CN110974487A - 高连通梯度仿生人工骨结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高连通梯度仿生人工骨结构及其制备方法，属于医用人工骨领域。适用于具有三周期孔隙的梯度仿生人工骨设计，人工骨内部全部或局部分布有多个互相连通的孔；所述孔包括具有向周边三轴周期性延伸的三个维度，孔大小可通过孔隙率控制；所述孔隙率可降低金属材料的弹性模量，避免金属等过高的弹性模量导致界面松动的应力屏蔽，引起骨组织的退化或吸收。人工骨材质为增材制造中运用金属粉末或羟基磷灰石生物材料，逐层打印构造的人工骨，人工骨材料表面的孔可以促进界面成骨，增强界面融合，诱导界面处骨干细胞的成骨分化，骨组织和人工骨植入物更牢固的结合。

Description

高连通梯度仿生人工骨结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及医用人工骨领域，特别涉及一种与人自体骨模量一致的高连通梯度仿生人工骨结构及其制备方法。

背景技术

全球约有四亿人罹患关节疾病，每年由于交通事故等外力造成的骨缺损，使骨置换手术超过两百万例（数据来源：世界卫生组织）。虽然自体骨移植和异体骨移植是修复骨缺损的有效方法，但是会出现疼痛、感染和免疫排斥反应等问题，因此人工骨支架得到迅速发展。

人工骨在人体内服役的受力条件及生物体微环境复杂多变，人工骨与骨构成的系统在材料界面处的磨损和疲劳导致的松动，脱位和脆断是人工骨的常见失效形式，与此同时交变载荷将会诱导复合界面的疲劳失效和应力性骨折。人工植入体要求除无生物毒性外，还要有较高的强度及足够的延伸率以承担数倍于体重的交变载荷，现有常用于临床的骨植入体金属材料多为致密的钛、钴铬钼合金等，金属的弹性模量远高于生物骨骼，二者模量不同，过高的弹性模量导致界面松动和应力屏蔽，引起骨组织的退化或吸收，以钛为例其弹性模量为102-104Gpa，皮质骨弹性模量为3.5-20Gpa，二者的模量差异达到五倍以上。

目前的发展水平已经证明大多数普通人工骨支架缺乏足够的机械强度和促进血管生长作用。已经得出的结论是，最佳的人工骨应该在所有水平上接近自然骨的特性(即机械、生物、质量运输和微观结构几何特性)，以便有相似的细胞渗透和营养物质扩散，并在使用中保持最佳的生物降解特性。其中，快速成型(RP)技术被认为是增材制造(AM)技术中最佳制造三维不规则互联多孔支架的技术。该方法使用立体成像(STL)文件，采用光学方法，通过生物相容性和生物可吸收材料逐层打印构建支架。事实上，高分辨率立体成像(STL)可以产生90%的孔隙率和20 - 1000µm的孔径的支架。

基于计算机断层扫描（CT）、微计算机断层扫描(µCT)图像分析和3D打印技术的逆向工程可以完全复制骨骼内部结构，但其计算及制造过程工作量巨大，为减轻设计过程中的工作量，目前可以通过计算机辅助设计软件(CAD等)进行设计。这主要是用于结合标准几何体(立方体，六边形、球体、圆柱体等)通过并、减、交布尔运算操作。通过这种方式，周期性的多孔结构可以在特定的命令数组软件的帮助下得到扩展，但这些支架表现出较差的生物力学和流动性，且人体骨骼的截面图呈现中空内软外硬，内部骨小梁稀疏，外部骨小梁致密的梯度分布结构，这种结构能够较好的吸收应力且内部血管等组织生长不受限，仿生梯度骨结构是未来人工骨发展的趋势。

综上所述，人工骨植入物已在临床上有较为成熟的应用，设计过程简便，金属密致模型进行人工骨设计的方法已经被广泛使用，简单胞元、桁架结构阵列也逐渐在临床有了应用，但骨的梯度结构并未考虑，及如何在保证强度与高连通性的情况下降低植入物的弹性模量的结构亟待研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高连通梯度仿生人工骨结构及其制备方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明可提供生物环境容纳骨植入物内部的组织结构，且增加结合面的结合强度。本发明可对骨置换中的人工骨进行结构设计，同时满足结构的连通性及梯度仿生设计，可为植入人工骨提供满足使用要求的仿生结构。

在完成人工骨植入体在人体内的基本骨骼代替作用基础上，进一步实现原骨骼中的生物组织容纳及实现仿生人工骨的外硬内韧、抗冲击、模量匹配的目的，应用拓扑仿生原理研究人工骨植入物的结构，充分考虑人工骨的孔隙率及梯度结构构建等关键问题，为提升骨植入物的工作寿命、减轻患者痛苦提供理论结构。该结构面向医学生物工程领域对高寿命的仿生高连通梯度人工骨的需求缺口，通过c语言编写程序，实现人工骨植入物每个孔都具有三周期的延展性，通过软件将编程语言转换为数学模型，对上述面的数学模型划分网格可对人工骨结构进行增加任意厚度，更改程序可以得到沿任意方向有梯度人工骨结构，通过包含快速成型技术的增材打印技术可将钛、钴铬钼合金粉末及羟基磷酸钙粉末制造出图示所示人工骨结构，实现与人骨相同的外硬内韧、抗冲击、容纳血管等组织作用，为人工骨与增材技术结合提供了新的仿生结构。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

高连通梯度仿生人工骨结构，适用于具有三周期孔隙的梯度仿生人工骨设计，人工骨内部全部或局部分布有多个互相连通的孔；所述孔包括具有向周边三轴周期性延伸的三个维度，孔大小可通过孔隙率控制；所述孔隙率避免过高的弹性模量导致界面松动的应力屏蔽，引起骨组织的退化或吸收。

所述的孔包括具有沿X、Y、Z中任一轴向可控的单向或双向梯度，仿生人工骨的松质骨、密质骨的骨小梁密度，使人工骨植入物具有外硬内韧的仿生特性；人工骨中的骨小梁结构可通过控制厚度控制，以适应人体不同承重条件下不同置换位置的骨植入物。

所述的人工骨材质为增材制造中运用金属粉末或羟基磷灰石生物材料，逐层打印构造的人工骨，人工骨材料表面的孔可以促进界面成骨，增强界面融合，诱导界面处骨干细胞的成骨分化，骨组织和人工骨植入物更牢固的结合。

本发明的另一目的在于提供一种高连通梯度仿生人工骨结构的制备方法，适用于具有三周期孔隙的梯度仿生人工骨设计，包括以下步骤：

步骤1）搭建人工骨面框架，将人工骨面进行网格划分，对不同孔隙率的网格面分别增加厚度，用于模拟不同位置的骨小梁宽度；

步骤2）通过快速成型技术制备标准拉伸试样及人工骨试件；

步骤3）对人工骨试件进行计算机断层扫描，检查体外制备人工骨植入物的孔隙率、强度、内部三周期孔隙的成型质量、及与骨组织结合性的检测；

步骤4）进行组织相容性及血液相容性的生物相容性检测；

步骤5）对人工骨结构模型进行摩擦测试，获取人工骨材料接近服役条件下的损伤与失效机制。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

目前临床常用的人工骨植入物多为钛，钴铬钼合金及羟基磷灰石等生物材料，不论是金属或是有机材料，丰富的生物相容性材料已经被研究，但是实心材质的人工骨材料内部没有预留组织生长的区域，光滑的人工骨表面与原骨组织的结合力并不好，生物摩擦学失效和界面疲劳失效依然是人工关节材料服役可靠性难以得到大幅提高的主要原因。与现有人工骨材料涉及的结构相比，本发明提出了具有三周期孔隙的多孔人工骨拓扑结构，这种沿空间伸展的孔，可促进早期骨-人工骨界面的骨长入和结合强度，有利于早期骨与假体间的结合和固定，新生骨形成率和界面剪切强度均有提高。本发明中的各个孔间的骨小梁结构宽度和结构孔隙率可控，能够适应不同位置的承重需求，多孔结构可以降低人工骨结构的弹性模量，减少骨-人工骨界面间的应力遮挡，两界面摩擦时降低界面破坏程度从而延长人工骨使用寿命。在上述高联通孔隙的基础上，设计了具有功能梯度特性的不同孔隙率的多孔钛，钻铬钥合金及羟基磷灰石，仿生人骨截面的骨小梁梯度分布结构，降低模量的同时保证人工骨外部强度，内部韧性及容纳生物组织的能力。该结构通过快速成型技术制备，实现人工骨内部面材料梯度力学性能的构建，可有效提升人工骨的服役寿命与可靠性。进一步的开展近似真实服役条件下的摩擦测试，结合计算机断层扫描技术对所述人工骨内部结构进行检测，对人工骨的摩擦粘附界面脱附、疲劳裂纹扩展和材料剥离行为进行，获取人工骨材料接近服役条件下的损伤与失效机制。采用钛、钴铬钼合金制作的人工骨标准拉伸件，在原位拉伸测试装备上测试多孔钛或钴铬钼合金作为人工骨材料的弹性模量，应力应变曲线，通过实验测试孔隙率与弹性模量的关系，确定合适的结构孔隙率，本发明提出开展高连通梯度仿生人工骨结构仿生设计与制备，即通过具有三周期孔隙的多孔结构、外硬内韧的梯度非均质结构藕元，结合钛，钻铬钥合金及羟基磷灰石基体的增材制造与原位摩擦测试，实现促进骨干细胞分化骨组织长入、增强结合面结合力以及仿生梯度力学性能。本发明提出一种高连通梯度仿生人工骨结构，有效提升人工骨力学性能及寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的实现、网格划分及控制结构厚度的示意图；

图2为本发明以孔隙率控制，构建不同厚度骨小梁的仿生人工骨结构图；

图3为本发明的具有梯度力学性能的仿生人工骨结构图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图3所示，本发明的高连通梯度仿生人工骨拓扑结构，在揭示关节界面磨损与疲劳失效机制基础上，从实现增韧、减阻、耐磨、物质交换促进骨长入原理与方法出发，应用仿生原理研究内部骨结构和材料的多因素藕合作用以及人工骨梯度力学性能的构建等科学问题，为提升人工骨的服役性能提供可靠结构。该方法面向生物医学工程，机械等交叉领域对高性能人工骨的迫切需求，借助计算机断层扫描手段分析人工骨内部结构，根据生物模本对抗冲击的性能，在人工骨结构设计为梯度形式，使人工骨具有外硬内韧的仿生结构，通过原位摩擦磨损测试研究所述结构的摩擦磨损行为，采用近似生物体环境的情况研究人工骨损伤机理，从而获取人工骨表面的磨损失效机制，实现增韧、减阻、物质交换促进骨长入等功能特性，为新型人工骨提供新颖可靠的结构。

本发明的高连通梯度仿生人工骨结构，适用于具有三周期孔隙的梯度仿生人工骨设计，人工骨内部全部或局部分布有多个互相连通的孔；所述孔包括具有向周边三轴周期性延伸的三个维度，孔大小可通过孔隙率控制；所述孔隙率可降低金属材料的弹性模量，避免金属等过高的弹性模量导致界面松动的应力屏蔽，引起骨组织的退化或吸收。

所述的孔包括具有沿X、Y、Z中任一轴向可控的单向或双向梯度，仿生人工骨的松质骨、密质骨的骨小梁密度，使人工骨植入物具有外硬内韧的仿生特性；人工骨中的骨小梁结构可通过控制厚度控制，以适应人体不同承重条件下不同置换位置的骨植入物。

所述的人工骨材质为增材制造中运用金属粉末或羟基磷灰石等生物材料，逐层打印构造的人工骨，人工骨材料表面的孔可以促进界面成骨，增强界面融合，诱导界面处骨干细胞的成骨分化，骨组织和人工骨植入物更牢固的结合。

本发明的高连通梯度仿生人工骨结构的制备方法，适用于具有三周期孔隙的梯度仿生人工骨设计，包括以下步骤：

1）应用软件Mathematica中将C语言程序转换为面（图1），可以搭建体积为10x10x10mm³的人工骨面框架，如图1所示。将人工骨面进行网格划分，网格数量大于20000，如图2所示对不同孔隙率的网格面分别增加厚度0.3mm、0.5mm，用于模拟不同位置的骨小梁宽度，从而达到人体不同骨骼的承重需求。

2）人体骨骼由外部的骨密质和内部的骨松质构成，骨的横截面是内部中空的梯度结构如图3。从骨的横截面来看，骨小梁分布是不对称的，因此通过更改程序以实现不对称的梯度人工骨结构，以骨小梁厚度0.5mm为例。

3）选取钛、钴铬钼合金粉末及羟基磷灰石三种原料作为骨小梁分别作为增材技术的原料，通过快速成型技术制备标准拉伸试样及如图2所示的人工骨试件。

4）对制备试件进行计算机断层扫描，检查体外制备人工骨植入物的孔隙率、强度、内部三周期孔隙的成型质量、及与骨组织结合性的检测。

5）对所应用的材料进行组织相容性（涵盖细胞吸附性、无抑制细胞生长性、细胞激活、无致畸性等）及血液相容性（能抗血小板血栓形成、抗凝血性、抗溶血性和抗细胞因子吸附性等）的生物相容性检测。

6）对所述梯度人工骨结构模型，可开展人骨近似真实服役条件下的摩擦测试，对人工骨的摩擦粘附界面脱附、疲劳裂纹扩展和材料剥离行为进行，获取人工骨材料接近服役条件下的损伤与失效机制。

采用钛、钴铬钼合金制作的人工骨标准拉伸件，在原位拉伸测试装备上测试多孔钛或钴铬钼合金作为人工骨材料的弹性模量，应力应变曲线，人工骨的基体材料的弹性模量与人骨相差越多，应力遮挡现象越严重，在交界处越容易被磨损，导致关节失效。要通过实验测试孔隙率与弹性模量的关系，确定人工骨孔隙率提升人工骨寿命。

基于人骨服役条件下失效机制测试的复合应力原位摩擦磨损测试，通过构建动物血浆摩擦微环境，体温36-37度严格温控条件下，在人工骨样品表面形成带有预压的固液两相摩擦界面，通过将原位观测平台与摩擦平台兼容使用，直接对摩擦过程中等人工骨摩擦粘附、疲劳失效等进行观测记录。

复合应力摩擦平台，平台可旋转或往复运动，摩擦平台的底面材质为高透石英玻璃，并将容器与夹具体套接，实现石英嵌入式结构兼容容器腔壁的顶端具有开放式结构以满足上试样人工骨的摩擦实验，容器内为血浆通过硅胶加热片和热电偶温度传感器，满足恒温环境，此外为减少加持机构摩擦运动中的血浆渗透，采用密封润滑脂进行防漏密封和降摩减阻。

在人工骨模型中优选梯度模型，通过快速成型技术将粉末成型为人工骨结构模型，构建出外硬内韧的人工骨模型，实现减阻效应其次当骨与人工骨交界面产生摩粒时，人工骨结构的孔可容纳磨粒，防止颗粒划擦和硬质挤压等二次磨损的发生，在润滑液-血浆减少时小孔内的血浆由于压力作用被挤出，该种结构体现出高承载与抗冲击吸收应力的效应，从而提高人工骨整体承受大应变的塑性变形能力，进而提高人工骨的使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高连通梯度仿生人工骨结构，其特征在于：适用于具有三周期孔隙的梯度仿生人工骨设计，人工骨内部全部或局部分布有多个互相连通的孔；所述孔包括具有向周边三轴周期性延伸的三个维度，孔大小可通过孔隙率控制；所述孔隙率避免过高的弹性模量导致界面松动的应力屏蔽，引起骨组织的退化或吸收。

2.根据权利要求1所述的高连通梯度仿生人工骨结构，其特征在于：所述的孔包括具有沿X、Y、Z中任一轴向可控的单向或双向梯度，仿生人工骨的松质骨、密质骨的骨小梁密度，使人工骨植入物具有外硬内韧的仿生特性；人工骨中的骨小梁结构可通过控制厚度控制，以适应人体不同承重条件下不同置换位置的骨植入物。

3.根据权利要求1所述的高连通梯度仿生人工骨结构，其特征在于：所述的人工骨材质为增材制造中运用金属粉末或羟基磷灰石生物材料，逐层打印构造的人工骨，人工骨材料表面的孔可以促进界面成骨，增强界面融合，诱导界面处骨干细胞的成骨分化，骨组织和人工骨植入物更牢固的结合。

4.一种高连通梯度仿生人工骨结构的制备方法，其特征在于：适用于具有三周期孔隙的梯度仿生人工骨设计，包括以下步骤：

步骤1）搭建人工骨面框架，将人工骨面进行网格划分，对不同孔隙率的网格面分别增加厚度，用于模拟不同位置的骨小梁宽度；

步骤2）通过快速成型技术制备标准拉伸试样及人工骨试件；

步骤3）对人工骨试件进行计算机断层扫描，检查体外制备人工骨植入物的孔隙率、强度、内部三周期孔隙的成型质量、及与骨组织结合性的检测；

步骤4）进行组织相容性及血液相容性的生物相容性检测；

步骤5）对人工骨结构模型进行摩擦测试，获取人工骨材料接近服役条件下的损伤与失效机制。

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