CN111281608A

CN111281608A - 软骨缺损处修复用模块及其形成方法

Info

Publication number: CN111281608A
Application number: CN202010130841.XA
Authority: CN
Inventors: 杨昕; 闫婕; 曹永平; 李淳德
Original assignee: Peking University First Hospital
Current assignee: Peking University First Hospital
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: CN111281608B

Abstract

本发明公开了一种软骨缺损处修复用模块及其形成方法，形成方法包括：获取正常软骨的力学参数；根据正常软骨的所述力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型；利用3D打印方法和所述虚拟模型，形成与待修复软骨缺损处匹配的修复用模块。本发明方法形成的软骨缺损处修复用模块，可将其应用于患者软骨缺损处，能够代替患者软骨，可实现负重、关节内摩擦的作用，并能够弥补软骨修复移植物来源不足的缺点，另外，手术移植简单方便，效果可靠。

Description

软骨缺损处修复用模块及其形成方法

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及一种软骨缺损处修复用模块及其形成方法。

背景技术

关节软骨退变是人类科学一直无法完全解释和改变的生理过程。各个关节软骨退变会导致的严重骨关节炎，给患者带来极大的痛苦。目前，对于关节软骨退变的临床治疗方法主要有关节镜下软骨下骨微骨折、软骨移植和人工关节置换手术。软骨损伤是关节软骨退变的主要致病原因。小面积(小于5mm²)的软骨缺损主要采取关节镜下软骨下骨微骨折技术(钻孔至松质骨)，利用骨髓干细胞的修复能力进行修复。对面积较大(5mm²-2cm²)的软骨缺损，主要采用马赛克技术(软骨带骨质移植)，取非重要区域软骨进行局部移植，是一种拆东墙补西墙的技术。而且非重要区域软骨的面积有限，不能获得大量的软骨移植物。

目前，由于人工关节置换技术的非常成熟，马赛克技术运用越来愈少。对于大面积的软骨缺损、影像学证实关节间隙狭窄的患者，采用人工合金金属的关节假体进行整体或者表面置换能够获得很好的疗效。但是对面积为2cm²左右及以上的患者，要么采用止疼等保守治疗，等待软骨缺损面积增大后进行人工表面关节置换，要么相对较早的采用置换的手术治疗。但是人工关节存在使用寿命，并且人工金属内植物的手术存在一定的生命风险、感染、松动失效等并发症。

而目前软骨缺损的修复主要采用自体软骨移植，即，将不重要部位的软骨用环形钻头连带下方的骨质一起取出，利用直径较小的钻头在缺损区域打孔，将带软骨的骨块像楔子一样敲进去。或者，用可吸收螺钉进行软骨和软骨下骨连接。但是取自己的软骨数量有限，不能修复面积大的多发区域软骨的缺损。

基于软骨的结构和作用，有研究采用生物材料进行软骨的修复，可以避免自体软骨移植的取材来源，间充质干细胞和软骨细胞移植的疗效不稳定等等问题。目前有采用多为聚合物材料，有天然的和人工合成的，有可降解的和不可降解的，有水凝胶类材料和多孔聚合物支架材料等。同时将这些支架进行细胞加载，用于软骨病灶的治疗，获得了一定的疗效。细胞种类有骨髓间充质干细胞、脂肪干细胞、滑膜干细胞、成软骨细胞和软骨细胞等，这些细胞还可以进行改造后移植，能够增强细胞的功能状态。多数的移植物需要细胞的生长，增殖和分泌功能，逐渐形成新的软骨，特别是复合的可吸收支架。但是细胞状态的稳定性、支架作用的可持续性依然是一个很大的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种软骨缺损处修复用模块及其形成方法。

为实现本发明的上述目的，本发明提供一种软骨缺损处修复用模块的形成方法，其包括：

获取正常软骨的力学参数；

根据正常软骨的所述力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型；

利用3D打印方法和所述虚拟模型，形成与待修复软骨缺损处匹配的修复用模块。

其中，根据正常软骨的所述力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型包括如下步骤：

根据正常软骨的所述力学参数，建立虚拟样本模型；

利用3D打印方法和所述虚拟样本模型，获取虚拟软骨的样本；

根据样本的力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型。

其中，根据样本的力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型包括：

比较正常软骨的强度和样本的强度，获得强度比较结果；

比较正常软骨的弹性模量和样本的弹性模量，获得弹性模量比较结果；

根据强度比较结果和弹性模量比较结果，确定虚拟模型采用的纤维排列及纤维数量；

根据确定的纤维排列及纤维数量，构建出软骨修复用模块的虚拟模型。

其中，形成用于修复软骨缺损处的修复用模块包括如下步骤：在螺钉尾端形成用于填补在软骨缺损处的修复部。

或者，形成用于修复软骨缺损处的修复用模块包括如下步骤：

形成用于连接软骨缺损处下方的软骨下骨的连接部；

在连接部的尾端形成用于填补在软骨缺损处的修复部。

其中，所述修复部呈正方形或圆形。

其中，所述连接部呈柱形或锥形。

优选的，所述连接部呈圆柱形或圆锥形。

优选的，所述修复部的边长或直径大于所述连接部尾端的直径。

优选的，所述连接部外壁设有螺纹或倒刺。

优选的，所述连接部倒刺由与连接部外壁的连接处朝着修复部方向倾斜延伸。

优选的，所述连接部位于所述修复部底端面中心。

此外，本发明还提供一种采用如上所述方法形成的软骨缺损处修复用模块。

与现有技术相比，本发明的软骨缺损处修复用模块及其形成方法具有如下优点：

本发明软骨缺损处修复用模块，将其应用于患者软骨缺损处，能够代替患者软骨，可实现负重、关节内摩擦的作用，并能够弥补软骨修复移植物来源不足的缺点，另外，因手术移植操作简单方便，可以在关节镜微创手术下完成，效果可靠。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明软骨缺损处修复用模块的第一种结构示意图；

图2是本发明软骨缺损处修复用模块的第二种结构示意图；

图3是本发明软骨缺损处修复用模块的第三种结构示意图；

图4是本发明软骨缺损处修复用模块的第四种结构示意图；

图5是本发明软骨缺损处修复用模块的形成方法的流程图。

具体实施方式

如图5所示，为本发明提供的软骨缺损处修复用模块的形成方法的流程图，由图可知，该方法包括：

获取正常软骨的力学参数；

其中，正常软骨的力学参数，包括正常软骨的强度和弹性模量。正常软骨的上述参数是人体软骨组织的平均正常参数，是基于对大量人体因各种原因需要手术而取出的正常软骨进行测量获得。而根据正常软骨的所述力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型包括如下步骤：

根据正常软骨的上述力学参数，建立虚拟样本模型；

根据样本的力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型。

比较正常软骨的强度和样本的强度，获得强度比较结果；

根据确定的纤维排列及纤维数量，构建出软骨修复用模块的虚拟模型，该虚拟模型与软骨缺损处的形状大致相同。

其中，利用3D打印方法和所述虚拟模型，形成与待修复软骨缺损处匹配的修复用模块时，可以采用在现有技术的螺钉尾端形成用于填补在软骨缺损处的修复部的第一种方法，相当于在现有技术的螺钉上面形成块状体(如正方形块或圆形块等)。

或者，形成与待修复软骨缺损处匹配的修复用模块时，也可以采用包括如下步骤的第二种方法：先由下至上逐层形成用于连接软骨缺损处下方的软骨下骨的连接部；再在连接部的尾端形成用于填补在软骨缺损处的修复部，使得修复部底层与连接部最上层无缝连接。需要说明的是，连接部的用于连接修复部的一端为尾端，远离修复部的一端(即用于连接软骨下骨的一端)为尖端或前端。

并且，在形成修复部时，修复部底端面对称中心应与连接部尾端对称中心重合，即，修复部位于连接部的正上方，此时形成整颗螺钉。

其中，当采用第一种方法形成修复用模块时，其修复部可呈正方形，且修复部的边长大于现有技术螺钉的外径；或者，修复部也可呈圆形，且修复部的直径大于现有技术螺钉的外径。

当采用第二种方法形成修复用模块时，其修复部可呈正方形，也可呈圆形，而连接部可呈柱形或锥形，优选的，连接部可呈圆柱形或圆锥形。无论连接部采用哪种形状，连接部尾端的外径均小于修复部的尺寸，即，修复部的边长或直径要大于连接部尾端的外径。

其中，为便于连接部与软骨缺损处下方的软骨下骨连接，在连接部外壁设有螺纹或倒刺，倒刺由与连接部外壁的连接处朝着修复部方向倾斜延伸。

其中，本发明中用于3D打印的材料可以为壳聚糖，其是一种很好的生物学材料，具备一定的强度，88摄氏度的熔点，其还具备一定的抗菌作用，是很好的3D打印材料，具有如下特点：

1)、形态学：壳聚糖纤维的纵向表面粗糙，有些许沟槽；横截面近似椭圆形，

没有明显的皮芯层结构。这是由于在壳聚糖纤维湿法纺丝过程中，一般采用氢氧化钠水溶液作为凝固浴，氢氧化钠与乙酸的传质通量比小，固化速率缓慢，大分子的凝固和聚集较温和，有利于纤维固化成形，使得形成的初生纤维截面近似圆形。此外，氢氧化钠具有很强的渗透纤维芯层的能力，使得纤维内外层结构趋于一致，不易形成皮芯层结构，因此，壳聚糖纤维的硬挺度较三角形截面的纤维低，且纤维的扭曲趋势不明显，相互间的接触概率高。摩擦作用也较强。

2)、线密度：壳聚糖纤维试样的线密度为l.33dtex。由于纤维线密度小，梳理的效果好，成网的均匀性较好，梳理强度相对较低，因而能减少在梳理过程中产生的纤维断裂和损伤问题，制得的非织造材料体积密度大、强度高、手感柔软。同时，纤维的线密度小，水刺缠结的效果好，在加固过程中单位面积内的纤维根数就多，从而纤维间的接触点增加，纤维间的缠结效果和相对滑移阻力也增加。因此，在同样梳理成网工艺条件下易于控制，纤维成网的均匀度好。但是由于壳聚糖纤维的模量较大，刚性较大，纤维表面平直，在梳理过程中纤维间的抱合力较差，从而直接影响成网的均匀性和落纤率的大。

3)、回潮率：壳聚糖纤维的回潮率为12.86％，对水有很好的吸附作用。其氨基和羟基的亲水性，其电荷、极行基密度大，又是湿法纺丝方法制成，在纤维上能形成微孔结构，具有很强的保湿特性，利于纤维的缠结，能够提高纤维的力学特性。

4)、摩擦系数：壳聚糖纤维和钢辊之间的摩擦系数约为0.72。相对其它材料而言，能够提高滑脱阻力，增加产品的强度。

5)、卷曲性能：壳聚糖纤维的卷曲数为2/[个·(25mm)-1]，卷曲率为3.39％，相对胶原纤维和聚酯纤维等材料小。因此，产品在压力下卷曲形变较小。

6)、溶胀形：由于壳聚糖纤维有微孔结构，因此在20s内膨胀较明显，但20s以后纤维直径增加不明显。

7)、耐酸性：壳聚糖纤维在加热到100摄氏度才水解为葡萄糖氨盐酸盐，可溶于盐酸、硝酸等无机酸和有机酸，不溶于稀的硫酸和磷酸。

8)、耐碱性：壳聚糖在加热60摄氏度60分钟时能溶解于1mol/L的氢氧化钠。随着碱浓度越高，断裂强力和断裂伸长率降低。

3D打印材料除了壳聚糖外，还可以采用多聚乳酸，胶原蛋白、钛合金金属等生物材料，这些材料为现有技术中的材料。

下面，以3D打印采用的材料为壳聚糖并采用上述第二种方法形成圆柱形软骨修复用模块(即整颗螺钉)为例，具体描述本发明形成软骨缺损处修复用模块的过程。

1、获取正常软骨的力学参数

对正常软骨进行处理，得到1×1cm大小的样本块，将样本块置于测试设备的测试托盘上，该测试设备可采用现有技术的压力测试设备，如纳米压痕仪。

采用压力测试设备的球形探头在同一样本上测试多个点，以得到正常软骨的强度和弹性模量。在实际应用中，正常软骨可以为人体因各种原因需要手术而取出的一根或多根正常软骨，而上述参数是这些正常软骨组织各参数的平均参数值。

2、根据正常软骨的所述力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型

2.1、根据正常软骨的所述力学参数，建立虚拟样本模型，利用3D打印方法和所述虚拟样本模型，获取虚拟软骨的样本，过程如下：

利用常规参数化建模软件Solidworks，建立纤维的横纵排列的几何结构，纤维排列间距为5-10μm，模块大小设置为1×1cm；

根据建立的3D构型，在建模软件内部生成打印机内置操作平台可识别的STL文件，用于打印机内置操作平台的3D模型进行重构；

将STL文件导入到打印机内置的Objet Studio操作平台；

设置缩放因子，可以通过打印机内置的Objet Studio操作平台对建立的3D模型进行等比例打印；

选定打印材料为壳聚糖。根据壳聚糖的热力学性能，设置单独打印壳聚糖；

选定打印模型的摆放方式。其中，可以根据需求，任意调整打印模型在打印过程中的摆放方式；

选定打印模式。选择高级打印模式；

完成以上设置后，对3D模型进行切片工作，将获得的切片文件发送给打印机；

开始打印，打印出来是面积为1平方厘米的正方形模块。

打印结束后，喷头自动归位。铲下打印机工作平台上完成打印的3D模型，清除多余的支撑材料，得到所需的3D结构，完成3D模型的打印，该3D结构即为虚拟软骨的样本。

2.2、根据获得的样本的力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型。

对打印出的虚拟软骨的样本与人体正常软骨进行强度与弹性模量的测试与比对，测试时，将样本与正常软骨分别处理成1×1cm大小的样本块。

根据对样本和正常软骨测试得到的结果，对两者的数据分别进行对比，即，比较正常软骨的强度和样本的强度，获得强度比较结果；比较正常软骨的弹性模量和样本的弹性模量，获得弹性模量比较结果。

然后，根据强度比较结果和弹性模量比较结果，在建模软件Solidworks进行样本模型的改建，添加或者减少纤维排列及纤维数量，再将改建的模型进行3D打印。

需要说明的是，为精确获得与正常软骨相同或近似力学参数的样本，可以重复多次3D打印和测试，以获得最佳力学参数的样本。

在得到与正常软骨的力学参数最接近的样本数据后，按照以上测试得到的壳聚糖纤维排列模式，利用建模软件Solidworks构建软骨修复用模块的虚拟模型(即整颗螺钉的模型)，其结构如上述。然后将虚拟模型保存为STL文件，使用3D打印机(如stratasysPolyJet打印机)进行软骨修复用模块的打印。

打印时，打开打印机电源，进入打印机主界面。设置预热温度到100摄氏度。选择模型设计文件后点击确认，待预热和喷头温度达到设置温度后打印机开始自动打印。打印结束后，等待降温3分钟，用铲刀将模型移除。清除模型支撑材料，获得螺钉。

打印完成后，可以再次对打印出的螺钉进行弹性模量和强度的测试，并根据打印螺钉的测量结果，再次调整纤维排列结构，进行机械强度校核(可用现成软件完成)，根据结构调整虚拟模型，再次进行打印。

其中，打印时，螺钉长度6mm，连接部的直径(d)可以分为不同粗细的尺寸，可为2.0mm、3.0mm、4.0mm等。尾端(即修复部)为表面平整的正方形块，厚度4mm，与正常人体软骨厚度一致，且形状与待修复的软骨缺损处形状基本一致。并且，根据螺钉连接部直径的大小，确定修复部边长(L)，如当连接部的直径为2.0mm、3.0mm、4.0mm，修复部的边长可以分别为3.0mm、4.0mm和5.0mm。

除了采用上述方法形成整颗壳聚糖螺钉外，也可以在目前临床使用的羟基磷灰石螺钉尾端直接打印出正方形或圆形的壳聚糖模块(即修复部)，或者将羟基磷灰石螺钉尾部进行粗糙化处理，利用壳聚糖融化后凝结和羟基磷灰石尾部面结合为一体。手术中通过羟基磷灰石螺钉来固定住壳聚糖，靠壳聚糖模块修复软骨。

在进行软骨修复操作时，用相对较小直径的钻头向软骨下骨钻孔，然后将修复模块的连接部卡在孔里。无论连接部为羟基磷灰石螺钉还是壳聚糖，都可以通过增大尺寸和连接部表面螺纹或倒刺设计进行挤压和防倒退固定。由于壳聚糖易于修剪，这样可以根据患者软骨缺损大小去修剪其尺寸。当然也可以固定尺寸，那么手术时把病人软骨缺损处做掉一点。尺寸一般是面积1平方厘米以上，可以整数增加，厚度一般4mm，因为软骨厚度基本如此。

本发明除了提供上述软骨缺损处修复用模块的形成方法外，还提供由上述方法形成的软骨缺损处修复用模块，其至少具有用于填补在软骨缺损处的修复部。

当修复用模块仅具有修复部时，该修复部用于安置在现有技术螺钉(如羟基磷灰石螺钉)的尾端上。修复部可采用正方形，且修复部的边长大于现有技术螺钉的外径；或者，修复部也可采用圆形，且修复部的直径大于现有技术螺钉的外径。

进一步的，修复用模块除了采用包括上述修复部的结构外，还可以包括用于连接软骨缺损处下方的软骨下骨的连接部，而修复部底端面与连接部的尾端固定连接，即，修复用模块为壳聚糖或者其它材料所制成的整颗螺钉，修复部位于连接部的正上方。设计时，该修复部2可采用正方形(如图1-图4所示)，也可采用圆形，而连接部1可呈柱形(如图1、图2所示)或锥形(如图3、图4所示)，优选的，连接部可呈圆柱形或圆锥形。无论连接部采用哪种形状，连接部尾端的外径均小于修复部的尺寸，即，修复部的边长或直径要大于连接部尾端的外径。而为便于连接部与软骨缺损处下方的软骨下骨连接，在连接部外壁设有螺纹(如图1、图3所示)或倒刺(如图2、图4所示)，倒刺由与连接部外壁的连接处朝着修复部方向倾斜延伸。

本申请的发明人通过研究软骨和软骨下骨的关系，研发出本申请的通过采用与软骨具有相同强度和弹性模量的材料对软骨进行物理修复。先对正常软骨进行了强度和弹性模量的测量，然后通过软件建模和利用3D打印技术，复制出和正常软骨具有相同强度和弹性模量的修复用模块(即支架)。当采用该方法复制出的支架植入到软骨病灶(即软骨缺损处)时，支架将会承受和周围正常软骨一致的应力，使得周围软骨的退变减轻，软骨下骨的应力改变会减弱，利于患者软骨缺损处的修复。

本方法所形成的修复用模块是经过测量正常软骨的物理学特性(弹性模量和强度)后，通过多次计算机建模和3D打印后，进行产品测试，使之物理学特性与正常软骨参数一致后才打印出的最终产品，将其应用于软骨修复，可以视为一种物理性修复。

相比现有技术软骨移植方法，其是将软骨覆盖在缺损处，通过敲击嵌入或者用可吸收螺钉将软骨固定在软骨下骨上。前者固定不稳定，后者需要在移植的软骨上开孔，破坏软骨，同时需要多枚螺钉才能固定一块软骨。目前的方法存在手术操作复杂，需要进行切开手术；移植软骨存在是否愈合的问题，不愈合软骨很快坏死脱落，移植就失败了；另外，移植的软骨取自患者本身，有时不便于取软骨或多个软骨。而采用本发明方法制作的修复用模块可以弥补以上三个缺点，将修复用模块与软骨缺损部位一体化，这个过程是物理性修复，不存在愈合的问题及不便取材的问题，软骨修复疗效更好。手术操作简单，关节镜微创条件下即可完成手术。

综上所述，本发明的修复用模块为经过计算机软件建模后经过3D打印机打印出来的一种头端为带有螺纹的连接部，尾端修复部为壳聚糖纤维块的螺钉状产品或在现有螺钉尾端打印出壳聚糖纤维块的产品。尤其对于直接打印成整体螺钉来说，打印出的壳聚糖纤维有孔隙，极利于与骨质融合。连接部为骨质埋入部分，在埋入前使用小于螺纹直径一致的开孔手动钻头进行骨质开孔。将尾端修复部放入相应尺寸的正方形中空改锥中，该改锥头部边缘齐平螺钉尾部纤维块与螺纹部交界处，并在改锥头部表面横线标示4mm深度。可用此改锥将修复用模块拧入骨质，直到横线标记齐平周围正常的软骨面，拔出改锥。设计时，螺纹部可设计为锥形或者尖部锐利的圆柱形。螺纹也可以由倒刺代替。倒刺状产品的植入方式是将尖部插入骨道内，尾部用平头的顶入器顶住尾部，轻轻敲入。除了螺纹或者倒刺将本发明的修复用模块固定在软骨缺损处外，因为壳聚糖纤维的吸水性(可有5微米的吸水膨胀性能)，也可使修复用模块能够嵌入骨道内。

尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种软骨缺损处修复用模块的形成方法，其特征在于，包括：

获取正常软骨的力学参数；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据正常软骨的所述力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型包括如下步骤：

根据正常软骨的所述力学参数，建立虚拟样本模型；

根据样本的力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据样本的力学参数，建立软骨修复用模块的虚拟模型包括：

比较正常软骨的强度和样本的强度，获得强度比较结果；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成用于修复软骨缺损处的修复用模块包括如下步骤：在螺钉尾端形成用于填补在软骨缺损处的修复部。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成用于修复软骨缺损处的修复用模块包括如下步骤：

形成用于连接软骨缺损处下方的软骨下骨的连接部；

在连接部的尾端形成用于填补在软骨缺损处的修复部。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述修复部呈正方形或圆形。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述连接部呈柱形或锥形。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述修复部的边长或直径大于所述连接部尾端的直径。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述连接部外壁设有螺纹或倒刺。

10.一种采用如权利要求1-9任一项所述的方法形成的软骨缺损处修复用模块。