CN109939265A - 基于羟基磷灰石-二氧化锆人工骨的3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于羟基磷灰石‑二氧化锆人工骨的3D打印方法。本发明首先准备打印材料，其次进行数字模型制作，然后进行打印，最后进行打印后处理。其中的打印材料包括羟基磷灰石、二氧化硅、聚乙烯醇、柠檬酸。具体是将聚乙烯醇粉体与蒸馏水混合水浴加热，然后冷却后放入冷冻箱，取出后解冻制成水凝胶备用。称取羟基磷灰石与二氧化硅粉体，加入混料机混合，然后与聚乙烯醇水凝胶混合，使用恒速搅拌机低速搅拌，最后加入柠檬酸搅拌，静置除泡后复合打印材料制备完成。本发明工艺简单、成品率高、内部结构可控、成本低，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及到一种羟基磷灰石-二氧化锆复合材料的人工骨制备方法，尤其涉及一种采用3D打印技术制备的方法。
背景技术
羟基磷灰石是构成骨骼与牙齿的主要组成成分，具有良好的生物活性与相容性，植入后对组织无免疫与排斥反应，能与骨组织形成很强的结合；但单一组分羟基磷灰石作为骨组织工程材料弹性和塑性较差，脆性大，力学性能较差。二氧化锆属于生物惰性材料，具有较高力学强度和断裂韧性，在羟基磷灰石粉末中引入二氧化锆，则可改善羟基磷灰石陶瓷性能，使其既有较好的力学性能，又有一定的生物活性。
车七石的CN201811113259是将包含羟基磷灰石的多组分固相粉末与丝素蛋白溶液混合形成糊状物，然后将糊状物填入模具，通过冷冻在人工骨中形成定向的冰晶，最后将冰晶升华形成多孔结构。该方法通过自然形成冰晶的方式制造内部孔，因此无法准确控制内部孔的大小，分布及尺寸，通过模具来形成人工骨外部形状的方法无法制备形状复杂的人工骨结构。
发明内容
本发明的目的在于针对当前人工骨制造通常采用模具法存在的内部孔结构不规则，外形轮廓不易复杂化等问题，提供一种利用3D打印技术制备羟基磷灰石与二氧化锆复合材料人工骨的方法。
本发明包括如下步骤：
步骤1.准备打印材料：将聚乙烯醇粉体与蒸馏水混合水浴加热，然后冷却后放入冷冻箱，取出后解冻制成水凝胶备用。
称取羟基磷灰石与二氧化硅粉体，加入混料机混合，然后与聚乙烯醇水凝胶混合，使用恒速搅拌机低速搅拌，最后加入柠檬酸搅拌，静置除泡后复合打印材料制备完成。
步骤2.数字模型制作：通过CT、MRI扫描获得物体的序列层片数据，然后将其转化为DICOM格式导入Mimics软件中，选择合适的灰度值并通过阈值分割提取出来，骨骼的CT灰度值范围为100-300Hu，选择设定的Bone值，阈值在177-216的区间内，提取的骨骼颜色默认绿色。此时显示一个独立的蒙，通过区域增长功能，把连续的组织提取，不连续的组织将被消除，最后可以把骨骼完整的提取，而取后的骨骼会再生成一个新的黄色蒙版。通过3D计算功能进行三维重建。最后，通过STL格式对数据进行存储。
步骤3.打印：选用打印设备，并控制打印参数，包括打印速度、挤出压力、切片厚度、内部结构的线条间距、每层线条角度、打印温度和打印喷头直径。
步骤4.打印后处理：将打印的人工骨放到烘干箱中干燥，为获得最佳烧结效果，将打印的人工骨置于烧结炉中进行升温，在设定温度下时保持一段时间，然后再次升温至设定温度。
本发明的有益效果：采用3D 打印技术加工该复合材料的人工骨，可以省去时间冗长、成本昂贵的模具制造阶段，理论上能加工出任意形状的人工骨，还可以形成内部的微孔洞结构，并控制微空洞的数量、大小及分布，克服了传统人工骨加工方法的不足。加工出的人工骨可以达到与被代替部位的形状基本一致的效果，以保证患者得到最优的个性化治疗方案，而且具有极好的生物相容性和生物活性，能为成骨细胞、血管等的长入提供生长空间和通道，增大组织液与人工骨的接触表面积，并通过营养传输和血管生长等方式影响新骨长入的程度和速度，加快骨修复过程。
附图说明
图1为3D打印技术制备羟基磷灰石-二氧化锆人工骨的流程图。
具体实施方式
以下结合附图1对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种以挤出式3D打印技术制备人工骨的方法，包括以下步骤：
1.准备打印材料：制备材料中羟基磷灰石、二氧化硅、聚乙烯醇、柠檬酸的质量比例为5:3:1:1，首先根据比例称取适量粉体，将称取的聚乙烯醇粉体与蒸馏水混合水浴加热至99℃保温1小时使其充分溶解，然后冷却后放入零下10℃冷冻箱6小时，取出后解冻12小时反复三次制成质量浓度为10%的水凝胶备用，按比例称取羟基磷灰石与二氧化硅粉体加入混料机混合0.5小时使其混合均匀，然后与聚乙烯醇水凝胶混合，使用恒速搅拌机低速搅拌3小时使其混合均匀，最后加入相应比例柠檬酸搅拌0.5h，静置除泡后复合材料制备完成。
2.数字模型制作：通过CT、MRI扫描获得物体的序列层片数据，然后将其转化为DICOM格式导入Mimics软件中，选择合适的灰度值并通过阈值分割（Thresholding）功能提取出来，骨骼的CT灰度值范围大约为100-300Hu，选择设定的Bone（CT）值，阈值在177-216的区间内，选择好合适的阈值后，提取的骨骼颜色默认绿色。此时显示一个独立的蒙，通过区域增长（Region growing）功能，把连续的组织提取，不连续的组织将被消除，最后可以把骨骼完整的提取，而提取后的骨骼会再生成一个新的黄色蒙版。通过3D计算（3DCalculation）功能进行三维重建。最后，通过STL格式对数据进行存储，为后续制造做好铺垫。
3.打印过程中工艺参数的控制：打印设备使用德国envision TEC制造的 3D-Bioplotter。为得到质量最佳的人工骨，将打印速度设置为10mm/s，挤出压 力设置为1.2bar，切片厚度设置为0.32mm，内部结构的线条间距设置为1mm， 每层线条角度按0°与90°交替叠加，打印温度设置为20℃，打印喷头直径为 400μm。
4.打印后处理：将打印成品放到80℃的烘干箱中干燥12小时，为获得最佳烧结效果，将打印的人工骨置于烧结炉中以10℃/min进行升温，在600摄氏度时保持30min，然后以20℃/min的速度升温至1250℃。
按照本实施例制得产品后按照YY/T0959-2014中的方法进行试验，采用MTS试验机，藉由夹具将实验样品安装于MTS万能材料试验机上，进行人工骨的压缩测试，当压力达到730N后停止下压，使用伸长计来量测位移，并与有限元计算结果比对位移量，以验证模型的可靠度。
同时本实施例将针对研制的人工骨进行生物学评价，进行以下试验：
（1）体外细胞毒性试验,细胞毒性反应不大于1级。
（2）迟发型超敏反应试验,应无迟发型超敏反应。
（3）皮内反应试验,试验样品与溶剂对照平均分之差不大于1.0。
（4）全身(急性)毒性试验,应无全身（急性）毒性反应。
（5）亚慢性全身毒性试验，应无临床（局部和全身）毒性症状；与对照组比较，肉眼和显微观察，应无明显病理改变；试验组和对照组之间体重、器官重量、血液学、临床化学等指标应无明显的毒性反应（P＞0.05）。
（6）遗传毒性试验，依据GB/T 16886.3-2008中4.2.1.1的“方案1”进行。
（7）细胞回复突变试验(Ames)：供试品应对鼠伤寒沙门氏菌无诱变性。
（8）哺乳动物体外细胞染色体畸变试验：供试品应对培养的哺乳动物体细胞不诱发染色体畸变。
（9）哺乳动物细胞基因突变试验：供试品不能引起本试验中培养的哺乳动物细胞基因突变。
（10）骨植入试验（1周、4周、12周、26周），植入后（1周、4周、12周、26周）局部反应的显微镜下刺激等级应为（0.0-2.9）无刺激或（3.0-8.9）轻微刺激。
Claims (5)
1.基于羟基磷灰石-二氧化锆人工骨的3D打印方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1.准备打印材料：将聚乙烯醇粉体与蒸馏水混合水浴加热，然后冷却后放入冷冻箱，取出后解冻制成水凝胶备用；
称取羟基磷灰石与二氧化硅粉体，加入混料机混合，然后与聚乙烯醇水凝胶混合，使用恒速搅拌机低速搅拌，最后加入柠檬酸搅拌，静置除泡后复合打印材料制备完成；
步骤2.数字模型制作：通过CT、MRI扫描获得物体的序列层片数据，然后将其转化为DICOM格式导入Mimics软件中，选择合适的灰度值并通过阈值分割提取出来，骨骼的CT灰度值范围为100-300Hu，选择设定的Bone值，阈值在177-216的区间内，提取的骨骼颜色默认绿色；此时显示一个独立的蒙，通过区域增长功能，把连续的组织提取，不连续的组织将被消除，最后可以把骨骼完整的提取，而取后的骨骼会再生成一个新的黄色蒙版；通过3D计算功能进行三维重建；最后，通过STL格式对数据进行存储；
步骤3.打印：选用打印设备，并控制打印参数，包括打印速度、挤出压力、切片厚度、内部结构的线条间距、每层线条角度、打印温度和打印喷头直径；
步骤4.打印后处理：将打印的人工骨放到烘干箱中干燥，为获得最佳烧结效果，将打印的人工骨置于烧结炉中进行升温，在设定温度下时保持一段时间，然后再次升温至设定温度。
2.根据权利要求1所述的基于羟基磷灰石-二氧化锆人工骨的3D打印方法，其特征在于：步骤1中的羟基磷灰石、二氧化硅、聚乙烯醇、柠檬酸的质量比例为5:3:1:1，根据比例将称取的聚乙烯醇粉体与蒸馏水混合水浴加热至99℃保温1小时使其充分溶解，然后冷却后放入零下10℃冷冻箱6小时，取出后解冻12小时反复三次制成质量浓度为10%的水凝胶备用，按比例称取羟基磷灰石与二氧化硅粉体加入混料机混合0.5小时使其混合均匀，然后与聚乙烯醇水凝胶混合，使用恒速搅拌机低速搅拌3小时使其混合均匀，最后加入相应比例柠檬酸搅拌0.5h，静置除泡后复合材料制备完成。
3.根据权利要求1所述的基于羟基磷灰石-二氧化锆人工骨的3D打印方法，其特征在于：步骤3中打印设备使用德国envision TEC制造的3D-Bioplotter；打印速度设置为10mm/s，挤出压力设置为1.2bar，切片厚度设置为0.32mm，内部结构的线条间距设置为1mm，每层线条角度按0°与90°交替叠加，打印温度设置为20℃，打印喷头直径为400μm。
4.根据权利要求1所述的基于羟基磷灰石-二氧化锆人工骨的3D打印方法，其特征在于：步骤4中将打印的人工骨放到80℃的烘干箱中干燥12小时，为获得最佳烧结效果，将打印的人工骨置于烧结炉中以10℃/min进行升温，在600摄氏度时保持30min，然后以20℃/min的速度升温至1250℃。
5.根据权利要求1所述的基于羟基磷灰石-二氧化锆人工骨的3D打印方法，其特征在于：还包括力学性能测试步骤：将打印得到的产品后按照YY/T0959-2014中的方法进行试验，采用MTS试验机，藉由夹具将实验样品安装于MTS万能材料试验机上，进行人工骨的压缩测试，当压力达到730N后停止下压，使用伸长计来量测位移，并与有限元计算结果比对位移量，以验证模型的可靠度。
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