CN110680562B - 骨缺损修复支架及构建、制备方法、计算机可读存储介质、设备 - Google Patents

骨缺损修复支架及构建、制备方法、计算机可读存储介质、设备 Download PDF

Info

Publication number
CN110680562B
CN110680562B CN201911026156.6A CN201911026156A CN110680562B CN 110680562 B CN110680562 B CN 110680562B CN 201911026156 A CN201911026156 A CN 201911026156A CN 110680562 B CN110680562 B CN 110680562B
Authority
CN
China
Prior art keywords
bracket
model
rib
defect repair
bone defect
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911026156.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110680562A (zh
Inventor
赵双
郝永强
姜闻博
谢凯
郭煜
王磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ninth Peoples Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine
Original Assignee
Ninth Peoples Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ninth Peoples Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine filed Critical Ninth Peoples Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine
Priority to CN201911026156.6A priority Critical patent/CN110680562B/zh
Publication of CN110680562A publication Critical patent/CN110680562A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110680562B publication Critical patent/CN110680562B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A61F2002/2817—Bone stimulation by chemical reactions or by osteogenic or biological products for enhancing ossification, e.g. by bone morphogenetic or morphogenic proteins [BMP] or by transforming growth factors [TGF]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A61F2002/2835—Bone graft implants for filling a bony defect or an endoprosthesis cavity, e.g. by synthetic material or biological material
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2002/30001—Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
    • A61F2002/30003—Material related properties of the prosthesis or of a coating on the prosthesis
    • A61F2002/3006—Properties of materials and coating materials
    • A61F2002/30062—(bio)absorbable, biodegradable, bioerodable, (bio)resorbable, resorptive
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/30767—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth
    • A61F2/30771—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth applied in original prostheses, e.g. holes or grooves
    • A61F2002/30772—Apertures or holes, e.g. of circular cross section
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/30767—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth
    • A61F2002/3093—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth for promoting ingrowth of bone tissue
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2002/30985—Designing or manufacturing processes using three dimensional printing [3DP]

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Prostheses (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

本发明提供一种骨缺损修复支架及构建、制备方法、计算机可读存储介质、设备，骨缺损修复支架包括骨缺损修复支架本体，包括若干支架层，支架层包括若干平行的支架凸棱，支架凸棱包括第一支架凸棱和第二支架凸棱，相邻层的支架凸棱交叉形成微孔，所述骨缺损修复支架的形状为缺损骨组织的形状，所述第一支架凸棱的材料包括生物可降解聚合物和生物可降解无机物，所述第二支架凸棱的材料为细胞水凝胶。所述骨缺损修复支架以含生物可降解无机物如骨诱导活性镁颗粒的生物可降解聚合物为基材，结合细胞水凝胶，经过建模制备如3D生物打印制备，有效结合聚合物、金属和生物打印的优点，具有良好的生物相容性、生物可降解性、骨传导性及骨诱导性。

Description

骨缺损修复支架及构建、制备方法、计算机可读存储介质、 设备
技术领域
本发明属于骨修复技术领域，特别是涉及一种骨缺损修复支架及构建、制备方法、计算机可读存储介质、设备。
背景技术
骨缺损是指骨的结构完整性被破坏，其常见原因有创伤、感染、骨肿瘤、骨坏死等。目前临床上治疗开放性骨折、骨肿瘤等造成的大段骨缺损主要以填充修复为主，当缺损部位可能或已伴有感染时，还需在骨缺损修复的同时进行抗感染治疗。另外，针对复杂的硬组织形态与功能异常，目前的骨修复技术和材料无法准确重建和修复，亟需研发个性化的骨修复植入器械。传统的植入假体材料如不锈钢、钛合金本身不具备特异性的生物学功能，骨传导与骨诱导能力低，且不具备与病损部位相匹配的几何外形和力学性能，不能有效地实现骨组织的再生修复。因此，若能研发兼具个性化形态结构和生物功能的骨修复植入器械，有望极大地提高骨修复的治疗效果。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种骨缺损修复支架及构建、制备方法、计算机可读存储介质、设备，所述骨缺损修复支架包括骨缺损修复支架本体，所述骨缺损修复支架本体包括若干支架层，所述支架层包括若干平行的支架凸棱，所述支架凸棱包括第一支架凸棱和第二支架凸棱，相邻层的支架凸棱交叉形成微孔，所述骨缺损修复支架的形状为缺损骨组织的形状，所述第一支架凸棱的材料包括生物可降解聚合物和生物可降解无机物，所述第二支架凸棱的材料为细胞水凝胶。所述骨缺损修复支架以含生物可降解无机物如骨诱导活性镁颗粒的生物可降解聚合物为基材，结合细胞水凝胶，经过建模制备如3D生物打印制备，有效结合聚合物、金属和生物打印的优点，具有良好的生物相容性、生物可降解性、骨传导性及骨诱导性。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种骨缺损修复支架，包括骨缺损修复支架本体，所述骨缺损修复支架本体包括若干支架层，所述支架层包括若干平行的支架凸棱，所述支架凸棱包括第一支架凸棱和第二支架凸棱，相邻层的支架凸棱交叉形成微孔，所述骨缺损修复支架的形状为缺损骨组织的形状，所述第一支架凸棱的材料包括生物可降解聚合物和生物可降解无机物，所述第二支架凸棱的材料为细胞水凝胶。
本发明第二方面提供上述骨缺损修复支架模型的构建方法，包括如下步骤：
1)构建骨三维模型；
2)确定切除范围，在所述骨三维模型上模拟切除得到切除后的骨三维模型，并以切除部分作为初始骨缺损修复支架模型；
3)以初始骨缺损修复支架模型的外轮廓为基准，构建若干支架层模型，所述支架层模型包括若干平行的支架凸棱模型，所述支架凸棱模型包括第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型，相邻层的支架凸棱模型交叉形成微孔，所述若干支架层模型的外轮廓与初始骨缺损修复支架模型的外轮廓重合，从而获得所述骨缺损修复支架模型。
本发明第三方面提供上述骨缺损修复支架的制备方法，所述制备方法包括：根据上述骨缺损修复支架模型的构建方法构建获得骨缺损修复支架模型，制备骨缺损修复支架。
本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上述骨缺损修复支架模型的构建方法的步骤，或如上述骨缺损修复支架的制备方法的步骤。
本发明第五方面提供一种设备，包括：处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行如上述骨缺损修复支架模型的构建方法的步骤，或如上述骨缺损修复支架的制备方法的步骤。
如上所述，本发明至少具有以下有益效果之一：
1)本发明骨缺损修复支架中第二支架凸棱的材料为细胞水凝胶，为缺损部位提供原始细胞，为修复骨缺损提供原始动力；
2)本发明骨缺损修复支架中第一支架凸棱的材料包括生物可降解聚合物和生物可降解无机物，作为基材，弥补传统可降解骨修复材料的不足，赋予其生物活性的同时提升力学强度，拓展临床应用范围；
3)本发明骨缺损修复支架通过三维建模制备如3D打印，以切除后的骨三维模型和骨缺损修复支架为基础构建骨缺损修复支架模型，使得骨缺损修复支架模型填满切除后的模型，即所述骨缺损修复支架的形状为缺损骨组织的形状，实现骨缺损修复支架的个性化设计。
附图说明
图1显示为本发明骨缺损修复支架的结构示意图。
图2显示为植入后12周时X线图。
图3显示为植入后12周时新生骨的骨小梁数量、骨小梁厚度和骨小梁间距。
图4显示为骨缺损修复支架在培养基中的镁离子释放图。
附图标记：
1 骨缺损修复支架本体
11 支架层
111 第一支架凸棱
112 第二支架凸棱
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1和图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
一种骨缺损修复支架，如图1所示，包括骨缺损修复支架本体1，所述骨缺损修复支架本体1包括若干支架层11，所述支架层11包括若干平行的支架凸棱，所述支架凸棱包括第一支架凸棱111和第二支架凸棱112，相邻层的支架凸棱交叉形成微孔，所述骨缺损修复支架的形状为缺损骨组织的形状，所述第一支架凸棱111的材料包括生物可降解聚合物和生物可降解无机物，所述第二支架凸棱112的材料为细胞水凝胶。
生物可降解无机物如Mg作为生物活性物质，通过熔融共混的方式添加进生物可降解聚合物如聚己内酯PCL中，可以增加生物可降解聚合物如聚己内酯PCL的亲水性，生物可降解无机物如Mg具有促进骨髓干细胞增殖、成骨分化的能力，改善材料的生物相容性。随着生物可降解聚合物如聚己内酯PCL的缓慢降解，混合材料构成缓释系统，缓慢释放的生物可降解无机物如Mg能够持续促进周围骨髓干细胞的增殖与分化，为骨修复提供源源不断的动力。
细胞水凝胶作为骨缺损修复支架材料，能够在早期为细胞提供必要的营养支持。
所述骨缺损修复支架的形状为患者骨缺损的形状。骨缺损修复支架的形状可以根据患者骨缺损的形状进行调整，达到完全符合骨缺损形状的要求。在复杂的肿瘤和创伤病人的骨缺损的匹配方面具有任何以往的植入物不可比拟的优点。
在一个优选的实施例中，每相隔一层支架层的两层支架层中的第一支架凸棱111和第二支架凸棱112平行排布。
在一个优选的实施例中，在同一层的第一支架凸棱111和第二支架凸棱112交替设置。
在一个优选的实施例中，所述支架层11包括若干支架单元，每个支架单元包括第一支架凸棱111和第二支架凸棱112，相邻若干支架单元设有间距，同一支架单元中第一支架凸棱111和第二支架凸棱112之间紧邻，或者，同一支架单元中第一支架凸棱111和第二支架凸棱112之间设有间距。
在一个优选的实施例中，在同一层的第一支架凸棱111的高度≥第二支架凸棱112的高度，避免在3D打印下一层的第一支架凸棱时破坏上一层的第二支架凸棱。
在一个优选的实施例中，第一支架凸棱111的高度为150～400μm，如150～200μm或200～400μm。
在一个优选的实施例中，第二支架凸棱112的高度为150～400μm，如150～200μm或200～400μm。
在一个优选的实施例中，相邻层的支架凸棱交叉角度α为45～90°，如45～60°或60～90°，保证营养物质的充分交换。
在一个优选的实施例中，所述生物可降解聚合物选自聚己内酯(PCL)、聚己内酯(PCL)改性材料、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物改性材料、聚乳酸(PLA)、聚乳酸(PLA)改性材料、聚羟基乙酸(PGA)和聚羟基乙酸改性材料中的至少一种，为支撑材料，为骨缺损修复支架提供必要的力学支撑。改性材料的改性的方式可包括物理熔融共混法或化学共混法。
在一个优选的实施例中，所述生物可降解无机物为含有生物可降解金属元素的无机物，所述生物可降解金属元素选自钙、镁、铜、锌和锶中至少一种元素。
在一个优选的实施例中，以生物可降解聚合物和生物可降解无机物总质量计，所述生物可降解金属元素≥10wt％，且＜15wt％，优选为10wt％，生物相容性最好，且有着良好的促成骨活性，若超过15％则有细胞毒性。
在一个优选的实施例中，含有生物可降解金属元素的无机物选自金属镁、磷酸三钙、羟基磷灰石、氯化镁、硅酸钙、碳酸锶、氧化铜和氧化锌中的至少一种。
在一个优选的实施例中，所述细胞水凝胶中水凝胶选自海藻酸盐、明胶、基质胶、胶原、壳聚糖、纤维蛋白、聚乙二醇、甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸化水凝胶中的至少一种。
在一个优选的实施例中，所述细胞水凝胶中细胞选自脂肪源干细胞、骨细胞、软骨细胞、骨髓间充质干细胞和血管内皮细胞中的至少一种。
在一个优选的实施例中，所述细胞水凝胶中细胞浓度为105～107个/ml，如105～5×106个/ml或5×106～107个/ml。
在一个优选的实施例中，每层相邻第一支架凸棱的间距为200～600μm，如200～400μm或400～600μm。
在一个优选的实施例中，每层相邻第二支架凸棱112的间距为200～600μm，如200～400μm或400～600μm。
在一个优选的实施例中，骨缺损修复支架的孔隙率为50～80％。所述孔隙率指骨缺损修复支架中孔隙体积与骨缺损修复支架在自然状态下总体积的百分比。
本发明第二方面提供上述骨缺损修复支架模型的构建方法，包括如下步骤：
1)构建骨三维模型；
所述骨三维模型通常包括各组织的模型，例如，所述模型可以包括皮肤、骨骼、血管、神经和病变部位(例如，肿瘤)等组织的模型，所述模型可以反映出个体(例如，患者)的皮肤表面形状和位置等，还可以反映出个体的骨骼形状和位置等，还可以反映出个体的血管、神经等组织的形状和位置等，还可以反映出个体中肿瘤的形状、位置、以及其肿瘤的具体参数等(例如，体积等)。所述骨三维模型通常可以根据CT数据和/或MRI数据进行构建，构建过程中可以将数据导入E3D等三维重建设计软件等软件，并进行配准融合，从而构建所述骨三维模型；
2)确定切除范围，在所述骨三维模型上模拟切除得到切除后的骨三维模型，并以切除部分作为初始骨缺损修复支架模型；
确定切除范围时，通常在模型中选定肿瘤病变活性最强的部位(例如，肿瘤病变范围内代谢最活跃的区域)，作为切除目标，在模型中确定位置和大小。本领域技术人员可选择合适大小和形状进行切除；
3)以初始骨缺损修复支架模型的外轮廓为基准，构建若干支架层模型，所述支架层模型包括若干平行的支架凸棱模型，所述支架凸棱模型包括第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型，相邻层的支架凸棱模型交叉形成微孔，所述若干支架层模型的外轮廓与初始骨缺损修复支架模型的外轮廓重合，从而获得所述骨缺损修复支架模型。
在一个优选的实施例中，步骤1)中，由CT数据和/或MRI数据构建所述骨三维模型。
在一个优选的实施例中，步骤3)中，每相隔一层支架层模型的两层支架层模型中的第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型平行排布。
在一个优选的实施例中，在同一层的第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型交替设置。
在一个优选的实施例中，所述支架层模型包括若干支架单元模型，每个支架单元模型包括第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型，相邻若干支架单元模型设有间距，同一支架单元模型中第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型之间紧邻(具有更好的力学强度以及营养支持)，或者，同一支架单元模型中第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型之间设有间距。
在一个优选的实施例中，在同一层的第一支架凸棱模型的高度≥第二支架凸棱模型的高度
在一个优选的实施例中，相邻层的支架凸棱模型交叉角度α为45～90°。
在一个优选的实施例中，每层相邻第一支架凸棱模型的间距为200～600μm。
在一个优选的实施例中，每层相邻第二支架凸棱模型的间距为200～600μm。
在一个优选的实施例中，第一支架凸棱模型的高度为150～400μm。
在一个优选的实施例中，第二支架凸棱模型的高度为150～400μm。
在一个优选的实施例中，骨缺损修复支架模型的孔隙率为50～80％。
本发明第三方面提供上述骨缺损修复支架的制备方法，所述制备方法包括：根据上述骨缺损修复支架模型的构建方法构建获得骨缺损修复支架模型，制备骨缺损修复支架。
在一个优选的实施例中，通过3D打印制备骨缺损修复支架。
根据患者的影像学(CT数据和/或MRI数据)逆向建模，生成计算机STL文件，然后将文件转移到3D打印机的程序中，开始打印。所述骨缺损修复支架的材料包括两种：生物可降解聚合物和生物可降解无机物的混合物、细胞水凝胶。生物可降解聚合物和生物可降解无机物的混合物可以通过熔融共混的方法，可使用单螺杆或双螺杆混料机。细胞水凝胶的制备方法为：将一定浓度的细胞悬液与水凝胶混合后即可得细胞水凝胶，细胞水凝胶中细胞浓度为105～107个/ml，如105～5×106个/ml或5×106～107个/ml。将生物可降解聚合物和生物可降解无机物的混合物加入料桶1，细胞水凝胶加入料桶2，导入预先设计的模型，根据STL文件通过层层叠加的方式打印所述骨缺损修复支架。
打印过程为：先打印一层生物可降解聚合物和生物可降解无机物的混合物，在同一平面内，在两根相邻的第一支架凸棱之间打印第二支架凸棱(细胞水凝胶)。两种不同的材料，两个喷头进行交替打印，先打印支撑的生物可降解聚合物和生物可降解无机物的混合物，再打印细胞水凝胶。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上述骨缺损修复支架模型的构建方法的步骤，或如上述骨缺损修复支架的制备方法的步骤。
所述计算机可读存储介质，本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
一种设备，包括：处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行如上述骨缺损修复支架模型的构建方法的步骤，或如上述骨缺损修复支架的制备方法的步骤。
实施例1
一种骨缺损修复支架，包括骨缺损修复支架本体1，所述骨缺损修复支架本体1包括若干支架层11，所述支架层11包括若干平行的支架凸棱，所述支架凸棱包括第一支架凸棱111和第二支架凸棱112，相邻层的支架凸棱交叉形成微孔，相邻层的支架凸棱交叉角度α为60°，所述骨缺损修复支架的形状为缺损骨组织的形状，所述第一支架凸棱111的材料为生物可降解聚合物和生物可降解无机物的混合物，所述第二支架凸棱112的材料为细胞水凝胶，每相隔一层支架层的两层支架层中的第一支架凸棱111和第二支架凸棱112平行排布，在同一层的第一支架凸棱111和第二支架凸棱112交替设置，所述支架层11包括若干支架单元，每个支架单元包括第一支架凸棱111和第二支架凸棱112，相邻若干支架单元设有间距，同一支架单元中第一支架凸棱111和第二支架凸棱112之间紧邻，在同一层的第一支架凸棱111的高度等于第二支架凸棱112的高度，第一支架凸棱111的高度为200μm，每层相邻第一支架凸棱的间距为400μm，第二支架凸棱的高度为200μm，每层相邻第二支架凸棱112的间距为400μm，骨缺损修复支架的孔隙率为70±6％，所述生物可降解聚合物为聚己内酯PCL，所述生物可降解无机物为金属镁，以PCL和金属镁的混合物质量计，金属镁的质量百分比为10wt％，所述细胞水凝胶中水凝胶为甲基丙烯酸化水凝胶(GelMA水凝胶)，所述细胞水凝胶中细胞为SD大鼠骨髓间充质干细胞，细胞浓度为5×106个/ml，具有生物活性的新型富镁元素和含细胞水凝胶的个性化可降解骨修复生物支架，用于复杂性骨缺损的修复和重建。该骨缺损修复支架以含骨诱导活性镁颗粒的PCL/Mg复合材料为基材，结合含细胞水凝胶，可经过3D生物打印所制备，有效结合聚合物、金属和生物打印的优点，具有良好的生物相容性、生物可降解性、骨传导性及骨诱导性。可降解镁基材料具有良好的生物相容性、骨诱导活性、生物可降解性、抗感染性及适宜的力学性能，其降解过程中产生镁离子能有效促进骨髓间充质干细胞增殖和成骨分化生成。在PCL材料中参杂镁元素可以改善其力学性能，提高材料植入后的即刻稳定性。另外，该PCL/Mg水凝胶复合材料在体内降解时，缓慢释放的镁离子与PCL材料的降解产物可以产生中和作用，改善局部酸碱微环境，减少炎症的发生，还能够促进水凝胶内干细胞的增殖与成骨分化，促进新生骨的生成。
所述骨缺损修复支架在培养基(Hyclone，allpha MEM；Gibco，FBS)中的镁离子释放图见图4，可见缓慢释放生物可降解无机物Mg，能够持续促进周围骨髓干细胞的增殖与分化，为骨修复提供源源不断的动力。
所述骨缺损修复支架用于SD大鼠的颅骨缺损，植入后12周时X线及micro-CT见图2和图3，12周时，CT重建显示新生骨的骨小梁数量(trabecular number,Tb.N，单位1/mm)，骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th，单位mm)，骨小梁间距(trabecular spacing,Tb.Sp，单位mm)均有较大提升。
上述骨缺损修复支架的制备方法，所述制备方法包括：
1)由CT数据和/或MRI数据构建所述骨三维模型；
所述骨三维模型通常包括各组织的模型，例如，所述模型可以包括皮肤、骨骼、血管、神经和病变部位(例如，肿瘤)等组织的模型，所述模型可以反映出个体(例如，患者)的皮肤表面形状和位置等，还可以反映出个体的骨骼形状和位置等，还可以反映出个体的血管、神经等组织的形状和位置等，还可以反映出个体中肿瘤的形状、位置、以及其肿瘤的具体参数等(例如，体积等)。所述骨三维模型通常可以根据CT数据和/或MRI数据进行构建，构建过程中可以将数据导入E3D等三维重建设计软件等软件，并进行配准融合，从而构建所述骨三维模型；
2)确定切除范围，在所述骨三维模型上模拟切除得到切除后的骨三维模型，并以切除部分作为初始骨缺损修复支架模型；
确定切除范围时，通常在模型中选定肿瘤病变活性最强的部位(例如，肿瘤病变范围内代谢最活跃的区域)，作为切除目标，在模型中确定位置和大小。本领域技术人员可选择合适大小和形状进行切除；
3)以初始骨缺损修复支架模型的外轮廓为基准，构建若干支架层模型，所述支架层模型包括若干平行的支架凸棱模型，所述支架凸棱模型包括第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型，相邻层的支架凸棱模型交叉形成微孔，所述若干支架层模型的外轮廓与初始骨缺损修复支架模型的外轮廓重合，从而获得所述骨缺损修复支架模型；每相隔一层支架层模型的两层支架层模型中的第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型平行排布；在同一层的第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型交替设置；所述支架层模型包括若干支架单元模型，每个支架单元模型包括第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型，相邻若干支架单元模型设有间距，同一支架单元模型中第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型之间紧邻；在同一层的第一支架凸棱模型的高度等于第二支架凸棱模型的高度；相邻层的支架凸棱模型交叉角度α为60°；每层相邻第一支架凸棱模型的间距为400μm；每层相邻第二支架凸棱模型的间距为400μm；第一支架凸棱模型的高度为200μm；第二支架凸棱模型的高度为200μm；骨缺损修复支架模型的孔隙率为70％；
4)通过3D打印制备骨缺损修复支架。
将生物可降解聚合物和生物可降解无机物的混合物加入料桶1，细胞水凝胶加入料桶2，导入预先设计的模型，根据STL文件通过层层叠加的方式打印所述骨缺损修复支架。
打印过程为：先打印一层生物可降解聚合物和生物可降解无机物的混合物，在同一平面内，在两根相邻的第一支架凸棱之间打印第二支架凸棱(细胞水凝胶)。两种不同的材料，两个喷头进行交替打印，先打印支撑的生物可降解聚合物和生物可降解无机物的混合物，再打印细胞水凝胶。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种骨缺损修复支架，其特征在于，包括骨缺损修复支架本体（1），所述骨缺损修复支架本体（1）包括若干支架层（11），所述支架层（11）包括若干平行的支架凸棱，所述支架凸棱包括第一支架凸棱（111）和第二支架凸棱（112），相邻层的支架凸棱交叉形成微孔，所述骨缺损修复支架的形状为缺损骨组织的形状，所述第一支架凸棱（111）的材料包括生物可降解聚合物和生物可降解无机物，所述第二支架凸棱（112）的材料为细胞水凝胶；每相隔一层支架层的两层支架层中的第一支架凸棱（111）和第二支架凸棱（112）平行排布；在同一层的第一支架凸棱（111）和第二支架凸棱（112）交替设置；所述支架层（11）包括若干支架单元，每个支架单元包括第一支架凸棱（111）和第二支架凸棱（112），相邻若干支架单元设有间距，同一支架单元中第一支架凸棱（111）和第二支架凸棱（112）之间紧邻；在同一层的第一支架凸棱（111）的高度≥第二支架凸棱（112）的高度。
2.如权利要求1所述的骨缺损修复支架，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：
1）相邻层的支架凸棱交叉角度α为45~90°；
2）所述生物可降解聚合物选自聚己内酯、聚己内酯改性材料、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸-羟基乙酸共聚物改性材料、聚乳酸、聚乳酸改性材料、聚羟基乙酸和聚羟基乙酸改性材料中的至少一种；
3）所述生物可降解无机物为含有生物可降解金属元素的无机物，所述生物可降解金属元素选自钙、镁、铜、锌和锶中至少一种元素；
4）所述细胞水凝胶中水凝胶选自海藻酸盐、明胶、基质胶、胶原、壳聚糖、纤维蛋白、聚乙二醇、甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸化水凝胶中的至少一种；
5）所述细胞水凝胶中细胞选自脂肪源干细胞、骨细胞、软骨细胞、骨髓间充质干细胞和血管内皮细胞中的至少一种；
6）所述细胞水凝胶中细胞浓度为105~107个/ml；
7）每层相邻第一支架凸棱（111）的间距为200~600μm；
8）每层相邻第二支架凸棱（112）的间距为200~600μm。
3.如权利要求2所述的骨缺损修复支架，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：
1）第一支架凸棱（111）的高度为150~400μm；
2）第二支架凸棱（112）的高度为150~400μm；
3）以生物可降解聚合物和生物可降解无机物总质量计，所述生物可降解金属元素≥10wt%，且＜15wt%；
4）含有生物可降解金属元素的无机物选自金属镁、磷酸三钙、羟基磷灰石、氯化镁、硅酸钙、碳酸锶、氧化铜和氧化锌中的至少一种。
4.如权利要求1所述的骨缺损修复支架，其特征在于，骨缺损修复支架的孔隙率为50~80%。
5.如权利要求1至4任一项所述的骨缺损修复支架的模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）构建骨三维模型；
2）确定切除范围，在所述骨三维模型上模拟切除得到切除后的骨三维模型，并以切除部分作为初始骨缺损修复支架模型；
3）以初始骨缺损修复支架模型的外轮廓为基准，构建若干支架层模型，所述支架层模型包括若干平行的支架凸棱模型，所述支架凸棱模型包括第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型，相邻层的支架凸棱模型交叉形成微孔，所述若干支架层模型的外轮廓与初始骨缺损修复支架模型的外轮廓重合，从而获得所述骨缺损修复支架模型。
6.如权利要求5所述的骨缺损修复支架的模型的构建方法，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：
1）步骤1）中，由CT数据和/或MRI数据构建所述骨三维模型；
2）步骤3）中，每相隔一层支架层模型的两层支架层模型中的第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型平行排布；
3）在同一层的第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型交替设置；
4）所述支架层模型包括若干支架单元模型，每个支架单元模型包括第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型，相邻若干支架单元模型设有间距，同一支架单元模型中第一支架凸棱模型和第二支架凸棱模型之间紧邻；
5）在同一层的第一支架凸棱模型的高度≥第二支架凸棱模型的高度；
6）相邻层的支架凸棱模型交叉角度α为45~90°；
7）每层相邻第一支架凸棱模型的间距为200~600μm；
8）每层相邻第二支架凸棱模型的间距为200~600μm；
9）第一支架凸棱模型的高度为150~400μm；
10）第二支架凸棱模型的高度为150~400μm；
11）骨缺损修复支架模型的孔隙率为50~80%。
7.如权利要求1至4任一项所述的骨缺损修复支架的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：根据权利要求5或6所述的骨缺损修复支架的模型的构建方法构建获得骨缺损修复支架模型，制备骨缺损修复支架。
8.如权利要求7所述的骨缺损修复支架的制备方法，其特征在于，通过3D打印制备骨缺损修复支架。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求5或6所述的骨缺损修复支架的模型的构建方法的步骤，或如权利要求7或8所述的骨缺损修复支架的制备方法的步骤。
10.一种用于构建骨缺损修复支架模型或用于制备骨缺损修复支架的设备，包括：处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行如权利要求5或6所述的骨缺损修复支架的模型的构建方法的步骤，或如权利要求7或8所述的骨缺损修复支架的制备方法的步骤。
CN201911026156.6A 2019-10-25 2019-10-25 骨缺损修复支架及构建、制备方法、计算机可读存储介质、设备 Active CN110680562B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911026156.6A CN110680562B (zh) 2019-10-25 2019-10-25 骨缺损修复支架及构建、制备方法、计算机可读存储介质、设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911026156.6A CN110680562B (zh) 2019-10-25 2019-10-25 骨缺损修复支架及构建、制备方法、计算机可读存储介质、设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110680562A CN110680562A (zh) 2020-01-14
CN110680562B true CN110680562B (zh) 2023-12-15

Family

ID=69114814

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911026156.6A Active CN110680562B (zh) 2019-10-25 2019-10-25 骨缺损修复支架及构建、制备方法、计算机可读存储介质、设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110680562B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111227996B (zh) * 2020-03-10 2021-08-20 郑州大学第一附属医院 具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材及其制备方法
CN115591015B (zh) * 2022-10-25 2024-01-26 季华实验室 可降解的金属/聚合物复合接骨板及其制备方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104887353A (zh) * 2015-06-26 2015-09-09 北京市春立正达医疗器械股份有限公司 一种股骨头假体
WO2015173020A1 (en) * 2014-05-12 2015-11-19 Müller Werner E G 3d cell printing of bioglass-containing scaffolds by combination with cell-containing morphogenically active alginate/gelatin hydrogels
CN106399078A (zh) * 2015-07-29 2017-02-15 清华大学 一种异质细胞三维打印系统和方法
CN107899087A (zh) * 2017-12-27 2018-04-13 上海交通大学医学院附属第九人民医院 基于组织工程相关技术构建的颞下颌关节生物髁突
CN108724712A (zh) * 2017-04-18 2018-11-02 华沙整形外科股份有限公司 多孔植入物的3d打印
CN108853578A (zh) * 2018-06-15 2018-11-23 南京冬尚生物科技有限公司 一种3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架及其制备方法
CN110151361A (zh) * 2019-01-09 2019-08-23 上海交通大学医学院附属第九人民医院 一种骨缺损的修复装置及其制备方法和缓释药物组合物
CN211560533U (zh) * 2019-10-25 2020-09-25 上海交通大学医学院附属第九人民医院 一种骨缺损修复支架

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015173020A1 (en) * 2014-05-12 2015-11-19 Müller Werner E G 3d cell printing of bioglass-containing scaffolds by combination with cell-containing morphogenically active alginate/gelatin hydrogels
CN104887353A (zh) * 2015-06-26 2015-09-09 北京市春立正达医疗器械股份有限公司 一种股骨头假体
CN106399078A (zh) * 2015-07-29 2017-02-15 清华大学 一种异质细胞三维打印系统和方法
CN108724712A (zh) * 2017-04-18 2018-11-02 华沙整形外科股份有限公司 多孔植入物的3d打印
CN107899087A (zh) * 2017-12-27 2018-04-13 上海交通大学医学院附属第九人民医院 基于组织工程相关技术构建的颞下颌关节生物髁突
CN108853578A (zh) * 2018-06-15 2018-11-23 南京冬尚生物科技有限公司 一种3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架及其制备方法
CN110151361A (zh) * 2019-01-09 2019-08-23 上海交通大学医学院附属第九人民医院 一种骨缺损的修复装置及其制备方法和缓释药物组合物
CN211560533U (zh) * 2019-10-25 2020-09-25 上海交通大学医学院附属第九人民医院 一种骨缺损修复支架

Also Published As

Publication number Publication date
CN110680562A (zh) 2020-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nadagouda et al. A review on 3D printing techniques for medical applications
Tarafder et al. Micro-precise spatiotemporal delivery system embedded in 3D printing for complex tissue regeneration
Lee et al. Customized biomimetic scaffolds created by indirect three-dimensional printing for tissue engineering
Ni et al. Injectable thermosensitive PEG–PCL–PEG hydrogel/acellular bone matrix composite for bone regeneration in cranial defects
CN104667345B (zh) 一种具有生物活性的颅骨修复假体及其制备方法
Guillaume et al. Orbital floor repair using patient specific osteoinductive implant made by stereolithography
Wang et al. Biomimetic design strategy of complex porous structure based on 3D printing Ti-6Al-4V scaffolds for enhanced osseointegration
van de Watering et al. Calcium phosphate/poly (d, l‐lactic‐co‐glycolic acid) composite bone substitute materials: evaluation of temporal degradation and bone ingrowth in a rat critical‐sized cranial defect
CN104353124B (zh) 一种复合磁性纳米材料的3d打印多孔金属支架及其制备方法
US11406739B2 (en) Method for creating a personalized gene-activated implant for regenerating bone tissue
CN101163512A (zh) 包含多层结构的软骨样和骨软骨的替代物和其用途
Kim Application of the three-dimensionally printed biodegradable polycaprolactone (PCL) mesh in repair of orbital wall fractures
CN110680562B (zh) 骨缺损修复支架及构建、制备方法、计算机可读存储介质、设备
Zhang et al. 3D printing method for bone tissue engineering scaffold
Weisgerber et al. A mineralized collagen-polycaprolactone composite promotes healing of a porcine mandibular defect
Rentsch et al. ECM inspired coating of embroidered 3D scaffolds enhances calvaria bone regeneration
Xuan et al. A specific groove design for individualized healing in a canine partial sternal defect model by a polycaprolactone/hydroxyapatite scaffold coated with bone marrow stromal cells
Chen et al. Multi-level customized 3D printing for autogenous implants in skull tissue engineering
Ribeiro et al. In vivo performance of hierarchical HRP-crosslinked silk fibroin/β-TCP scaffolds for osteochondral tissue regeneration
CN211560533U (zh) 一种骨缺损修复支架
RU173377U1 (ru) Имплантат биоактивный ячеистый треугольный для замещения дефекта большеберцовой кости
WO2018162764A1 (en) Tissue engineering scaffolds
Sahai et al. Computer aided designing and finite element analysis for development of porous 3D tissue scaffold-a review
Peng et al. Definition, measurement, and function of pore structure dimensions of bioengineered porous bone tissue materials based on additive manufacturing: A review
Salerno et al. Optimal design and manufacture of biomedical foam pore structure for tissue engineering applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant