CN109771101A - 一种用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁及其制备方法，该方法是利用快速熔丝制造法，将金属粉熔融后，通过静电拉丝，按预设的骨小梁模型沉积成型，获得金属仿生骨小梁。本发明通过FFF技术将金属材料打印出类似骨小梁的多孔结构，打印精度至丝径10μm以下，满足真正意义上的仿生。而且，本发明采用的金属材料钽、钛钽合金或钛钽铌锆合金等，具有的促进组织再生的生物学活性，完全符合临床使用要求。采用本发明的方法制备的仿生骨小梁能完美代替自体或者同种异体骨。

Description

一种用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种医疗器械，具体涉及一种用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁及其制备方法。

背景技术

松质骨是由大量形状不规则的骨小梁连接而成的多孔网架结构。相互交织成网的骨小梁(见图1)实际具有一定的纵向与横向排列规律，这种规律排列能增加骨强度。这些骨小梁的应力变化会对骨骼的强度产生明显影响。利用微观手段观察到的骨小梁，在受到外力刺激下表现为：骨小梁变形、密度降低及网状结构的孔隙变大。受力达到一定强度后会出现弥漫性断裂，完整性遭到破坏，松质骨提供的强度降低，进而导致骨抗形变以及承重能力下降。

在临床医疗活动中，松质骨的骨缺损多见于骨质疏松、感染、肿瘤、创伤、骨髓炎后的手术清创等各种疾病。根据松质骨缺损的范围大小，骨骼的稳定性会受到不同程度的影响。失去了松质骨提供的支撑作用，骨骼的稳定性明显下降，对外来冲击的耐受性明显变差，从而在轻微外力的作用下即有可能发生骨折，骨质疏松骨折就是其结果之一。另外，由于失去了部分骨质，病患的骨缺损愈合较难，卧床休息和固定的时间也会随之显著延长，从而带来如血栓、褥疮、坠积性肺炎等一系列的并发症。因此，为了尽快修复骨骼的稳定性和避免出现长期康复过程中的并发症，需要及时对松质骨缺损进行修复。

目前，临床上修复骨缺损的方法有自体或者异体骨移植、人工骨替代。其中，人工骨替代包括：金属或者高分子替代物等。

自体或者异体骨移植存在着不同程度的缺陷：1)自体骨移植会额外增加手术创伤和手术时间.可供骨源有限.移植骨的形态、大小等方面不易满足要求，取骨区可能出现感染、疼痛等并发症。2)同种异体骨移植可能引起血源性疾病的传播及引起免疫反应干扰骨愈合等缺点；另外同种异体骨仅有骨传导作用而无骨诱导作用，移植术后骨折愈合可能相对较慢。

目前临床上用于骨缺损修复的人工骨代替物主要存在以下问题：1)内植物与骨骼弹性模量不匹配，植入后容易产生应力遮挡现象，加速骨量丢失的同时二次骨折的风险增加；2)内植物不具备促进骨折愈合的生物学功能，仅提供骨折愈合所需的稳定环境；3)由于传统加工工艺的限制导致填充物的形态与缺损不匹配，会造成磨损并有可能再次造成骨折；4)目前传统工艺加工的多孔材料孔隙率以及孔隙形状不规则影响骨整合效果。如图1所示，人体正常骨小梁结构通常为多孔的蜂窝状结构，传统的制造工艺用来制造这种多孔结构是不可能实现的。传统的3D打印技术，如选择性激光熔化技术(Selective LaserMelting，简称SLM)，电子束熔融技术(Electron Beam Melting，简称EBM)的打印精度有限，最高精度只能达到40μm，不能满足于骨小梁的仿生结构。

因此，临床目前急需开发一种能够完美代替自体或者同种异体骨的人工骨替代物。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明的目的是提供一种能完美替代自体或者同种异体骨的人工骨小梁的制备方法，采用快速熔丝制造法(FFF)制备具有和人正常骨小梁结构相似的多孔金属仿生骨小梁，并将其用于松质骨缺损的治疗。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁的制备方法，该方法是利用快速熔丝制造法，将金属粉熔融后，通过静电拉丝，按预设的骨小梁模型沉积成型，获得金属仿生骨小梁。

较佳地，熔融温度为2200-3000℃，打印平台电压为10KV-50KV。

较佳地，所述的金属粉通过氢化制粉制备。

较佳地，所述的氢化制粉工艺是指：将金属材料氢化处理，并依次经破碎球磨处理、筛分处理、整形处理及脱氢后处理，得到金属粉。

较佳地，所述的金属材料选自钽、钛钽合金、钛钽铌锆合金中的任意一种。钽和铌本身对于人体没有任何毒副作用，具有适宜的力学强度和优秀的生物学活性，具有促进骨和软组织再生的作用。

较佳地，所述的钛钽铌锆合金由以下质量百分数计的金属元素构成：钛60％、钽2％、铌34％、锆4％。

较佳地，所述的金属仿生骨小梁的丝径不大于10μm，且表面均一。

本发明还提供了一种上述的制备方法制得的金属仿生骨小梁，该金属仿生骨小梁的丝径不大于10μm，且表面均一，能作为骨小梁替代物，用于松质骨缺损修复。

经过多孔化处理的钽金属骨小梁具有匹配人类松质骨弹性模量的力学特性。此外，本发明采用的快速熔丝制造(Fast Fuse Fabrication,简称FFF)制造的金属丝径与人体正常骨小梁非常接近，这是选择性激光熔融技术(Selective Laser Melting，简称SLM)和电子束熔融技术(Electron Beam Melting，简称EBM)等3D打印技术所达不到的精度。

因此，本发明提供的金属骨小梁作为松质骨缺损填充材料可以有效地避免应力遮挡效应，降低二次骨折的风险。其次，本发明选用的钽、铌等金属作为亲生物金属，其本身对于人体没有任何毒副作用，并具有优秀的促进骨组织再生的生物活性。最后，具有仿生骨小梁结构的内植物有利于新生骨长入材料内部，取得良好的骨整合效果。从而提高骨缺损的修复质量和速度，这使患者可以早期进行康复训练，有效防止术后因长期卧床而出现的并发症。

附图说明

图1为人体骨小梁的结构示意图。

图2为本发明提供的一种用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

1、制备金属钽粉

利用氢化制粉的方法制备出符合3D打印要求的钽粉，以求通过3D打印技术制备出符合临床手术用的骨小梁替代物。

将金属材料氢化处理，并依次经破碎球磨处理、筛分处理(以保证流动性)、整形处理及脱氢后处理，得到金属粉。所述的筛分处理的目的是保证流动性为20-50g/12Sec。所述的整形处理的目的是控制粒径范围位于200mu～400mu之间。

2、制备金属仿生骨小梁

将制备的钽金属粉末进行高温熔融，2700-3000℃，然后，熔融的金属液体通过FFF技术打印平台的高压静电力(自打印机喷嘴出来的金属丝直径为100-200μm左右，通过平台的高压静电力将喷嘴中的金属丝击穿到10-20μm左右)，将钽材料通过电场拉丝的方式，使其沉积成型，整个沉积过程都是根据事先计算机软件设计好的骨小梁模型(具多孔结构)进行逐层打印，获得丝径小于10μm并且表面均一的钽金属仿生骨小梁，具有多孔结构，如图2所示。打印参数为：2700-3000℃，平台电压为10KV-50KV。该FFF技术打印平台为弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所(IKTS)自主改装的打印机。

实施例2

1、制备钛钽铌锆合金粉

利用氢化制粉的方法制备出符合3D打印要求的钛钽铌锆合金粉，以求通过3D打印技术制备出符合临床手术用的骨小梁替代物。

首先，将钛钽铌锆合金材料(钛60％、钽2％、铌34％、锆4％，以下质量百分数计)氢化处理，并依次经破碎球磨处理、筛分处理、整形处理及脱氢后处理，得到钛钽铌锆合金粉。

2、制备钛钽铌锆合金仿生骨小梁

将制备的钛钽铌锆合金粉末进行高温熔融，融化温度2200-2600℃，然后，将熔融的金属液体通过打印平台的高压静电力将钛钽铌锆合金材料通过拉丝的方式将其沉积成型，整个沉积过程都是根据事先计算机软件设计好的骨小梁模型(具多孔结构)进行逐层打印，获得丝径小于10μm并且表面均一的钛钽铌锆合金仿生骨小梁。

打印参数为：2200-2600℃，平台电压为10KV-50KV。该FFF技术打印平台为弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所(IKTS)自主改装的打印机。

综上所述，本发明采用计算机模拟，通过FFF技术将金属材料打印出类似骨小梁的多孔结构，且可以将金属材料打印至丝径10μm以下，满足真正意义上的仿生。而且，本发明采用的金属材料钽、钛钽合金或钛钽铌锆合金等，具有的促进组织再生的生物学活性，完全符合临床使用要求。采用本发明的方法制备的仿生骨小梁能完美代替自体或者同种异体骨。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁的制备方法，其特征在于，该方法是利用快速熔丝制造法，将金属粉熔融后，通过静电拉丝，按预设的骨小梁模型沉积成型，获得金属仿生骨小梁。

2.如权利要求1所述的用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁的制备方法，其特征在于，熔融温度为2200-3000℃，打印平台电压为10KV-50KV。

3.如权利要求1所述的用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁的制备方法，其特征在于，所述的金属粉通过氢化制粉制备。

4.如权利要求3所述的用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁的制备方法，其特征在于，所述的氢化制粉工艺是指：将金属材料氢化处理，并依次经破碎球磨处理、筛分处理、整形处理及脱氢后处理，得到金属粉。

5.如权利要求4所述的用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁的制备方法，其特征在于，所述的金属材料选自钽、钛钽合金、钛钽铌锆合金中的任意一种。

6.如权利要求5所述的用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁的制备方法，其特征在于，所述的钛钽铌锆合金由以下质量百分数计的金属元素构成：钛60％、钽2％、铌34％、锆4％。

7.如权利要求1所述的用于松质骨缺损修复的金属仿生骨小梁的制备方法，其特征在于，所述的金属仿生骨小梁的丝径不大于10μm，且表面均一。

8.一种采用权利要求1-7中任意一项所述的制备方法制得的金属仿生骨小梁，其特征在于，该金属仿生骨小梁的丝径不大于10μm，且表面均一，能作为骨小梁替代物，用于松质骨缺损修复。