CN110680958A - 一种3d打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物及其方法，包括骨组织共生区，骨组织共生区为骨替代物与周围骨组织接触的三维区域，包括多孔区域和实体区域，骨替代物除骨组织共生区以外的区域为承载强化区。解决了PEEK材料作为骨植入物与骨组织的难以共生和结合的问题，促进了PEEK骨植入物的术后恢复。
Description
技术领域
本发明属于医疗技术领域，具体涉及一种3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物及其方法。
背景技术
对于大多数肿瘤切除、先天畸形、外部创伤造成的骨骼缺损问题，只能根据患者的缺损特征进行个性化的设计与制造，个性化植入物的特点就是针对患者个体“量体裁衣、度身定做”，也是未来临床医学主流的发展方向，具有巨大的市场潜力。由于个性化植入物的复杂结构需快速精确制造，传统的加工制造工艺难以满足需求。3D打印技术作为一种增材制造技术，经过多年的发展已经成为了国内外被广泛认可的先进生物制造技术之一，该技术实现了骨植入物快速高效的制备，更贴近临床的需求，传统工艺难以实现的复杂结构可通过3D打印的方式制备，实现了生物设计/制造技术领域的革新。钛合金材料3D打印技术是目前该领域热门方向之一，但金属材料的导热性与导电性较好，会造成人体因差异感受进而形成的不适感，同时金属材料过高的模量会造成应力遮挡效应，降低了骨植入物的骨整合能力，金属材料在CT检测中会产生伪影，不利于术后检查，这些局限性限制了金属3D打印在生物医疗领域的应用和发展。
聚醚醚酮材料是经美国食品药品监督管理局批准上市的骨移植材料，为一种半结晶高性能聚合物高分子材料，在国际上被认为是未来最有希望取代钛合金材料的骨替代材料之一。相比金属材料，PEEK的杨氏模量和密度更接近于原生骨骼本身，并可以有效降低应力遮蔽效应，防止骨流失；同时PEEK材料具有较好的化学惰性好，能耐200℃高温，因此可反复高温消毒。但是纯PEEK材料又是一种强生物惰性的材料，纯PEEK材料作为骨植入物周围的骨组织难以与PEEK材料整合一体，因此骨组织与PEEK骨植入物之间将存在隔阂，不利于患者的恢复。由此可见PEEK作为骨植入物材料具有金属材料所不具备优势，同时与3D打印技术结合又能很好地弥补传统技术对于个性化骨植入物制造技术的不足，然而PEEK材料骨组织之间的生物惰性等关键问题又限制了PEEK骨植入物进一步的临床发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物及其方法，解决了PEEK材料作为骨植入物与骨组织的难以共生和结合的问题，促进了PEEK骨植入物的术后恢复。
本发明采用以下技术方案：
一种3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物，包括骨组织共生区，骨组织共生区为骨替代物与周围骨组织接触的三维区域，包括多孔区域和实体区域，骨替代物除骨组织共生区以外的区域为承载强化区。
具体的，多孔区域中孔与孔之间完全连通或部分连通，多孔区域的孔径、孔隙率和孔深沿不同方向恒定不变或梯度变化。
进一步的，多孔区域的孔径为0.1～2mm，孔隙率为0％～80％；孔深为0.2～10mm。
具体的，骨组织共生区和承载强化区均包括骨亲材料、强化材料和聚醚醚酮材料，骨亲和材料和强化材料均匀分布或沿不同方向梯度变化分布，骨组织共生区和承载强化区界面位置的骨亲和材料和强化材料呈梯度变化。
进一步的，骨组织共生区中骨亲和材料含量为10～60％wt，强化材料含量为0～20％wt；承载强化区的骨亲和材料含量为0～20％wt，强化材料含量为0～40％wt；剩余为聚醚醚酮材料。
进一步的，骨亲和材料包括金属材料、陶瓷材料或无机盐材料；强化材料包括金属纤维、碳纤维或合成纤维。
进一步的，骨组织共生区的厚度根据位置不同均匀分布或者梯度变化，厚度为0.1～30mm。
具体的，骨替代物材料为聚醚醚酮、骨亲和材料和强化材料中一种或多种构成的复合材料。
本发明的另一个技术方案是，一种3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物的方法，包括以下步骤：
S1、基于CT数据，根据病患部位骨骼或对称位置的健康骨骼重建病患骨骼三维模型；
S2、根据病患部位的骨骼三维模型，确定骨骼替代物初步几何模型；
S3、基于步骤S2建立的骨替代物初步几何模型，将骨替代物划分为骨组织共生区和承载强化区；
S4、根据所划分的骨组织共生区，在骨组织共生区域中划分多孔区域和实体区域；
S5、根据所划分骨组织共生区和承载强化区，确定骨亲和材料和强化材料在所划分的骨组织共生区、承载强化区中的分布；
S6、利用3D打印方式制备多孔骨骼替代物。
具体的，3D打印工艺包括熔融沉积成形、选区激光烧结、选区激光熔融或光固化成型工艺。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物，本发明提供的3D打印聚醚醚酮--骨组织共生多孔骨骼替代物，通过骨亲和材料和强化材料在PEEK基体中精确分布并配合多孔结构的设计，加强骨替代物与骨组织的生物结合，实现生物固定，将骨替代物划分为骨组织共生区和承载强化区，骨组织共生区具有较好的生物兼容性，与周围骨组织实现良好的骨长入和骨整合，通过承载强化区保持骨替代物的必要韧性、强度和刚度，从而兼顾骨替代物的生物兼容性与力学性能。
进一步的，骨组织共生区中具有多孔区域，通过多孔区设置促进骨替代物周围骨组织的长入，增强与周围骨组织结合强度。
进一步的，通过调整骨组织共生区中多孔区域的孔径、孔隙率、孔深等参数，得到最优的促进骨组织长入以及与周围骨组织整合的多孔结构。
进一步的，通过骨亲和材料和强化材料在PEEK基体中的精确分布，调整骨替代物的骨组织兼容性和力学性能，使其与自然骨力学性能相近，实现应力的有效传递，减缓应力遮挡，防止骨流失
进一步的，骨亲和材料中的金属材料、陶瓷材料、无机盐材料具有较好的生物相容性，强化材料中金属纤维、碳纤维、合成纤维能够显著增强复合材料强度，骨组织共生区和承载强化区通过骨亲和材料和增强材料的复合提高骨替代物的生物兼容性并调控力学性能。
进一步的，骨组织共生区的厚度根据位置不同均匀分布或者梯度变化，厚度为0.1～30mm，使骨替代物与周围骨组织具有较好的生物相容性，同时不影响骨替代物的力学强度。
本发明一种3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物的方法，通过3D打印的方式实现骨替代物三维形状的个性化制造以及骨亲和材料、增强材料的按需分布，实现了骨骨替代物与周围骨组织结合，同时保证骨替代物必要的力学需求，节省材料，降低了制造成本。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为聚醚醚酮-骨组织共生多孔骨骼替代物示意图；
图2为聚醚醚酮-骨组织共生多孔骨骼替代物打开示意图；
图3为图2中I部分放大示意图；
图4为聚醚醚酮-骨组织共生多孔肋骨骨替代物示意图。
其中：1.骨组织共生区；2.多孔区域；3.实体区域；4.承载强化区。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1和图2，本发明提供了一种3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物，包括骨组织共生区1和承载强化区4，骨组织共生区1设置在骨骼替代物的一侧，为骨替代物与周围骨组织接触的三维区域，包括多孔区域2和实体区域3，承载强化区4为骨替代物除骨组织共生区以外的区域。
请参阅图3，多孔区域2中孔与孔之间完全连通或者部分连通，多孔区域2的孔径、孔隙率、孔深沿不同方向恒定不变或者梯度可变，孔径范围为0.1～2mm，孔隙率范围为0～80％，；孔深范围为0.2～10mm。
骨组织共生区1中骨亲和材料含量为10～60％wt，强化材料含量为0～20％wt；承载强化区4的骨亲和材料含量为0～20％wt，强化材料含量为0～40％wt；剩余为聚醚醚酮材料；骨组织共生区1和承载强化区4的骨亲和材料和强化材料均匀分布或沿不同方向梯度变化分布，并且骨组织共生区和承载强化区界面位置的骨亲和材料和强化材料呈梯度变化。
其中，骨亲和材料包括金属材料、陶瓷材料或无机盐材料；强化材料包括金属纤维、碳纤维或合成纤维。
骨组织共生区1为覆盖骨替代物表面具有一定厚度的不规则三维区域，并且骨组织共生区1的厚度根据位置不同均匀分布或者梯度变化，厚度变化范围为0.1～30mm。
骨替代物所使用材料为聚醚醚酮(PEEK)、骨亲和材料、强化材料一种或多种的复合材料。
本发明一种3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物的方法，包括以下步骤：
S1、基于CT数据，根据病患部位骨骼或者对称位置的健康骨骼重建病患骨骼三维模型；
S2、根据病患部位的骨三维模型，确定骨骼替代物初步几何模型；
基于建立的病患部位三维模型，首先确定需要切除骨骼模型，再根据切除骨骼模型以及骨替代物与周围骨组织的连接方式，确定骨替代物初步几何模型。
S3、基于所建立骨替代物初步几何模型，将骨替代物划分为骨组织共生区和承载强化区；
基于建立的骨替代物初步几何模型，将骨替代物初步几何模型与周围骨组织相连接的三维区域划分为骨组织共生区，将骨替代物骨组织共生区以外的区域划分为承载强化区。
S4、根据所划分的骨组织共生区，在骨组织共生区域中划分多孔区域和实体区域；
根据划分的骨组织共生区，将骨组织共生区中与周围骨组织直接接触区域划分为多孔区域，将骨组织共生区中除多孔区域以外区域划分为实体区域
S5、根据所划分骨组织共生区和承载强化区，确定骨亲和材料和强化材料在所划分的骨组织共生区、承载强化区中的分布；
根据骨组织共生区的与周围骨组织的结合需求与力学需求，确定骨组织共生区中的骨亲和材料和强化材料的分布，根据承载强化区韧性、强度、刚度等需求确定承载强化区中骨亲和材料和强化材料的分布。
S6、利用3D打印方式制备多孔骨骼替代物。
3D打印工艺包括熔融沉积成形、选区激光烧结、选区激光熔融或光固化成型等。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以建立聚醚醚酮-骨组织共生多孔肋骨骨替代物为例
在进行肋骨替代物构建过程中，首先需要获取病人肋骨病患部位的三维数据，通过CT或者MRI获取肋骨病患部位的三维模型数据；
基于获取的三维模型数据使用相关软件重建肋骨以及周围骨组织和软组织结构，如病患部位肋骨因缺损严重无法重建，可依据对侧健康骨提取肋骨三维模型，根据医生的指导意见确定肋骨病患部位具体的切除位置，根据肋骨骨替代物的功能和强度需求确定肋骨替代物的具体初步模型；
通过有限元分析软件校核肋骨骨替代物的强度，根据肋骨骨替代物与周围骨组织的分布情况和肋骨替代物骨组织的共生需求，在肋骨骨替代物的划分骨组织共生区、承载强化区，如图4所示，肋骨骨替代物两端需要与自然骨组织连接，因此应和骨组织有较好的结合能力，将肋骨骨替代物两侧划分为骨组织共生区；
将骨组织共生区划分为实体区域和多孔区域，其中多孔区域为羟基磷灰石以40％wt含量均匀分布的多孔结构，孔径为1mm，多孔区域深度为3mm，实体区域为40％wt羟基磷灰石含量的实体结构；
将骨替代物的骨组织共生区之外区域划分为承载强化区，为保证肋骨提替代物具有较好的韧性，承载区使用纯PEEK材料的实体结构；
将所设计肋骨骨替代物的三维模型通过熔融沉积方式进行制备，打印完成后由医生进行肋骨骨股替代的手术移植。
通过3D打印的方式制备聚醚醚酮-骨组织共生多孔肋骨骨替代物，骨替代物的骨组织共生区通过羟基磷灰石材料和多孔结构分布，提高与周围骨组织的结合能力，承载强化区使用纯PEEK材料，保证了肋骨骨替代物必要的韧性，实现了骨替代物个性化的定制，同时兼顾了骨替代物生物相容性和力学性能需求。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物，其特征在于，包括骨组织共生区(1)，骨组织共生区(1)设置在骨骼替代物的一侧，为骨替代物与周围骨组织接触的三维区域，包括多孔区域(2)和实体区域(3)，骨替代物上除骨组织共生区(1)以外的区域为承载强化区(4)。
2.根据权利要求1所述的3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物，其特征在于，多孔区域(2)中孔与孔之间完全连通或部分连通，多孔区域(2)的孔径、孔隙率和孔深沿不同方向恒定不变或梯度变化。
3.根据权利要求2所述的3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物，其特征在于，多孔区域(2)的孔径为0.1～2mm，孔隙率为0％～80％；孔深为0.2～10mm。
4.根据权利要求1所述的3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物，其特征在于，骨组织共生区(1)和承载强化区(4)均包括骨亲材料、强化材料和聚醚醚酮材料，骨亲和材料和强化材料均匀分布或沿不同方向梯度变化分布，骨组织共生区(1)和承载强化区(4)界面位置的骨亲和材料和强化材料呈梯度变化。
5.根据权利要求4所述的3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物，其特征在于，骨组织共生区(1)中骨亲和材料含量为10～60％wt，强化材料含量为0～20％wt；承载强化区(4)的骨亲和材料含量为0～20％wt，强化材料含量为0～40％wt；剩余为聚醚醚酮材料。
6.根据权利要求4所述的3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物，其特征在于，骨亲和材料包括金属材料、陶瓷材料或无机盐材料；强化材料包括金属纤维、碳纤维或合成纤维。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物，其特征在于，骨组织共生区(1)的厚度根据位置不同均匀分布或者梯度变化，厚度为0.1～30mm。
8.根据权利要求1所述的3D打印聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物，其特征在于，骨替代物材料为聚醚醚酮、骨亲和材料和强化材料中一种或多种构成的复合材料。
9.一种3D打印权利要求1所述聚醚醚酮骨组织共生多孔骨骼替代物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于CT数据，根据病患部位骨骼或对称位置的健康骨骼重建病患骨骼三维模型；
S2、根据病患部位的骨骼三维模型，确定骨骼替代物初步几何模型；
S3、基于步骤S2建立的骨替代物初步几何模型，将骨替代物划分为骨组织共生区和承载强化区；
S4、根据所划分的骨组织共生区，在骨组织共生区域中划分多孔区域和实体区域；
S5、根据所划分骨组织共生区和承载强化区，确定骨亲和材料和强化材料在所划分的骨组织共生区、承载强化区中的分布；
S6、利用3D打印方式制备多孔骨骼替代物。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，3D打印工艺包括熔融沉积成形、选区激光烧结、选区激光熔融或光固化成型工艺。
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