、刨花、颗粒、碎片、纤维或粉末以及脱矿全骨形式的DBM。在各种实施例中，脱矿骨的粒度小，并且呈粉末形式。在某些实施例中，颗粒DBM材料的平均粒度可以小于约100至约1000微米。例如，DBM材料的粒度可以在50至850微米范围内。仅具有骨传导性的DBM材料可以使用类似的技术来制备，所述技术已被修改或补充以去除骨基质中负责骨诱导性的组分或使其失活(例如通过交联或以其它方式变性)。本公开中使用的骨诱导性和/或骨传导性DBM材料可以来源于人类供体组织，特别是关于意图用于人类受试者的植入装置。

关于基于干重考虑的掺入材料，嵌入非同种异体移植纤维上的颗粒DBM材料可以占组合物的约10重量％至约50重量％、约20重量％至约40重量％和约25重量％至约35重量％。在各种实施例中，嵌入非同种异体移植纤维上的颗粒DBM材料可以占复合长丝的约10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％或约50％。以类似的方式，复合长丝可以含有以干重计约5％至约30％、约8％至约20％、或约10％至约15％的重量的不溶性胶原颗粒；并且可以含有以干重计约1％至约20％、约5％至约15％或约8％至约12％的含量的陶瓷。然而，应理解，在本公开的较宽方面内可以使用其它量的这些材料。

在一些实施例中，同种异体移植骨的脱矿骨纤维和非同种异体移植骨的纤维具有约50:1至约1000:1的纤维的平均长度与平均厚度比或纵横比。在整体外观上，细长的脱矿骨纤维可以呈线、窄条和/或薄片形式。细长的脱矿骨纤维的外观可以基本上是线性的，或者它们可以卷绕成类似于弹簧。在一些实施例中，细长的脱矿骨纤维具有不规则形状，包括例如线性、蛇形和/或弯曲形状。细长的骨纤维可以是脱矿质的，然而当特定实施例需要时，可以保留一些原始矿物质含量。复合长丝的骨移植组合物可以进一步包含矿化骨粒子。

当置于哺乳动物体内时，生物可蚀解聚合物将表现出溶解性并且可以是亲水性的(例如胶原、透明质酸、聚乙二醇)。根据本公开，合成聚合物是合适的，因为它们是生物相容性的并且以一定范围的共聚物比率可用以控制它们的降解。

在一些实施例中，可以使用疏水性聚合物(例如聚(丙交酯-共-乙交酯)、聚酸酐)。或者，亲水性和疏水性聚合物的组合可以用于本公开的骨移植组合物中。

示例性材料可以包括生物聚合物和合成聚合物，如人皮肤、人发、骨、胶原、脂肪、含纤维和/或纤维和碎片的薄交联片、聚乙二醇(PEG)、壳聚糖、藻酸盐片、纤维素片、透明质酸片以及聚(丙交酯-共-乙交酯)PLGA的共聚物共混物。

在一些实施例中，本文公开的粒子还可以包括其它生物相容性和生物可吸收物质。这些材料可以包括例如天然聚合物，如蛋白质和多肽、葡糖胺聚糖、蛋白聚醣、弹性蛋白、透明质酸、硫酸皮肤素、明胶或其混合物或复合物。合成聚合物也可以掺入骨移植物复合材料中。这些包括例如生物可降解的合成聚合物，如聚乳酸、聚乙交酯、聚乳酸聚乙醇酸共聚物(“PLGA”)、聚己内酯(“PCL”)、聚(二氧环己酮)、聚(三亚甲基碳酸酯)共聚物、聚葡萄糖酸酯、聚(富马酸丙二酯)、聚(对苯二甲酸乙二酯)、聚(对苯二甲酸丁二酯)、聚乙二醇、聚己内酯共聚物、聚羟基丁酸酯、聚羟基戊酸酯、酪氨酸衍生的聚碳酸酯和可以由与先前列出的均聚物和共聚物有关的单体聚合而成的任何无规或(多)嵌段共聚物，如二元共聚物、三元共聚物、四元共聚物。

在一些实施例中，生物可蚀解聚合物是胶原。胶原具有优异的组织相容性，没有抗体形成或移植排斥。可以使用任何合适的胶原材料，包括已知的胶原材料或如2008年2月12日提交的美国专利申请序号12/030,181中所公开的胶原材料，其以全文引用的方式并入本文中。各种胶原材料可以单独使用或与其它材料组合使用。

用于本公开的不溶性胶原材料可以源自天然组织来源(例如相对于受体人类或其它患者的异种的、同种异体的或自体的)或重组制备的。胶原可以根据其氨基酸序列、碳水化合物含量和存在或不存在二硫键交联而细分成数种不同的类型。I型和III型胶原是胶原最常见的两种亚型并且可以用于本公开。I型胶原存在于皮肤、肌腱和骨骼中，而III型胶原主要存在于皮肤中。用于本公开的组合物中的胶原可以从皮肤、骨骼、肌腱或软骨中获得并通过本领域和本行业中熟知的方法纯化。或者，胶原可以从商业来源购买。

胶原可以是去端肽胶原和/或端肽胶原。另外，可以使用非原纤维和原纤维胶原中的一种或两种。非原纤维胶原是已溶解并且未被重构成其天然原纤维形式的胶原。

可商购得到合适的胶原产品，包括例如来自Kensey Nash Corporation(Exton,Pa.)，其从牛皮生产称为Semed F的纤维状胶原。Integra Life Science HoldingCorporation(Plainsboro,N.J.)也制造来源于牛皮的胶原材料。天然衍生或重组的人胶原材料也适用于本公开。说明性地，重组人胶原产品可从Fibrogen,Inc.(San Francisco,Calif.)获得。

例如，掺入到本发明组合物中的固体颗粒胶原可以是完整纤维或重构纤维或无规形状粒子的形式。在某些实施例中，固体颗粒胶原将呈衍生自海绵材料的粒子形式，例如通过磨碎、粉碎或其它类似操作随机碎裂海绵材料。这种颗粒状海绵材料的平均最大粒径可以小于约6mm、小于约3mm或在约0.5mm至2mm范围内。例如，可以通过磨碎或研磨多孔海绵材料并通过具有大小约6mm或更小，或约0.5mm至约2mm的开口的筛网筛分磨碎或研磨的材料来获得这种材料。具有相关筛的Retch研磨机适用于这些目的。也可以使用纤维、不规则形状或其它形状的化学交联颗粒胶原的其它来源，并且它们的用途被认为是本公开的另一方面。这些交联的颗粒材料可以作为用于制备如本文所公开的复合组合物的起始材料提供，并且因此掺入骨移植物中时，这些颗粒单独交联。交联的固体胶原粒子可以与本发明组合物中的非交联胶原组合使用，其中非交联胶原可以是固体(不溶性)或可溶性胶原或其组合。例如，可以使用这种交联和未交联的胶原混合物来调节骨移植组合物的胶原部分在体内的停留时间。

合适的交联剂包括但不限于单醛和二醛，包括戊二醛和甲醛；聚环氧化合物，如甘油；和糖，如葡萄糖。在一个实施例中，交联剂是甘油。

示例性胶原粒子可以从各种胶原来源获得，包括人类或非人类(牛、羊和/或猪)以及重组胶原或其组合。合适的胶原的实例包括但不限于I型人胶原、II型人胶原、III型人胶原、IV型人胶原、V型人胶原、VI型人胶原、VII型人胶原、VIII型人胶原、IX型人胶原、X型人胶原、XI型人胶原、XII型人胶原、XIII型人胶原、XIV型人胶原、XV型人胶原、XVI型人胶原、XVII型人胶原、XVIII型人胶原、XIX型人胶原、XXI型人胶原、XXII型人胶原、XXIII型人胶原、XXIV型人胶原、XXV型人胶原、XXVI型人胶原、XXVII型人胶原和XXVIII型人胶原或其组合。胶原还可以包含任何上述胶原类型的异三聚体和同三聚体。在一些实施例中，胶原包含I型人胶原、II型人胶原、III型人胶原或其组合的异三聚体或同三聚体。在一些实施例中，胶原是多孔的。

在一些实施例中，生物可蚀解聚合物可以是透明质酸、壳聚糖、几丁质、角蛋白、纤维素、葡糖胺聚糖及其衍生物(例如透明质酸的酯)或可以用作胶原的替代物或与胶原组合使用的合成来源的其它聚合物。

在一些实施例中，本文公开的合成陶瓷可以选自一种或多种包含磷酸钙陶瓷或硅陶瓷的材料。可以使用生物玻璃如基于硅酸钙的生物玻璃、磷酸硅钙、磷酸三钙(TCP)、双相磷酸钙、硫酸钙、羟基磷灰石、珊瑚羟基磷灰石、碳化硅、氮化硅(Si₃N₄)和生物相容性陶瓷。在一些实施例中，陶瓷是磷酸三钙或双相磷酸钙和硅陶瓷。在一些实施例中，陶瓷是磷酸三钙。

在一些实施例中，陶瓷是磷酸钙陶瓷和硅陶瓷的组合。在一些实施例中，磷酸钙陶瓷是可再吸收的双相磷酸钙(BCP)或可再吸收的磷酸三钙(TCP)。

双相磷酸钙的磷酸三钙:羟基磷灰石重量比可以是约50:50至约95:5，约70:30至约95:5，约80:20至约90:10或约85:15。矿物材料可以是平均粒径在约0.2与5.0mm之间、在约0.4与3.0mm之间或在约0.4与2.0mm之间的粒状颗粒。

本发明的陶瓷还可以是氧化物陶瓷，如氧化铝(Al₂O₃)或氧化锆(ZrO₂)；或者氧化物和非氧化物(如氮化硅)的复合组合。

本公开的陶瓷可以是多孔的并且可以具有足够大的孔径以允许通过骨形成细胞侵入材料的骨诱导。多孔陶瓷的实例是羟基磷灰石和TCP。

在一些实施例中，非同种异体移植骨材料包括约40至约60重量％胶原、约20至约50重量％DBM和约10至约50重量％陶瓷。在一些实施例中，DBM粒子与胶原和/或陶瓷比为约5:1、约4:1、约3:1、约2:1、约1:1、约1:5、约1:4、约1:3或约1:2。在一些实施例中，DBM粒子与胶原蛋白和/或陶瓷比为约1.5:0.5、约1:1或约0.5:1.5。

在一些实施例中，本文公开的粒子还包括合成陶瓷，其有效提供用于骨生长的支架并且是完全生物可吸收的和生物相容性的。合成陶瓷应提供高局部浓度的钙、磷酸盐和硅离子，其可以充当从头形成骨的巢穴。这种可再吸收的陶瓷的使用提供了优于替代的传统材料的许多优点。例如，它消除了对治疗后手术进行去除的需求并且在人体内降解成生物相容性、生物可吸收产物。

在其它实施例中，用于本文所述的3D打印机系统的复合长丝是可固化复合墨。复合墨包含可固化材料和任选地分散于墨中的着色剂，着色剂的量为复合墨的约0.01至约5重量％。在一些情况下，着色剂以约0.01至3重量％、约0.01至1重量％、约0.05至5重量％、约0.05至3重量％、约0.05至1重量％、约0.1至5重量％、约0.1至3重量％或约0.1至1重量％的量存在于复合墨中。在一些方面，复合墨的着色剂包含无机颜料，如TiO₂和ZnO。在一些实施例中，复合墨的着色剂包含用于RGB、sRGB、CMY、CMYK、L*a*b*或着色方案的着色剂。此外，在一些情况下，本文所述的颗粒着色剂的平均粒度小于500nm，如平均粒度小于400nm、小于300nm、小于250nm、小于200nm或小于150nm。在一些情况下，颗粒着色剂的平均粒度为50-1000nm、50-500nm、50-400nm、50-300nm、50-200nm、70-500nm、70-300nm、70-250nm或70-200nm。

在某些实施例中，包括在复合长丝中的可固化材料按复合墨的总重量计，以高达约99重量％、高达约95重量％、高达约90重量％或高达约80重量％的量存在。在一些情况下，本文所述的复合墨包含以载体墨的总重量计约10-95重量％可固化材料。在一些实施例中，载体墨包含约20-80重量％可固化材料、约30-70重量％可固化材料或约70-90重量％可固化材料。

在一些情况下，可固化材料包含一种或多种可聚合组分。如本文所用，可聚合组分包含可被聚合或固化以提供3D打印制品或对象的组分。在一些实施例中，聚合或固化包含用具有足够能量的电磁辐射照射以引发聚合或交联反应。在其它实施例中，可以使用紫外(UV)辐射。

在一些实施例中，可聚合组分包含单体化学物质，如具有一个或多个官能团或部分的化学物质，所述官能团或部分可以与另一单体化学物质的相同或不同官能团或部分反应以形成一个或多个共价键，如在聚合反应中。在一些实施例中，聚合反应包含自由基聚合，如在不饱和点(包括烯属不饱和点)之间的自由基聚合。在一些实施例中，可聚合组分包含至少一个烯键式不饱和部分，如乙烯基或烯丙基。在一些实施例中，可聚合组分包含能够进行额外聚合的低聚化学物质，如通过如本文所述的一个或多个不饱和点。在其它实施例中，可聚合组分包含如本文所述的一种或多种单体化学物质和一种或多种低聚化学物质。本文所述的单体化学物质和/或低聚化学物质可以具有一个可聚合部分或多个可聚合部分。

在一些实施例中，可聚合组分包含一种或多种可光聚合或可光固化的化学物质。在一些实施例中，可光聚合化学物质包含UV可聚合化学物质。在一些实施例中，可聚合组分在约300nm至约400nm的波长范围内可光聚合或可光固化。或者，在一些实施例中，可聚合组分在电磁光谱的可见光波长下可光聚合。

在一些实施例中，本文所述的可聚合组分包含一种或多种(甲基)丙烯酸酯，包括丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯或其混合物或组合。在其它实施例中，可聚合组分包含脂族聚酯氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物、氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯树脂和/或丙烯酸酯胺低聚树脂，如EBECRYL 7100。在其它实施例中，UV可聚合或可固化树脂或低聚物可以包含在自由基光引发剂存在下聚合的任何甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯树脂，在喷射温度下在暴露状态下热稳定至少一周，封闭状态下至少4周，和/或具有大于喷射温度的沸点。在一些实施例中，可聚合组分具有高于喷射温度的闪点。

在一些实施例中，适用于本文所述的墨的氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯可以已知方式制备，典型地通过使羟基封端的氨基甲酸酯与丙烯酸或甲基丙烯酸反应以得到相应的氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯，或通过使异氰酸酯封端的预聚物与丙烯酸羟烷基酯或甲基丙烯酸羟烷基酯反应得到氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯。这种(甲基)丙烯酸酯低聚物的重均分子量通常在约400至10,000或约500至7,000范围内。氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯可以产品名称CN980、CN981、CN975和CN2901从SARTOMER公司购得，或者以产品名称BR-741从BomarSpecialties Co.(Winsted,Conn.)购得。在一些实施例中，当以符合ASTM D2983的方式测量时，氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯低聚物具有在约50℃下约140,000cP至约160,000cP的粘度，或在约50℃下约125,000cP至约175,000cP的粘度。在本文所述的一些实施例中，当以符合ASTM D2983的方式测量时，氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯低聚物具有在约50℃下约100,000cP至约200,000cP的粘度，或在约50℃下约10,000cP至约300,000cP的粘度。

在各种实施例中，可聚合组分包含一种或多种低分子量材料，如甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸酯、三丙烯酸酯和二丙烯酸酯，其可以各种组合使用。在一些实施例中，例如，可聚合组分包含甲基丙烯酸四氢糠酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸2-苯氧基乙酯、甲基丙烯酸月桂酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯、2-苯氧乙基丙烯酸酯、三乙二醇二丙烯酸酯、单官能脂族氨基甲酸酯丙烯酸酯、聚丙二醇单甲基丙烯酸酯、聚乙二醇单甲基丙烯酸酯、环己烷二甲醇二丙烯酸酯和十三烷基甲基丙烯酸酯中的一种或多种。

在一些实施例中，可聚合组分包含脂族、环脂族或芳族二醇的二丙烯酸酯和/或二甲基丙烯酸酯，所述二醇包括1,3-或1,4-丁二醇、新戊二醇、1,6-己二醇、二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、聚乙二醇、三丙二醇、乙氧基化或丙氧基化新戊二醇、1,4-二羟甲基环己烷、2,2-双(4-羟基环己基)丙烷或双(4-羟基环己基)甲烷、对苯二酚、4,4'-二羟基联苯、双酚A、双酚F、双酚S、乙氧基化或丙氧基化双酚A、乙氧基化或丙氧基化双酚F或乙氧基化或丙氧基化双酚S。

在一些实施例中，可聚合组分包含一种或多种三(甲基)丙烯酸酯。在一些实施例中，三(甲基)丙烯酸酯包含1,1-三羟甲基丙烷三丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯、乙氧基化或丙氧基化1,1,1-三羟甲基丙烷三丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯、乙氧基化或丙氧基化甘油三丙烯酸酯、季戊四醇单羟基三丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯或三(2-羟基乙基)异氰脲酸酯三丙烯酸酯。

在其它实施例中，本文所述复合长丝的可聚合组分包含一种或多种更高官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，如二季戊四醇单羟基五丙烯酸酯或双(三羟甲基丙烷)四丙烯酸酯。在一些实施例中，墨的(甲基)丙烯酸酯的分子量范围介于约250至700。

在某些实施例中，可聚合组分包含丙烯酸烯丙酯、甲基丙烯酸烯丙酯、(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸正丙酯、(甲基)丙烯酸正丁酯、(甲基)丙烯酸异丁酯、(甲基)丙烯酸正己酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、(甲基)丙烯酸正辛酯、(甲基)丙烯酸正癸酯和(甲基)丙烯酸正十二烷基酯、(甲基)丙烯酸2-羟乙酯、(甲基)丙烯酸2-和3-羟丙酯、(甲基)丙烯酸2-甲氧基乙酯、(甲基)丙烯酸2-乙氧基乙酯和(甲基)丙烯酸2-或3-乙氧基丙酯、甲基丙烯酸四氢糠酯、丙烯酸2-(2-乙氧基乙氧基)乙酯、甲基丙烯酸环己酯、丙烯酸2-苯氧基乙酯、丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸异癸酯或其组合。

可用于本文所述的一些实施例中的可聚合组分的物种的额外非限制性实例包括以下：丙烯酸异冰片酯(IBOA)，可以商品名SR 506A从SARTOMER购得；甲基丙烯酸异冰片酯，可以商品名SR 423A从SARTOMER购得；烷氧基化丙烯酸四氢糠酯，可以商品名SR 611从SARTOMER购得；单官能氨基甲酸酯丙烯酸酯，可以商品名GENOMER 1122从RAHN USA购得；脂族氨基甲酸酯二丙烯酸酯，可以商品名EBECRYL 8402从ALLNEX购得；三乙二醇二丙烯酸酯，可以商品名SR 272从SARTOMER购得；三乙二醇二甲基丙烯酸酯，可以商品名SR 205从SARTOMER购得；三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯，可以商品名SR 833S从SARTOMER购得；三(2-羟乙基)异氰脲酸酯三丙烯酸酯，可以商品名SR 368从SARTOMER购得；和丙烯酸2-苯氧基乙酯，可以商品名SR 339从SARTOMER购得。还可以使用其它市售可固化材料。

用于本公开中描述的3D打印系统的复合长丝墨还可以包括一种或多种选自光引发剂、抑制剂、稳定剂、敏化剂及其组合的添加剂。在一些实施例中，合适的光引发剂包含苯偶姻类，包括苯偶姻、苯偶姻醚(如苯偶姻甲醚、苯偶姻乙醚和苯偶姻异丙醚、苯偶姻苯醚)和苯偶姻乙酸酯；苯乙酮类，包括苯乙酮、2,2-二甲氧基苯乙酮和1,1-二氯苯乙酮；苯偶酰；苯偶酰缩酮类，如苯偶酰二甲基缩酮和苯偶酰二乙基缩酮；蒽醌类，包括2-甲基蒽醌、2-乙基蒽醌、2-叔丁基蒽醌、1-氯蒽醌和2-戊基蒽醌；三苯基膦；苯甲酰基膦氧化物，例如2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦(Lucirin TPO)；二苯甲酮类，如二苯甲酮和4,4'-双(N,N'-二甲基氨基)二苯甲酮；噻吨酮和呫吨酮；吖啶衍生物；吩嗪衍生物；喹喔啉衍生物或1-苯基-1,2-丙二酮；2-O-苯甲酰肟；1-氨基苯基酮或1-羟基苯基酮，如1-羟基环己基苯基酮、苯基1-羟基异丙基酮和4-异丙基苯基1-羟基异丙基酮。

在一些情况下，合适的光引发剂包含可用于与HeCd激光辐射源一起使用的那些，包括苯乙酮、2,2-二烷氧基二苯甲酮和1-羟基苯基酮，如1-羟基环己基苯基酮或2-羟基异丙基苯基酮(2-羟基-2,2-二甲基苯乙酮)。另外，在其它方面，合适的光引发剂包含可用于与Ar激光辐射源一起使用的那些，包括苯偶酰缩酮，如苯偶酰二甲基缩酮。在一些实施例中，光引发剂包含α-羟苯基酮、苯偶酰二甲基缩酮或2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦或其混合物。

其它合适的光引发剂包含能够吸收光化辐射并产生用于聚合引发的自由基的离子染料-抗衡离子化合物。在一些实施例中，含有离子染料-抗衡离子化合物的墨可以用可见光在约400nm至约700nm的可调波长范围内更可变地固化。

光引发剂可以与本公开的目的不一致的任何量存在于本文所述的墨中。在一些实施例中，光引发剂按墨的总重量计以至多约5重量％的量存在于墨中。在一些实施例中，光引发剂以约0.1重量％至约5重量％的量存在。

在一些实施例中，打印3D骨移植物的方法包含将本文所述的复合墨层以流体状态选择性沉积到衬底上。例如，在一些情况下，以复合墨的总重量计，复合长丝墨包含可固化材料和以约0.01至5重量％的量分散于可固化材料中的着色剂。此外，可以按照计算机可读格式根据3D骨移植物的图像来沉积复合长丝墨层。在一些实施例中，根据预选的计算机辅助设计(CAD)参数将墨沉积到金属或非金属衬底上。

此外，在一些情况下，本文所述的一层或多层复合墨具有约0.03至约5mm的厚度、约0.03至约3mm的厚度、约0.03至约1mm的厚度、约0.03至约0.5mm的厚度、约0.03至约0.3mm的厚度、约0.03至约0.2mm的厚度、约0.05至约5mm的厚度、约0.05至约1mm的厚度、约0.05至约0.5mm的厚度、约0.05至约0.3mm的厚度或约0.05至约0.2mm的厚度。其它厚度也是可能的。

本文所述的方法还可以包含固化复合墨层。在一些实施例中，打印3D骨移植物的方法还包含使墨经受足够波长和强度的电磁辐射以固化墨，其中固化可以包含使墨的一种或多种组分的一种或多种可聚合官能团聚合。在打印3D骨移植物的一些实施例中，在沉积另一或相邻墨层之前，沉积的墨层被固化。

在一些实施例中，将预选量的本文所述的墨加热到适当温度并通过合适的喷墨打印机的打印头或多个打印头喷射以在打印腔室中的打印垫上形成层。在一些实施例中，根据预选的CAD参数来沉积每层墨。在一些实施例中，用于沉积墨的合适的打印头是压电打印头。用于沉积本文所述的墨和支撑材料的其它合适的打印头可以从各种喷墨打印设备制造商购得。例如，在一些情况下也可以使用施乐(Xerox)、惠普(Hewlett Packard)或理光(Ricoh)打印头。

在一些实施例中，打印3D制品的方法包含使用复合墨，其中复合墨在沉积时基本上保持流体。在其它实施例中，墨在沉积时表现出相变和/或在沉积时凝固。在一些实施例中，可以控制打印环境的温度，使得喷射的墨滴在与接收表面接触时凝固。在其它实施例中，喷射的墨滴在与接收表面接触时不凝固，保持基本上流体状态。在一些实施例中，在沉积每层之后，在沉积下一层之前，沉积的材料被平坦化并且利用电磁(例如UV)辐射进行固化。任选地，可以在平面化和固化之前沉积数层，或者可以沉积和固化多个层，接着沉积一层或多层，然后在不固化的情况下平坦化。平坦化在固化材料之前校正一层或多层的厚度，方法是均匀分配材料以去除多余材料并在打印机的支撑平台上形成均匀光滑的暴露或平坦的朝上表面。

在另一个实施例中，在3D打印过程中引入机械、磁性和/或压电敏感的微米、纳米粒子或图案，以在各种体内或体外机械磁力或压力条件下植入时刺激细胞功能。

图11是生产定制骨移植物的计算机实现的方法的代表性步骤的流程图。所述方法包括用于获得植入位置或预期骨修复部位的3D图像的步骤701，所述3D图像包括骨修复部位或网袋70的形貌或网袋70的位置。步骤701可以通过使用许多获得3D图像的已知技术来完成，包括但不限于(i)一个或多个X射线图像；(ii)计算机辅助设计(CAD)程序；(iii)锥束成像装置；(iv)计算机断层摄影(CT)扫描装置；(v)磁共振成像(MRI)；或其组合。在步骤702中，可以将在步骤701中获得的图像输入到合适的数字数据处理器中以创建定制骨移植物的3D模型。在步骤703中，供应在一些情况下包括保留脱矿骨粒子和/或纤维的生物活性并且具有承载结构的聚合物的成骨材料，以形成可以在步骤704和705中使用的墨。在一些方面，承载结构可以是金属或非金属结构。在步骤704中，3D打印机可以首先检查以确定最终层是否已经打印了生产定制骨移植物所需的所有层。

这些层可能已经由在数字数据处理装置上操作的编程模块提供，并且可以是定制骨移植物的3D模型减少到当以正确顺序打印时可以导致期望的骨移植物的连续切片。

在步骤705中，如果最后一层还没有被打印，那么3D打印机可以打印下一层。这可以通过例如以光栅方式移动打印喷嘴，在需要的地方沉积墨来完成。打印在无菌环境中进行。

在步骤706中，一旦3D打印机已经打印了构成定制骨移植物的所有所需层，那么可以对骨移植物进行打印后处理。例如，这一后处理步骤可以包括如但不限于溶解蔗糖晶体(如果存在的话)以提供定制骨移植物的多孔结构和灭菌的动作。

在步骤707中，3D打印的定制骨移植物被移出并且现在可以在预期骨修复部位插入到患者体内。

图12是示出根据本申请的一个实施例的逻辑执行用于产生骨移植物的代表性步骤的流程图。计算机被编程用于通过获得预期骨移植部位的3D图像来对骨移植物进行3D打印，所述图像可以通过采用一个或多个X射线图像、计算机辅助设计(CAD)程序、锥束成像装置、计算机断层摄影(CT)扫描装置、磁共振成像(MRI)来获得，并且图像可以在步骤712中扫描或输入到计算机系统中。基于预期骨移植部位的3D图像，在步骤714中生成预期骨移植部位的3D数字模型，骨移植部位的3D数字模型包括预期骨移植部位的虚拟深度、厚度和体积。基于预期骨移植部位的3D图像，在步骤716中生成定制骨移植物的3D数字模型。例如，如果预期骨移植部位具有骨缺损，那么计算机将生成骨移植物的虚拟3D模型，包括可以适配在骨缺损内的骨移植物的虚拟深度、厚度和体积。因此，可以生成适配在骨缺损内的骨移植物的各种3D模型。在一些实施例中，计算机将创建适配在骨缺损内的各种形状和尺寸的骨移植物，并且用户可以选择期望的形状。以这种方式，可以选择定制的骨移植物。计算机将在步骤718将数字模型存储在数据库中。

在步骤720中，计算机处理器将具有用于检索所存储的骨移植物的3D数字模型并基于所存储的骨移植物的3D数字模型将载体材料与骨材料一起、在骨材料中或在骨材料上进行组合的指令。因此，在步骤722中，计算机将控制在一个或多个打印头中打印过程中使用的骨材料和/或载体的量以打印骨移植物。填充打印机的墨中的载体可以包括聚合物、生物活性剂、骨材料或因此用于制造骨移植物的组合。例如，在一些情况下，可以供应包括保留脱矿骨粒子和/或纤维的生物活性的聚合物的成骨材料，以形成可以在步骤720、722、724和726中使用的墨。在步骤724中，计算机可以首先检查以确定最终层是否已经打印了生产定制骨移植物所需的所有层。这些层可能已经由在数字数据处理装置上操作的编程模块提供，并且可以是定制骨移植物的3D模型减少到当以正确顺序打印时可以导致期望的骨移植物的连续切片。

在步骤726中，如果最后一层还没有被打印，那么3D打印机可以打印下一层。这可以通过例如以光栅方式移动打印喷嘴，在需要的地方沉积墨来完成。打印可以在无菌环境中进行。

在步骤728中，一旦3D打印机已经打印了构成定制骨移植物的所有所需层，那么可以对骨移植物进行打印后处理。例如，这一后处理步骤可以包括如但不限于溶解蔗糖晶体(如果存在的话)以提供定制骨移植物的多孔结构和灭菌的动作。

分层式3D打印的骨移植物

在某些实施例中，本文所述的计算机实现的方法提供了分层式3D打印的骨移植物。在一些实施例中，3D打印的骨移植物包括第一层生物可降解聚合物，随后是安置于第一层生物可降解聚合物上的第二层骨材料，接着是安置于第二层上的第三层生物可降解聚合物，每层重复，直到3D打印机已完成分层式骨移植物。在其它实施例中，3D打印的骨移植物包括与骨材料混合的第一层生物可降解聚合物；与骨材料混合的第二层生物可降解聚合物，第二层置于第一层上；与骨材料混合的第三层生物可降解聚合物，第三层置于第二层上，每层重复，直到3D打印机已完成分层式骨移植物。

如上文结合本公开的用于生产定制骨移植物的计算机实现的方法所讨论，在一些实施例中，骨移植物的骨材料包含(i)矿化的同种异体移植物和未脱矿的同种异体移植物或其组合；或(ii)同种异体移植物、脱矿骨基质纤维和脱矿骨碎片或其组合。在其它实施例中，分层式3D打印的骨移植物含有骨材料，其包含(i)完全脱矿骨纤维和表面脱矿骨碎片，或(ii)脱矿骨基质材料，其包含约25:75至约75:25比率的完全脱矿骨基质纤维和表面脱矿骨碎片。

图13示出了定制以适配预期骨移植部位的3D打印的骨移植物的一个实施例。在图13中，示出了3D打印的基本上圆柱形的骨移植物730，其含有由生物可降解聚合物制成的容器734部分包围的骨材料732。这一3D打印的基本上圆柱形的骨移植物730可以使用与上述计算机系统耦合的两个打印头来制造，其中一个打印头含有骨材料732并且另一个打印头含有用于制造容器734的生物可降解聚合物。首先，第一打印头可以打印由生物可降解聚合物制成的容器734，然后第二打印头可以打印骨材料732(例如DBM粒子)以填充容器734，从而制造基本上圆柱形的骨移植物730。基本上圆柱形的骨移植物730是从预期骨移植部位的3D数字模型生成，所述3D数字模型是基于预期骨移植部位的3D图像(例如X射线、CT图像、MRI等)生成。预期骨移植部位的3D数字模型包括骨移植部位的虚拟深度、厚度和体积，骨移植物的3D数字模型被配置为适配在预期骨移植部位的3D数字模型内。将骨移植物和预期骨移植部位的3D数字模型存储在计算机上，并且计算机系统将检索所存储的骨移植物的3D数字模型。当受指示时，计算机将打印载体材料(例如，其可以是生物可降解聚合物、生物活性剂或其在混合物中的组合)作为容器734。然后计算机将打印骨材料732以形成基本上圆柱形的骨移植物730。

图14示出了显示本申请的3D打印的骨移植物的人股骨736的视图，所述骨移植物被植入预期骨移植部位。在图14中，预期骨移植部位是人股骨736中的基本上圆柱形的骨缺损。示出了将含有由生物可降解聚合物制成的容器734部分包围的骨材料的3D打印的基本上圆柱形的骨移植物730植入人股骨736的骨缺损中。以这种方式，可以打印骨移植物以匹配骨缺损的特定形状，从而具有基于骨缺损定制的骨移植物。这可以消除将骨移植物专门塑形成预期骨移植部位的需要。此外，它可以消除通过钻孔或创建骨腔匹配植入物的形状来将骨缺损塑形成期望的形状的需要。

在一些实施例中，可向用户提供3D数字模型的各种形状和尺寸，这将允许用户基于预期骨移植部位的3D数字模型从存储的骨移植物的3D数字模型的库中进行选择。计算机将执行所需的匹配程序以使预期骨移植部位与骨移植物匹配。在一些实施例中，计算机将提供用户可以选择的具有99.9％置信区间的骨移植物的优选3D数字模型。或者，使用者可以选择可被打印的骨移植物，其可由临床医生模制并植入。但是，植入物将具有基于3D数字模型的期望体积。

图15示出了人脊柱744的局部视图，其示出了本申请的3D打印的盘状骨移植物738被植入到预期骨移植部位，即椎间部位746。在图15中，3D打印的盘状骨移植物738含有围绕植入物的聚合物742的骨材料740。这一3D打印的盘状骨移植物738将模仿天然椎骨，因为聚合物742将模仿髓核的果冻状稠度，并且骨材料740将围绕聚合物742。因此，盘状骨移植物738可以使用与上述计算机系统耦合的两个打印头来制造，其中一个打印头含有骨材料740并且另一个打印头含有用于制造盘状骨移植物738的聚合物742。首先，第一打印头可以将装载在打印机中的骨材料740以盘状骨移植物738的形状打印，然后第二打印头可以将聚合物742打印在骨材料740内部以制造盘状骨移植物738。盘状骨移植物738是从预期骨移植部位的3D数字模型生成，所述3D数字模型是基于预期骨移植部位的3D图像(例如X射线、CT图像、MRI等)生成。预期骨移植部位的3D数字模型包括预期骨移植部位的虚拟深度、厚度和体积。骨移植物的3D数字模型被配置为适配在预期骨移植部位的3D数字模型内。将骨移植物和预期骨移植部位的3D数字模型存储在计算机上，并且一旦受指示，计算机系统将检索所存储的骨移植物的3D数字模型，并打印骨材料740(例如含骨粒子的粘合剂)，然后在骨材料740内部打印聚合物742以形成盘状骨移植物738。

在各种实施例中，如上所述，载体材料的聚合物包含可固化的生物相容性和/或生物可降解聚合物。在这些实施例中，生物可降解聚合物包含聚(乳酸)、聚(乙醇酸)、聚(乳酸-乙醇酸)、聚对二氧环己酮、PVA、聚氨酯、聚碳酸酯、聚羟基烷酸酯(聚羟基丁酸酯和聚羟基戊酸酯以及共聚物)、多糖、聚羟基烷酸酯、聚乙交酯-共-己内酯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚乙交酯-共-三亚甲基碳酸酯、聚(乳酸-共-乙醇酸)或其组合中的至少一种。在其它实施例中，生物可降解聚合物还包含聚合物糖、蛋白质、亲水嵌段共聚物、透明质酸、聚糖醛酸、粘多糖、蛋白聚糖、聚氧乙烯、表面活性剂、多羟基化合物、多羟基酯、脂肪醇、脂肪醇酯、脂肪酸、脂肪酸酯、液体硅酮或其组合中的至少一种。

在一些用途中，载体充当临时支架，直到由新骨代替。聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)和各种组合在体内具有不同的溶解速率。在骨中，溶解速率可以根据骨同种异体移植放置的位置而变化。

图16示出了本申请的3D打印的骨移植物800的截面视图，其基本上为圆柱形并且具有由聚合物层802部分包围的同种异体移植组织粒子804，所述骨移植物定制成适配预期骨移植部位。

图17示出了本申请的3D打印的骨移植物806的放大透视图，其具有由形成条带808的聚合物层部分包围的同种异体移植组织粒子810，所述骨移植物定制成适配预期骨移植部位。这些条带808可以不同的宽度、尺寸和形状打印。应理解，用于打印骨移植物的墨或载体可以将聚合物、生物活性剂和/或骨材料组合在一个载体或墨中以递送到一个打印头或在分离的墨或载体中并且在单独的打印头中，其中计算机将指示打印头打印骨移植物。

通过本文所述的计算机实现的方法获得的分层式3D打印的骨移植物在许多应用中是有用的，包括但不限于口腔颌面手术、牙科植入物、整形外科手术或任何类型的重建硬组织手术，在某些情况下，在皮质或小梁骨中。在临床使用中，本申请的分层式3D打印的骨移植物不仅允许定制以适应个别患者的解剖结构，而且在一些实施例中，还可以成功地用于从骨移植物释放特定药物至预期骨修复部位。

因此，在一些实施方案中，本申请还提供了一种治疗患者的骨缺损的方法，所述方法包含将分层式3D打印的骨移植物施用于预期骨缺损，其中所述分层式3D打印的骨移植物包含第一层生物可降解聚合物；安置于第一层生物可降解聚合物上的第二层骨材料；安置于第二层上的第三层生物可降解聚合物，每层重复，直到3D打印机已完成分层式骨移植物。在其它实施方案中，治疗方法包含将分层式3D打印的骨移植物施用于预期骨缺损，其中所述分层式3D打印的骨移植物包含与骨材料混合的第一层生物可降解聚合物；与骨材料混合的第二层生物可降解聚合物，第二层安置于第一层上；与骨材料混合的第三层生物可降解聚合物，第三层安置于第二层上，每层重复，直到3D打印机已完成分层式骨移植物。在各种实施例中，本公开中描述的分层式3D打印的骨移植物可用于治疗由骨髓炎或骨癌引起的骨缺损。

在某些实施例中，当3D打印的骨移植物是网袋时，可以使用任何合适的方法将骨材料装载到网袋70中。在一些实施例中，骨材料可以被舀入网袋中，使用镊子放入网袋主体中，使用注射器(有或没有针)装入网袋中，或者以任何其它合适的方式包括使用自动化插入网袋中。

为了放置，可以在网袋中提供一种或多种物质并将其放置在体内，例如在骨缺损处。在一个实施例中，通过将网袋置于导管或管状插入器中并将网袋与导管或管状插入器一起递送，将网袋放置在体内。其中提供有物质的网袋可以是可操纵的，使得它可以与用于例如微创脊柱手术的柔性导入仪器一起使用。例如，可以在XLIF、TLIF或其它手术期间将骨移植物向下引入管状牵开器或瞄准镜。

在临床使用中，包含网状植入物和递送物质的递送系统可用于任何类型的脊柱融合手术，包括例如后外侧融合、椎间体融合(任何类型)、小面融合、棘突融合、仅前路融合或其它融合手术。这种脊柱手术的实例包括后路腰椎椎间体融合术(PLIF)、前路腰椎融合术(ALIF)或后路颈椎或颈椎椎间体融合术。在一些实施例中，可用于TLIF、ALIF或XLIF手术的网袋可以是管状的并且具有大约2.5cm长度和大约0.5cm宽度的尺寸。在其它ALIF手术中，可以使用大约1cm×1cm的网袋。在各种实施例中，网袋可以是管状的并且可以具有大约5mm至大约10mm长和大约0.5cm至1cm宽的尺寸。在其它实施例中，网状植入物或网袋(具有或不具有装载的物质)可以放置在笼中，例如用于椎间体融合。

在一些实施例中，3D打印的网袋可以预填充用于递送的物质，并且其它隔室可以是空的以供外科医生填充。在一些实施例中，3D网袋包含第一和第二隔室。在其它实施例中，3D网袋的第一和第二隔室彼此连通。在若干实施例中，一个隔室可以是骨填充的，而3D网袋的另一隔室不是。在各种实施例中，3D打印的无缝网袋在植入体内时符合周围骨骼轮廓。

网袋可用于任何合适的应用。在一些实施例中，网袋可用于愈合椎骨压缩骨折、椎间体融合、微创手术、后外侧融合、成人或小儿脊柱侧凸的矫正、治疗长骨缺损、骨软骨缺损、牙槽嵴增高(ridge augmentation)(牙齿/颅颌面(craniomaxillofacial)，例如缺齿患者)、下方创伤板(beneath trauma plate)、胫骨坪缺损、填充骨囊肿、伤口愈合、创伤周围、整形(美容/塑形/重建手术)等。网袋可以通过经由小切口放置、经由管递送或其它手段用于微创手术。尺寸和形状可以设计为对递送条件有限制。

在一些实施例中，网袋足够柔软，使得它可以在被植入在骨缺损处、附近或其中之前是自身折叠的。

所公开的使用网袋的示例性应用是脊柱的融合。在临床使用中，网袋和递送物质可用于桥接相邻或连续椎体的横突之间的间隙。网袋可用于桥接两个或更多个脊柱运动节段。网袋包围待植入的物质，并含有为身体愈合活动提供焦点的物质。

通常，可以将网状植入物或网袋应用于预先存在的缺损、创建的通道或修改的缺损。因此，例如，可以在骨中形成通道，或者可以切割预先存在的缺损以形成通道，从而接收装置。网状植入物或网袋可以被配置为匹配通道或缺损。在一些实施例中，可以选择网袋的构造以匹配通道。在其它实施例中，可以创建通道或者扩展或改变缺损以反映网袋的构造。网袋可以放置在缺损或通道中，并且任选地使用连接机构进行耦接。

尽管已经参照某些实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应认识到，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上进行改变。

Claims (20)

1.一种用于生产骨移植物的计算机实现的方法，所述方法包含：

获得预期骨移植部位的3D图像；

基于所述预期骨移植部位的3D图像生成所述预期骨移植部位的3D数字模型，所述骨移植部位的3D数字模型包括所述预期骨移植部位的虚拟深度、厚度和体积；

基于所述预期骨移植部位的3D数字模型生成所述骨移植物的3D数字模型，所述骨移植物的3D数字模型包括所述骨移植物的虚拟深度、厚度和体积，所述骨移植物的3D数字模型被配置为适配在所述预期骨移植部位的3D数字模型内；和

将所述骨移植物的3D数字模型存储在耦合到处理器的数据库上，所述处理器具有用于(a)检索所存储的所述骨移植物的3D数字模型；(b)基于所存储的所述骨移植物的3D数字模型将载体材料与骨材料一起、在骨材料中或在骨材料上进行组合；和(c)指示3D打印机产生所述骨移植物的指令。

2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中(i)所述骨移植物是通过将所述载体材料与所述骨材料组合并且指示所述3D打印机基于所存储的所述骨移植物的3D数字模型来打印所述骨移植物而产生；(ii)所述骨移植物是通过指示所述3D打印机打印所述载体材料，然后基于所存储的所述骨移植物的3D数字模型将所述骨材料打印在所述载体材料中或所述载体材料上而产生；(iii)所述数据库还存储所述预期骨移植部位的3D数字模型；或(iv)所述骨移植物是针对所述预期骨移植部位定制的。

3.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述载体材料包含金属、生物可降解聚合物或其组合，并且所述骨材料包含矿化或脱矿骨。

4.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述骨材料包含同种异体移植物、脱矿骨基质纤维、脱矿骨碎片或其组合。

5.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述骨材料包含(i)完全脱矿骨纤维和表面脱矿骨碎片；或(ii)比率为约25:75至约75:25的完全脱矿骨基质纤维和表面脱矿骨碎片。

6.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中预期骨移植部位的所述3D图像是不健康骨移植部位的计算机断层摄影图像，并且与健康骨移植部位的计算机断层摄影图像进行比较。

7.根据权利要求6所述的计算机实现的方法，其中所述3D图像是从(i)一个或多个X射线图像；(ii)计算机辅助设计(CAD)程序；(iii)锥束成像装置；(iv)计算机断层摄影(CT)扫描装置；和/或(v)磁共振成像(MRI)获得的。

8.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述载体材料还包含药物、生长因子、蛋白质或其组合。

9.根据权利要求8所述的计算机实现的方法，其中所述药物、所述生长因子或所述蛋白质安置于所述载体材料的微球体或小珠中。

10.根据权利要求9所述的计算机实现的方法，其中(i)所述微球体的尺寸为约1μm至约750μm；(ii)所述微球体是多孔的并且包含尺寸为约1μm至约100μm的孔；或(iii)所述微球体安置于作为生物可降解基质的载体内。

11.根据权利要求8所述的计算机实现的方法，其中所述骨移植物打印在包含金属或非金属结构的衬底上。

12.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述载体材料包括干燥、固化或反应以形成骨诱导性并且具有与骨相当的承载强度的多孔生物可降解的生物相容性材料的墨。

13.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述骨材料包含从约10nm至约500nm变化的微米粒子或纳米粒子。

14.一种分层式3D打印的骨移植物，所述分层式骨移植物包含：

(i)第一层生物可降解聚合物；安置于所述第一层生物可降解聚合物上的第二层骨材料；以及安置于所述第二层上的第三层生物可降解聚合物，每层重复，直到3D打印机已完成所述分层式骨移植物；或

(ii)与骨材料混合的第一层生物可降解聚合物；与骨材料混合的第二层生物可降解聚合物，所述第二层安置于所述第一层上；以及与骨材料混合的第三层生物可降解聚合物，所述第三层安置于所述第二层上，每层重复，直到所述3D打印机已完成所述分层式骨移植物。

15.根据权利要求14所述的分层式3D打印的骨移植物，其中所述骨材料包含(i)矿化的同种异体移植骨、未脱矿的同种异体移植骨或其组合；或(ii)同种异体移植骨、脱矿骨基质纤维、脱矿骨基质碎片或其组合。

16.根据权利要求14所述的分层式3D打印的骨移植物，其中所述骨材料包含(i)完全脱矿骨纤维和表面脱矿骨碎片；或(ii)包含比率为约25:75至约75:25的完全脱矿骨基质纤维和表面脱矿骨碎片的脱矿骨基质材料。

17.根据权利要求14所述的分层式3D打印的骨移植物，其中所述聚合物包含可固化聚合物，所述可固化聚合物包含聚(乳酸)、聚(乙醇酸)、聚(乳酸-乙醇酸)、聚对二氧环己酮、PVA、聚氨酯、聚碳酸酯、聚羟基烷酸酯(聚羟基丁酸酯和聚羟基戊酸酯以及共聚物)、多糖、聚羟基烷酸酯聚乙交酯-共-己内酯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚乙交酯-共-三亚甲基碳酸酯、聚(乳酸-共-乙醇酸)或其组合中的至少一种。

18.根据权利要求17所述的分层式3D打印的骨移植物，其中所述聚合物还包含聚合物糖、蛋白质、亲水嵌段共聚物、透明质酸、聚糖醛酸、粘多糖、蛋白聚糖、聚氧乙烯、表面活性剂、多羟基化合物、多羟基酯、脂肪醇、脂肪醇酯、脂肪酸、脂肪酸酯、液体硅酮或其组合中的至少一种。

19.一种治疗患者骨缺损的方法，所述方法包含向所述骨缺损施用分层式3D打印的骨移植物，所述分层式3D打印的骨移植物包含(i)第一层生物可降解聚合物；安置于所述第一层生物可降解聚合物上的第二层骨材料；以及安置于所述第二层上的第三层生物可降解聚合物，每层重复，直到3D打印机已完成所述分层式骨移植物；或

(ii)与骨材料混合的第一层生物可降解聚合物；与骨材料混合的第二层生物可降解聚合物，所述第二层安置于所述第一层上；以及与骨材料混合的第三层生物可降解聚合物，每层重复，直到所述3D打印机已完成所述分层式骨移植物。

20.根据权利要求19所述的治疗骨缺损的方法，其中所述骨缺损是由骨髓炎或骨癌引起的。