CN108904103A - 一种制备异质异构骨修复材料的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种制备异质异构骨修复材料的方法和装置，涉及材料制备技术领域。方法包括：获取预置的异质异构结构单元模型，对所述异质异构单元模型进行材料属性分配、填充结构设计及数字化切片，以得到所述异质异构单元模型的二维层数字代码，其中，所述二维层片数字代码包括材料的种类信息；按照所述材料的种类信息选取待打印材料，并利用内置的单或多喷头进行低温沉积3D打印，得到异质异构的骨修复材料。按照异质异构单元模型切片后的二维层数字代码进行3D打印得到的骨修复材料兼具优异力学性能和传统加工方式难以实现的多通道微孔仿生结构，解决了骨修复材料无法满足外形个体适配、结构仿生，其力学强度，修复活性较差的问题。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，尤其涉及一种制备异质异构骨修复材料的方法和装置。
背景技术
目前，由于创伤、感染和肿瘤等原因均会导致大段骨缺损或骨不连。据统计，全世界在骨外科手术中，涉及到的骨移植物和骨填充相关的手术多达3000万例，其中，亚洲国家(主要是中国与印度)用于此领域的预防、治疗和康复的花费逐年显著增长，呈飞速上涨的趋势，为医疗体系带来沉重的负担。
通常，治疗大段骨缺损或骨不连通常采用骨移植手术，手术中所使用的材料主要有自体骨、异体骨、异种骨和各种人工骨移植替代物。其中，自体骨具有良好的骨诱导活性和无免疫源性，是骨移植手术的“金标准”，但其来源有限，需二次手术；异体骨的疾病传染风险高，免疫排斥反应强；骨修复材料无法满足外形个体适配、结构仿生，其力学强度，修复活性较差。
发明内容
本发明提供一种制备异质异构骨修复材料的方法和装置，旨在解决骨修复材料无法满足外形个体适配、结构仿生，其力学强度，修复活性较差的问题。
本发明提供一种制备异质异构骨修复材料方法，包括：
获取预置的异质异构结构单元模型，对所述异质异构单元模型进行材料属性分配、填充结构设计及数字化切片，以得到所述异质异构单元模型的二维层数字代码，其中，所述二维层片数字代码包括材料的种类信息；
按照所述材料的种类信息选取待打印材料，并利用内置的单或多喷头进行低温沉积3D打印，得到异质异构的骨修复材料。
本发明提供一种制备异质异构骨修复材料的装置，包括：低温成型室、机械控制器、物料腔、输料管、温控喷头和制冷系统；
所述低温成型室包括：低温沉积打印平台和升降杆，所述升降杆支撑所述低温打印平台，以进行升降运动；
所述物料腔放置待打印材料，与输料管连接，所述输料管与所述温控喷头连接，所述温控喷头位于所述低温成形平台内，对着所述低温打印平台；
所述机械控制器与所述温控喷头连接，来控制所述喷头的运动；
所述制冷系统用于对所述装置进行制冷。
本发明提供的一种制备异质异构骨修复材料的方法和装置，按照预置的异质异构结构单元模型切片后的二维层数字代码进行低温沉积3D打印得到的骨修复材料，可以最大限度的还愿病患缺损部位的原始形态，实现骨修复支架多通道微孔仿生结构的功能化调控，可以作为人工细胞外基质，为细胞提供停泊、生长、营养获取、新陈代谢的三维空间以及新骨爬行生长的桥梁，随着材料的降解和新骨的爬行长入，实现缺损部位组织修复，该材料力学强度高，生物活性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1是本发明第一实施例提供的一种制备异质异构骨修复材料的技术方法的实现流程示意图；
图2是本发明第二实施例提供的一种低温沉积制备异质异构骨修复材料的技术流程示意图；
图3～图4是本发明第二实施例示意的制备异质异构骨修复材料的方法的流程图；
图5是本发明技术方法可制备的异质异构骨修复支架材料结构示意图，其中：A、双喷头同时打印技术实现图示；B、双喷头复合材料复合结构打印过程；C、梯度材料打印工艺；D、层错支架结构支架顶视图；E、层错支架结构支架侧视图；F、复合成分、复合结构支架成品；G、梯度成分支架成品侧视图；H、平行四边形孔形结构支架；K、三角形孔形结构支架；L、复合打印成品顶视图；M、梯度成分支架成品顶视图；
图6是本发明实施例提供的一种制备异质异构骨修复材料的装置的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明第一实施例提供的一种制备异质异构骨修复材料的方法的实现流程示意图，图1所示的制备异质异构骨修复材料的方法主要包括以下步骤：
S101、获取预置的异质异构结构单元模型，对异质异构单元模型进行材料属性分配、填充结构设计及数字化切片，以得到异质异构单元模型的二维层数字代码；
其中，二维层片数字代码包括材料的种类信息。
S102、按照材料的种类信息选取待打印材料，并利用内置的单或多喷头进行低温沉积3D打印，得到异质异构的骨修复材料。
采用单/多喷头低温沉积3D打印技术进行复合结构、复合成分的逐层沉积成型，制备出结构和成分可控的骨修复支架材料。使得该新型异质异构骨修复支架可以根据病患部位需求个性化的设计材料的宏观和微观结构以及通过控制成分配比控制，获得不同力学性能、可降解性能、成骨诱导活性以及创造多通道微孔仿生结构，最大限度的还愿病患缺损部位的原始形态，解决现有骨修复材料无法满足外形个体适配、结构仿生，强度可控，修复活性较差的问题。
本发明实施例提供一种制备异质异构骨修复材料的方法，按照预置的异质异构结构单元模型切片后的二维层数字代码进行低温沉积3D打印得到的骨修复材料，可以最大限度的还愿病患缺损部位的原始形态，实现骨修复支架多通道微孔仿生结构的功能化调控，可以作为人工细胞外基质，为细胞提供停泊、生长、营养获取、新陈代谢的三维空间以及新骨爬行生长的桥梁，随着材料的降解和新骨的爬行长入，实现缺损部位组织修复，该材料力学强度高，生物活性好。
请参阅图2～4，图2为本发明第二实施例提供的一种制备异质异构骨修复材料的方法的实现流程示意图，图3～图4是本发明第二实施例示意的制备异质异构骨修复材料的方法的流程图，其中，图2所示的制备异质异构骨修复材料的方法主要包括以下步骤：
S201、获取骨损伤部位的诊断数据，利用该诊断数据对该骨损伤部位进行三维重建，以得到该骨损伤部位中缺损骨的三维模型；
具体地，获取骨损伤部位的诊断数据，具体为：
通过电子计算机断层扫描技术、微计算机断层扫描技术或磁共振成像技术扫描所述骨损伤部位，得到该骨损伤部位的诊断数据。
诊断数据为包括CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)，MRI(MagneticResonance Imaging，磁共振成像)、Micro-CT(micro computed tomography，微计算机断层扫描技术)等临床医学影像数据。
S202、利用有限元力学分析方法依据所属损伤植入部位材料学和生物力学需求进行材料属性和结构进行设计、计算、模拟、验证，得到修复缺损的异质异构模型；
具体地，利用有限元力学分析方法对该三维模型进行计算，得到修复该缺损骨的异质异构单元模型，具体为：
利用有限元力学分析方法计算该三维模型的内部的应力以及验证加载条件，得到异质异构单元模型。
在实际应用中，通过有限元力学分析方法从宏观和微观两个层次剖析三维模型，获得损伤部位的形状、体积大小及微观结构，并利用有限元力学分析手段，对损伤部位进行逆向重塑及壁面和内部切应力分析及静态和动态加载条件验证，从而得到异质异构单元模型。
S203、获取预置的异质异构结构单元模型，对异质异构单元模型进行材料属性分配、填充结构设计及数字化切片，以得到异质异构单元模型的二维层数字代码；
S204、按照材料的种类信息选取待打印材料，并利用内置的单或多喷头进行低温沉积3D打印，得到异质异构的骨修复材料。
二维层数字代码包含图像信号，其中，不同的图像信号用于表示异质异构单元中承载不同应力的信息，根据不同的图像信号可以设计不同成分、不同配比的成分、结构组合，以承载不同的应力。所选用的待打印材料依据图像信号可以选取一种或多种。
具体地，待打印材料为高分子材料、陶瓷材料、金属材料和生物活性成分的至少一种，上述材料可以与有机溶剂混合制成浆料，用于3D打印。
其中，高分材料是以高分子化合物为基体的材料，优选为生物降解聚合物，例如聚羟基乙酸-羟基丙酸共聚物、聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚磷腈和聚氨基酸等中的至少一种。优选地，高分子材料的分子量在5W～20W范围内，粘度1.0～2.5dl/L。
陶瓷材料为天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料，包括生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷。优选为陶瓷氧化铝、氧化锆、碳素生物材料、生物活性陶瓷羟基磷灰石、生物活性玻璃及玻璃陶瓷、磷酸钙生物活性陶瓷或磷酸三钙等。优选地，陶瓷材料均为粉体，其粉体粒径在40～150μm。金属材料可选用可降解金属材料(纯镁、氧化镁以及镁合金系)以及金、银、铂、钽、铌和锆等人体所需微量金属元素中的至少一种。优选地，金属材料均为粉体材料，其粉体粒径在30～100μm。生物材料为对治疗人体骨科疾病的缓释药物和诱导因子、活性成分，优选为淫羊藿素、淫羊藿苷、壳聚糖、蛋白和胶原中的至少一种。有机溶剂可为二氧六环、三五甲烷、二氯甲烷或四氢呋喃等。优选地，生物材料为粉末状，溶于有机溶剂中，可在常温下存放。
优选地，待打印材料中高分材料和有机溶剂的质量百分比在为％～30％范围内，陶瓷材料的质量百分比为0～25％，金属材料的质量比为0～20％，生物材料的质量百分比为0～5％。通过设计成分组合可以发挥各组分材料的优点，创造恢复骨再生所需的诱导或促成环境。
具体地，进行3D打印采用低温沉积技术，其中，采用低温沉积技术的装置包括：喷头结构，喷头直径为：0.4～1.2mm，成型温度为：-100-0℃，沉积时间为：1-12h，3D打印时的打印速率为：5mm/s-60mm/s，喷头喷射速度：1-5mm/s，打印层厚为：100μm-200μm，采用的喷头直径为：0.4～1.2mm。一般情况下，喷头直径为0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm和1.2mm五个规格，喷头的个数不作限定，优选为2个，请参阅图5，图5是本实施例中进行3D打印的示意图，通过利用双喷头交互打印，形成多孔的结构支架。
本发明实施例提供一种制备异质异构骨修复材料的方法，按照预置的异质异构单元模型切片后的二维层数字代码进行低温沉积3D打印得到的骨修复材料，可以最大限度的还愿病患缺损部位的原始形态，实现骨修复支架多通道微孔仿生结构的功能化调控，可以作为人工细胞外基质，为细胞提供停泊、生长、营养获取、新陈代谢的三维空间以及新骨爬行生长的桥梁，随着材料的降解和新骨的爬行长入，实现缺损部位组织修复，该材料力学强度高，生物活性好。
请参阅图6，图6位本发明第三实施例提供的一种制备异质异构骨修复材料的装置，其中，该装置用于实现本发明第一和第二实施例所述的方法，其中，该装置包括：低温成型室601、机械控制器602、物料腔603、输料管604、温控喷头605和制冷系统606；
低温成型室601包括：低温沉积打印平台611和升降杆621，升降杆621支撑低温打印平台611，以进行升降运动。
物料腔603放置待打印材料，与输料管604连接，输料管604与温控喷头605连接，温控喷头605位于低温成形室601内，对着低温打印平台611。
具体地，待打印材料为高分子材料、陶瓷材料、金属材料和生物活性分子的至少一种，上述材料可以与有机溶剂混合制成浆料，用于3D打印。
其中，高分材料是以高分子化合物为基体的材料，优选为生物降解聚合物，例如聚羟基乙酸-羟基丙酸共聚物、聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚磷腈和聚氨基酸等中的至少一种。优选地，高分子材料的分子量在5W～20W范围内，粘度1.0～2.5dl/L。
陶瓷材料为天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料，包括生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷。优选为陶瓷氧化铝、氧化锆、碳素生物材料、生物活性陶瓷羟基磷灰石、生物活性玻璃及玻璃陶瓷、磷酸钙生物活性陶瓷或磷酸三钙等。优选地，陶瓷材料均为粉体，其粉体粒径在40～150μm。金属材料可选用可降解金属材料(纯镁、氧化镁以及镁合金系)以及金、银、铂、钽、铌和锆等人体所需微量金属元素中的至少一种。优选地，金属材料均为粉体材料，其粉体粒径在30～100μm。生物材料为对治疗人体骨科疾病的缓释药物和诱导因子、活性成分，优选为淫羊藿素、淫羊藿苷、壳聚糖、蛋白和胶原中的至少一种。有机溶剂可为二氧六环、三五甲烷、二氯甲烷或四氢呋喃等。优选地，生物材料为粉末状，溶于有机溶剂中，可在常温下存放。
优选地，待打印材料中高分材料和有机溶剂的质量百分比在为％～30％范围内，陶瓷材料的质量百分比为0～25％，金属材料的质量比为0～20％，生物材料的质量百分比为0～5％。通过设计成分组合可以发挥各组分材料的优点，创造恢复骨再生所需的诱导或促成环境。
一般情况下，喷头直径为0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm和1.2mm五个规格，喷头的个数不作限定，优选地，喷头为1个或2个。通过利用单或双喷头交互打印，形成多孔的结构支架。
机械控制器602与温控喷头605连接，来控制喷头的运动。
机械控制器602中存储有预先设置的异质异构单元模型，对该异质异构单元模型进行数字化切片，得到该异质异构单元模型的二维层数字代码。二维层数字信息包含图像信号，其中，不同的图像信号用于表示异质异构单元中承载不同应力的信息，根据不同的图像信号可以设计不同成分、不同配比的成分组合，以承载不同的应力。
制冷系统606用于对制备异质异构骨修复材料的装置进行制冷。
具体地，制冷系统的制冷温度为-100-0℃。
进一步地，该装置还包括：
散热系统607，用于对所述装置进行散热。
进一步地，装置还包括：
消毒系统608，用于对装置进行消毒。
本发明实施例提供一种制备异质异构骨修复材料的装置，按照异质异构单元模型切片后的二维层数字代码行3D打印得到的骨修复材料，可以最大限度的还愿病患缺损部位的原始形态，实现骨修复支架多通道微孔仿生结构的功能化调控，可以作为人工细胞外基质，为细胞提供停泊、生长、营养获取、新陈代谢的三维空间以及新骨爬行生长的桥梁，随着材料的降解和新骨的爬行长入，实现缺损部位组织修复，该材料力学强度高，生物活性好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制备异质异构骨修复材料的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取预置的异质异构结构单元模型，对所述异质异构单元模型进行材料属性分配、填充结构设计及数字化切片，以得到所述异质异构单元模型的二维层数字代码，其中，所述二维层片数字代码包括材料的种类信息；
按照所述材料的种类信息选取待打印材料，并利用内置的单或多喷头进行低温沉积3D打印，得到异质异构的骨修复材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取预置的异质异构结构单元模型之前，还包括：
获取骨损伤部位的诊断数据，利用所述诊断数据对所述骨损伤部位进行三维重建，以得到所述骨损伤部位中缺损骨的三维模型；
利用有限元力学分析方法依据所属损伤植入部位材料学和生物力学需求进行材料属性和结构进行设计、计算、模拟、验证，得到修复所述缺损的异质异构模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取骨损伤部位的诊断数据，具体为：
通过电子计算机断层扫描技术、微计算机断层扫描技术或磁共振成像技术扫描所述骨损伤部位，得到所述骨损伤部位的诊断数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待打印材料为高分子材料、陶瓷材料、金属材料和生物活性成分的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行3D打印采用低温沉积技术，其中，采用低温沉积技术的装置包括：喷头结构，喷头直径为：0.4～1.2mm，成型温度为：-100-0℃，沉积时间为：1-12h，3D打印时的打印速率为：5mm/s-60mm/s，喷头喷射速度：1-5mm/s，打印层厚为：100μm-200μm。
6.一种制备异质异构骨修复材料的装置，其特征在于，所述装置用于实现权利要求1～5任一项所述的方法，其中，该装置包括：低温成型室、机械控制器、物料腔、输料管、温控喷头和制冷系统；
所述低温成型室包括：低温沉积打印平台和升降杆，所述升降杆支撑所述低温打印平台，以进行升降运动；
所述物料腔放置待打印材料，与输料管连接，所述输料管与所述温控喷头连接，所述温控喷头位于所述低温成形室内，对着所述低温打印平台；
所述机械控制器与所述温控喷头连接，来控制所述喷头的运动；
所述制冷系统用于对所述装置进行制冷。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：搅拌器，所述搅拌器对所述物料腔中的物料进行搅拌。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：消毒系统，用于对所述装置进行消毒。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述温控喷头的直径为：0.4～1.2mm。
10.根据权利要求7～9任一项所述的装置，其特征在于，所述温控喷头不少于2个。
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