CN109646159A - 解剖型3d打印波纹管弹性体气管支架的制备方法及产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架的制备方法及其产品，以生物弹性体聚1,8‑辛二醇‑柠檬酸（POC）和聚己内酯（PCL）为主体结构材料作为力学支撑的主要成分，纳米粒度的羟基磷灰石颗粒（Hap）作为填料与POC‑PCL混合成POC‑PCL/Hap母料，然后通过熔融沉积成形3d打印法制备可降解型气管支架材料。该支架由管状本体组成，本体边缘上具有对称的4个圆形孔用于与气管固定，表面光滑，呈波纹状，直径2厘米，长度6厘米，其波纹曲面上分布有孔列阵。本气管支架发明具有植入准确，操作方便，加快术后愈合，稳定性好，牢固不易脱出的优点。

Description

解剖型3d打印波纹管弹性体气管支架的制备方法及产品

技术领域

本发明是制作胸外科手术中使用的可降解型气管支架，属于医疗器械制备及加工的应用领域，涉及一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架的制备方法及其产品。

技术背景

气管狭窄，先天性疾病及肿瘤等所带来的气管缺陷难以修复，常常以进行气管病变部分切除以达到治疗疾病、改善症状等目的，常规的切除难以满足病人的病情需要，因此，气管移植成为气管外科的一个重要发展分支，成为气管长段切除后重建的重要手段。重建手术的关键主要取决于气管允许切除并能实施无张力吻合的长度，一般认为大于6厘米的气管切除后，缺损多且吻合口出存在张力，难以“端-端吻合”。气管替代物重建一般有四种材料：同种异体移植气管、自体组织再造气管、人工气管植入假体和组织工程化气管。同种异体移植气管不能解决缺血、排异等问题；自体组织再造气管存在取材困难，重构结构与气管解刨结构相差甚远等不足；人工气管和组织工程化气管目前发展较快、其在上皮爬行和再生方面取得了一定进步，特别是组织工程化气管相容性更好，还原程度高，已有少数成果移植案例，但仍存在吻合口肉芽增生、裂开、移位及内壁黏膜覆盖等问题。随着高分子材料、生物医学组织工程的进展，如能解决上述问题，气管重建将会取得较满意的效果。

人工气管材料从无孔、硬质、单一组分逐步发展为有孔、生物、复合组分，最早的人工气管多以Neville管为材料，其可塑性强、气密性好，无渗漏，不易感染，但管腔内上皮难以爬行，候东祥、鲁世千、Acocella等用涤纶布包绕硅胶管进行气管重建取得了较好的效果，但硅胶管与气管间隙仍难以避免肉芽形成。

生物弹性体指生物相容性好，玻璃化转变温度（Tg）低于体温，体内可降解，拉伸至原长1.5倍并可在0.1-20Mpa的拉伸应力范围内保持1分钟，释放1分钟后至少能够返回原长的1.25倍。这些材料可应用于诊断、治疗、组织修复或置换以及组织功能增强等临床领域。聚柠檬酸酯（POC）的制备原理是将多官能团单体柠檬酸和双官能团单体1,9-辛二醇反应制备具有可控交联度的聚酯材料。其单体均可代谢为人体的无毒产物，其合成可在不添加有毒催化剂和交联剂的温和条件下制得，其机械性能和生物降解性能可控，易加工，对各个类型的细胞具有亲和力。聚己内酯（PCL）是一种半结晶型聚酯，可进行拉丝、吹膜、挤出、注塑等加工操作，具有非常低的玻璃化转变温度（-60℃），较低的熔点（56-65℃）和较高的热稳定性。

熔融沉积（FDM）3d打印技术技术通过将生物相容性的天然高分子或合成高分子等溶解在特定的溶剂中，通过加工头的加热挤压，在计算机的控制下逐层堆积，最终得到成形的立体零件，其成本较低，是目前常见应用的三维打印技术。本专利首先合成POC材料，通过熔融共混改性方法加入不同比例的PCL和羟基磷灰石复合。以人体气管真实数据为模型设计依据，应用于载荷与边界条件、材料及拓补结构的参数化研究及实际数字化制造。最后在德国产3d plotter打印机打印出波纹管状气管支架，这种支架具有优良的生物相容性、可控降解性、及杰出的力学性能，是一种应用组织修复工程领域的具有很大的潜力的器件。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架的的制备方法。

本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架的产品。本气管支架发明具有植入准确，操作方便，术后愈合快，稳定性好，牢固不易脱出的优点。

本发明目的通过下述方案实现：一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架的制备方法，以生物弹性体聚1,8-辛二醇-柠檬酸（POC）和聚己内酯（PCL）为主体结构材料作为力学支撑的主要成分，纳米粒度的羟基磷灰石颗粒（Hap）作为填料与POC-PCL混合成POC-PCL/Hap母料，然后通过熔融沉积成形3d打印法制备可降解型气管支架材料，包含以下步骤：

（1）POC-PCL/羟基磷灰石复合材料的制备：

将摩尔比为1：1的1,8辛二醇和柠檬酸POC置于三口烧瓶，加入30%质量分的PCL材料，惰性气体保护下加热至160℃，完全熔融保持反应温度为140℃，继续搅拌直至反应接近凝胶点，将预聚体溶于乙醇，用去离子水沉淀出去未反应小分子；120℃后固化交联后得到POC-PCL原料，分次加入约不同质量分数的纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1个小时，冷却至70°后得到材料；

（2）融合器模型的准备：

应用CAD软件编辑有限元模型，另存为stl标准文件，并修复未闭合的边缘以完善数据模型；数据模型中气管支架本体为波纹管，且边角经过倒角呈圆滑；

（3）应用3d plotter生物打印机熔融沉积制备腰椎间融合器

步骤（1）所述的Hap的颗粒大小为200-400nm。

步骤（2）所述的波纹管为外径18~20mm，壁厚3mm， 每组波纹间距为15mm；波纹管外表面分布5mm直径的孔，孔与孔之间间隔为5mm，孔位与波纹管对称排布。

本发明提供一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架，根据上述任一所述方法制备得到，该支架由管状本体组成，本体边缘上具有对称的4个圆形孔用于与气管固定，表面光滑，呈波纹状，直径2厘米，长度6厘米，其波纹曲面上分布有孔列阵。

气管支架本体为波纹管，且边角经过倒角呈圆滑。

使用的材料为POC-PCL与羟基磷灰石共混后的材料。

所述的波纹管为外径18~20mm，壁厚3mm， 每组波纹间距为15mm。

波纹管外表面分布5mm直径的孔，孔与孔之间间隔为5mm。

孔位与波纹管对称排布。

本气管支架发明具有植入准确，操作方便，术后愈合快，稳定性好，牢固不易脱出的优点。 气管支架本体表面设有类似密集排布的，呈平行排列，孔洞用来增加椎间融合器与椎体椎间接触面积，增加腰椎融合器与腰椎椎体之间摩擦力，使之固定稳定，防止植入器件从椎体间滑出。

本发明融合器本体为波纹管型，此种设计有利于支架定位操作，且防止在气管中的滑脱，在安装器械时便于定位、植入更精确。气管支架的两端面设置有定位孔，可用来用手术线缝合后定位，增强材料与气管的融合速度和效果。本颈椎融合器由POC-PCL/羟基磷灰石复合而成，具有细胞生长，诱导细胞向上皮细胞分化，并利于上皮细胞附着爬行的功能。

附图说明

附图1为实施例1,2,3,4的主视图；

附图2为实施例1,2,3,4的右视图；

附图3为实施例1,2,3,4的俯视图；

附图4为实施例1,2,3,4的立体图；

附图5为实施例1至5的拉伸-应变图。

具体实施方式

实施例1

一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架的制备方法，以生物弹性体聚1,8-辛二醇-柠檬酸（POC）为主体结构材料，然后通过熔融沉积成型3d打印法制备可降解型气管支架材料，按以下步骤：

POC的合成：将摩尔比为1：1的1,8辛二醇和柠檬酸置于三口烧瓶，惰性气体保护下加热至160℃，两单体完全熔融保持反应温度为140℃，继续搅拌直至反应接近凝胶点，将预聚体溶于乙醇，用去离子水沉淀出去未反应小分子。120℃后固化交联后得到POC原料。

将的POC材料剪成小块状，塞进3d plotter的打印腔体内，110摄氏度预热，层间堆积高度0.5毫米，3d打印制作气管支架。

气管支架数据模型方面，参见图1-图4，本实施例中主要包含主体结构呈类波纹管的主体结构1，对称的波纹管一端呈圆滑起伏，具有植入引导的作用，有利于植入手术操作。主体结构1的两端设有联通的4个直径为9mm的上、下定位孔2、3，直径为9mm的上、下定位孔2、3分别位于弧形的壁上，沿周向匀布，如互呈90°间隔排列，上下定位孔各四个。

气管支架本体1的上下表面设计有密集排布的植入孔4，孔直径为5mm，孔距5mm，这种设计能增大与气管壁接触面，从而增加了器械与气管壁的摩擦，而不易使椎间融合器从上气管的下端面与下气管的上端面脱出，能有效的融合上下结构。可使用组织工程支架培养的方法在培养基中加入上皮细胞先进行支架上的攀附，可加快组织与材料的融合速度，让上皮细胞填充入空心腔内，增强其融合的效果。

支架本体1波浪纹5外径为18mm~20mm，壁厚为3mm，内径为15-17mm，此种可加强本体1的力学强度。

实施例2

一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架的制备方法，以生物弹性体聚1,8-辛二醇-柠檬酸（POC）和聚己内酯（PCL）为主体结构材料，然后通过熔融沉积成型3d打印法制备可降解型气管支架材料，按以下步骤：

POC的合成：将摩尔比为1：1的1,8辛二醇和柠檬酸PCL置于三口烧瓶，加入30%质量分水的PCL材料，惰性气体保护下加热至160℃，完全熔融保持反应温度为140℃，继续搅拌直至反应接近凝胶点，将预聚体溶于乙醇，用去离子水沉淀出去未反应小分子。120℃后固化交联后得到POC-PCL原料。

首先，将POC-PCL原料剪成小块后填入预先加热到140摄氏度的哈克流变仪的空腔中，分次加入约10%质量分数的纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1个小时，冷却至70°后拆卸腔体将材料取出。将混合后的材料用剪刀剪成小块塞进3d plotter的打印腔体内，设置140摄氏度预热30分钟，设置层间堆积高度0.5毫米，打印制作颈部融合器。

气管支架数据模型方面，参见图1-图4，本实施例中主要包含主体结构呈类波纹管的主体结构1，对称的波纹管一端呈圆滑起伏，具有植入引导的作用，有利于植入手术操作。主体结构1的两端设有联通的4个直径为9mm的定位孔2和4个直径为9mm的定位孔3、分别位于弧形的壁上，互呈90°间隔排列。

气管支架本体1的上下表面设计有密集排布的植入孔4，孔直径为5mm，孔距5mm，这种设计能增大与气管壁接触面，从而增加了器械与气管壁的摩擦，而不易使椎间融合器从上气管的下端面与下气管的上端面脱出，能有效的融合上下结构。可使用组织工程支架培养的方法在培养基中加入上皮细胞先进行支架上的攀附，可加快组织与材料的融合速度，让上皮细胞填充入空心腔内，增强其融合的效果。

支架本体1波浪纹外径为18mm~20mm，壁厚为3mm，内径为15-17mm，此种可加强本体1的力学强度。

实施例3

一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架的制备方法，以生物弹性体聚1,8-辛二醇-柠檬酸（POC）和聚己内酯（PCL）为主体结构材料，纳米粒度的羟基磷灰石颗粒（Hap）作为填料，与POC-PCL混合成POC-PCL/Hap母料，然后通过熔融沉积成型3d打印法制备可降解型气管支架材料，按以下步骤：

将摩尔比为1：1的1,8辛二醇和柠檬酸POC置于三口烧瓶，加入30%质量分水的PCL材料，惰性气体保护下加热至160℃，完全熔融保持反应温度为140℃，继续搅拌直至反应接近凝胶点，将预聚体溶于乙醇，用去离子水沉淀出去未反应小分子。120℃后固化交联后得到POC-PCL原料。分次加入约1%质量分数的纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1个小时，冷却至70°后拆卸腔体将材料取出。将混合后的材料用剪刀剪成小块塞进3d plotter的打印腔体内，设置140摄氏度预热30分钟，设置层间堆积高度0.5毫米，打印制作颈部融合器。

气管支架数据模型方面，参见图1-图4，本实施例中主要包含主体结构呈类波纹管的主体结构1，对称的波纹管一端呈圆滑起伏，具有植入引导的作用，有利于植入手术操作。主体结构1的两端设有联通的4个直径为9mm的定位孔2和4个直径为9mm的定位孔3、分别位于弧形的壁上，互呈90°间隔排列。

气管支架本体1的上下表面设计有密集排布的植入孔4，孔直径为5mm，孔距5mm，这种设计能增大与气管壁接触面，从而增加了器械与气管壁的摩擦，而不易使椎间融合器从上气管的下端面与下气管的上端面脱出，能有效的融合上下结构。可使用组织工程支架培养的方法在培养基中加入上皮细胞先进行支架上的攀附，可加快组织与材料的融合速度，让上皮细胞填充入空心腔内，增强其融合的效果。

支架本体1波浪纹外径为18mm~20mm，壁厚为3mm，内径为15-17mm，此种可加强本体1的力学强度。

实施例4

一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架的制备方法，以生物弹性体聚1,8-辛二醇-柠檬酸（POC）和聚己内酯（PCL）为主体结构材料，纳米粒度的羟基磷灰石颗粒（Hap）作为填料，与POC-PCL混合成POC-PCL/Hap母料，然后通过熔融沉积成型3d打印法制备可降解型气管支架材料，按以下步骤：

将摩尔比为1：1的1,8辛二醇和柠檬酸POC置于三口烧瓶，加入30%质量分水的PCL材料，惰性气体保护下加热至160℃，完全熔融保持反应温度为140℃，继续搅拌直至反应接近凝胶点，将预聚体溶于乙醇，用去离子水沉淀出去未反应小分子。120℃后固化交联后得到POC-PCL原料。分次加入约3%质量分数的纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1个小时，冷却至70°后拆卸腔体将材料取出。将混合后的材料用剪刀剪成小块塞进3d plotter的打印腔体内，设置140摄氏度预热30分钟，设置层间堆积高度0.5毫米，打印制作颈部融合器。

气管支架数据模型方面，参见图1-图4，本实施例中主要包含主体结构呈类波纹管的主体结构1，对称的波纹管一端呈圆滑起伏，具有植入引导的作用，有利于植入手术操作。主体结构1的两端设有联通的4个直径为9mm的定位孔2和4个直径为9mm的定位孔3、分别位于弧形的壁上，互呈90°间隔排列。

气管支架本体1的上下表面设计有密集排布的植入孔4，孔直径为5mm，孔距5mm，这种设计能增大与气管壁接触面，从而增加了器械与气管壁的摩擦，而不易使椎间融合器从上气管的下端面与下气管的上端面脱出，能有效的融合上下结构。可使用组织工程支架培养的方法在培养基中加入上皮细胞先进行支架上的攀附，可加快组织与材料的融合速度，让上皮细胞填充入空心腔内，增强其融合的效果。

支架本体1波浪纹外径为18mm~20mm，壁厚为3mm，内径为15-17mm，此种可加强本体1的力学强度。

实施例5

一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架的制备方法，以生物弹性体聚1,8-辛二醇-柠檬酸（POC）和聚己内酯（PCL）为主体结构材料，纳米粒度的羟基磷灰石颗粒（Hap）作为填料，与POC-PCL混合成POC-PCL/Hap母料，然后通过熔融沉积成型3d打印法制备可降解型气管支架材料，按以下步骤：

将摩尔比为1：1的1,8辛二醇和柠檬酸POC置于三口烧瓶，加入30%质量分水的PCL材料，惰性气体保护下加热至160℃，完全熔融保持反应温度为140℃，继续搅拌直至反应接近凝胶点，将预聚体溶于乙醇，用去离子水沉淀出去未反应小分子。120℃后固化交联后得到POC-PCL原料。分次加入约5%质量分数的纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1个小时，冷却至70°后拆卸腔体将材料取出。将混合后的材料用剪刀剪成小块塞进3d plotter的打印腔体内，设置140摄氏度预热30分钟，设置层间堆积高度0.5毫米，打印制作颈部融合器。

气管支架数据模型方面，参见图1-图4，本实施例中主要包含主体结构呈类波纹管的主体结构1，对称的波纹管一端呈圆滑起伏，具有植入引导的作用，有利于植入手术操作。主体结构1的两端设有联通的4个直径为9mm的定位孔2和4个直径为9mm的定位孔3、分别位于弧形的壁上，互呈90°间隔排列。

气管支架本体1的上下表面设计有密集排布的植入孔4，孔直径为5mm，孔距5mm，这种设计能增大与气管壁接触面，从而增加了器械与气管壁的摩擦，而不易使椎间融合器从上气管的下端面与下气管的上端面脱出，能有效的融合上下结构。可使用组织工程支架培养的方法在培养基中加入上皮细胞先进行支架上的攀附，可加快组织与材料的融合速度，让上皮细胞填充入空心腔内，增强其融合的效果。

支架本体1波浪纹外径为18mm~20mm，壁厚为3mm，内径为15-17mm，此种可加强本体1的力学强度。

Claims (9)

1.一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架的制备方法，其特征在于，以生物弹性体聚1,8-辛二醇-柠檬酸（POC）和聚己内酯（PCL）为主体结构材料，纳米粒度的羟基磷灰石颗粒（Hap）作为填料，与POC-PCL混合成POC-PCL/Hap母料，然后通过熔融沉积成型3d打印法制备可降解型气管支架材料，包含以下步骤：

（1）POC-PCL/羟基磷灰石复合材料的制备：

将摩尔比为1：1的1,8辛二醇和柠檬酸POC置于三口烧瓶，加入30%质量分的PCL材料，惰性气体保护下加热至160℃，完全熔融保持反应温度为140℃，继续搅拌直至反应接近凝胶点，将预聚体溶于乙醇，用去离子水沉淀出去未反应小分子；120℃后固化交联后得到POC-PCL原料，分次加入约不同质量分数的纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1个小时，冷却至70°后得到材料；

（2）融合器模型的准备：

应用CAD软件编辑有限元模型，另存为stl标准文件，并修复未闭合的边缘以完善数据模型；数据模型中气管支架本体为波纹管，且边角经过倒角呈圆滑；

（3）应用3d plotter生物打印机熔融沉积制备波纹管状弹性体气管支架。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的Hap的颗粒大小为200-400nm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的波纹管为外径18~20mm，壁厚3mm，每组波纹间距为15mm；波纹管外表面分布5mm直径的孔，孔与孔之间间隔为5mm，孔位与波纹管对称排布。

4.一种解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架，其特征在于根据权利要求1-3任一所述方法制备得到，该支架由管状本体组成，本体边缘上具有对称的4个圆形孔用于与气管固定，表面光滑，呈波纹状，直径2厘米，长度6厘米，其波纹曲面上分布有孔列阵。

5.根据权利要求4所述的解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架，其特征在于，气管支架本体为波纹管，且边角经过倒角呈圆滑。

6.根据权利要求4所述的解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架，其特征在于，使用的材料为POC-PCL与羟基磷灰石共混后的材料。

7.根据权利要求4所述的解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架，其特征在于，所述的波纹管为外径18~20mm，壁厚3mm， 每组波纹间距为15mm。

8.根据权利要求5所述的解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架，其特征在于，波纹管外表面分布5mm直径的孔，孔与孔之间间隔为5mm。

9.根据权利要求4所述的解剖型3d打印波纹管状弹性体气管支架，其特征在于，孔位与波纹管对称排布。