CN112168429B - 一种仿海胆刺形连续梯度变化的生物支架及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物支架相关技术领域，其公开了一种仿海胆刺形连续梯度变化的生物支架及其应用，所述生物支架包括多个层层连接的单胞结构，每一所述单胞结构的形状为由多个杆件连接而成的Diamond结构形，每一所述杆件的直径由中间向两端梯度变化，以使每一杆件为外凸的梭形或内凹的双喇叭形。本申请可以增大生物支架的表面积，提高细胞播种效率，增大生物支架内部的曲折度，增大营养物质传输与支架接触的时间，提高生物支架的传质能力以及与外骨的匹配度。

Description

一种仿海胆刺形连续梯度变化的生物支架及其应用

技术领域

本发明属于生物支架相关技术领域，更具体地，涉及一种仿海胆刺形连续梯度变化的生物支架及其应用。

背景技术

随着生物工程技术的发展，医学领域对于外科骨植入体或者骨替代物的生物支架提出了迫切的需求和要求。目前，大多的生物支架结构是利用传统的点阵结构进行构型设计。传统点阵结构的相对密度与力学性能以及传质性能间有强耦合的关系，这就存在难以平衡细胞种植效率、传质能力与孔隙率的问题。孔隙率低的位置，如松质骨区域，由传统点阵结构设计的支架表面积较低，从而使细胞的种植效率降低；孔隙率高的位置，如皮质骨区域，由传统点阵结构设计的支架体积较大，可供传质的空间较少，从而传质能力下降。

仿生生物支架近年来受到越来越多的关注，通过学习大自然中进化得到的结构构造来进行生物支架的结构设计。仿生生物支架结构具有可调控的几何性质和物理性能，从而能设计适合于人类骨骼的梯度孔隙分布、非均匀力学性能和传质能力以及高效的细胞播种效率等，使得与骨缺失部分具有完美的匹配，以促进植入体生物支架的成骨细胞繁殖和修复。因此，有必要设计一种新的生物支架以解决传统的点阵结构设计无法同时满足高细胞种植效率、高传质能力和适配的孔隙率的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种仿海胆刺形连续梯度变化的生物支架及其应用，海洋中的海胆刺的梯度孔结构，该结构使得脆性碳酸钙制成的海胆刺具有良好的抗破坏力学性能并且结构轻巧，本发明借鉴该海胆刺形，将生物支架设置为梯度依次变化的Diamond结构形，且每个杆件的直径也由中间向两端梯度变化，其一，可以增大生物支架的表面积，从而提高细胞播种效率；其二，内凹或外凸的杆件增大生物支架内部的曲折度，从而增大营养物质传输与支架接触的时间，提高生物支架的传质能力；其三，可以与人骨形态中松质骨与皮质骨的孔隙不均匀分布相匹配，满足人体骨替代物对力学性能不均匀分布的要求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种仿海胆刺形连续梯度变化的生物支架，所述生物支架包括多个层层连接的单胞结构，每一所述单胞结构的形状为由多个杆件连接而成的Diamond结构形，每一所述杆件的直径由中间向两端梯度变化，以使每一杆件为外凸的梭形或内凹的双喇叭形。

优选地，多个杆件相互连接处的直径相同，且所述单胞结构内连接处的直径沿所述单胞结构的一对称轴线方向依次减小。

优选地，所述单胞结构包括16个杆件，其中，所述16个杆件中每4个杆件的一端连接于一点组成一个单元，则每一单元包括一个交点端和四个自由端，所述16个杆件组成四个单元，每一单元的三个自由端分别与其他三个单元的一自由端连接。

优选地，沿所述单胞结构的对称轴线方向以所述杆件的连接处或端部为界点将所述单胞结构分成四个亚层，所述单胞结构界点处杆件的直径依次为d₅、d₄、d₃、d₂、d₁，其中，d₅＞d₄＞d₃＞d₂＞d₁。

优选地，所述d₅、d₄、d₃、d₂和d₁的关系为：

优选地，所述每一亚层内每一杆件的直径由中间向两端呈线性变化。

优选地，每一杆件的直径由中间向两端线性变化的斜率不同。优选地，所述单胞结构顶端的杆件直径与其上单胞结构底端的杆件直径相同，所述单胞结构底端的杆件直径与其下单胞结构顶端的杆件直径相同。

按照本发明的另一个方面，提供了一种仿海胆形连续梯度变化的生物支架的应用，所述生物支架设于皮质骨和松质骨之间，其中，与所述皮质骨连接的杆件的弹性模量与所述皮质骨相当，与所述松质骨连接的杆件的弹性模量与所述松质骨相当。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的仿海胆刺形连续梯度变化的生物支架及其应用至少具有如下技术效果：

1.本申请中的单胞结构由多个外凸的梭形或内凹的双喇叭形性杆件连接而成，可以增大生物支架的表面积，从而提高细胞播种效率；

2.由外凸的梭形或内凹的双喇叭形性杆件组成的Diamond结构增大生物支架内部的曲折度，从而增大营养物质与支架接触的时间和面积，提高生物支架的传质能力，加速成骨细胞的新陈代谢和骨缺损部位的恢复；

3.每个单胞结构为多个连续梯度的内凹或外凸的杆件构成的Diamond结构，能够使生物支架的刚度和强度光滑过渡，从而可以避免生物支架的应力集中；

4.外凸的梭形或内凹的双喇叭形性杆件组成的Diamond结构的各亚层的弹性模量呈梯度变化，连续梯度直径的设计可以模仿人骨形态中的松质骨和皮质骨的孔隙不均匀分布，松质骨孔隙大，弹性模量低，而皮质骨孔隙小，弹性模量高，从而梯度变化生物支架可以满足人体骨替代物对力学性能不均匀分布的要求；

5.本申请的杆件的两端直径可变使得杆件的梯度程度可控，杆件的中间直径可调节杆件的曲折度，进而使得杆件的力学性能、传质性能和细胞播种效率可控；

6.该单胞结构采用Diamond结构，其具有与人体骨骼解决的呈现正交各向同性的力学性能，并且具有更加轻量化的几何性能，便于与外接骨区孔隙率的匹配。

7.单胞结构内连接处的直径沿所述单胞结构的一轴线方向依次减小使得对应的相对密度依次减小，便于与密度不同的骨区分别匹配连接，并使得四个亚层的弹性模量依次减少使得该生物支架的力学性能依次过渡，避免应力集中，与真实骨组织性能更加吻合，更加符合骨替代物的性能要求；

8.每一亚层内的杆件相同便于统一化设计保证每一亚层的力学性能相同易于控制。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的单胞结构的示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的图1所示单胞结构的主视图；

图3A示意性示出了根据本公开实施例的图1所示单胞结构中杆件的一种结构形态；

图3B示意性示出了根据本公开实施例的图1所示单胞结构中杆件的另一种结构形态；

图4示意性示出了根据本公开实施例的图1所示单胞结构的弹性模量分布；

图5A示意性示出了根据本公开实施例的生物支架的结构示意图；

图5B示意性示出了根据本公开实施例的图5A所示生物支架中a处的局部放大图；

图5C示意性示出了根据本公开实施例的图5B所示生物支架的主视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图5A～图5C，本发明提供了一种仿海胆形连续梯度变化的生物支架，所述生物支架包括多个层层连接的单胞结构(如图1所示)，每一所述单胞结构的形状为由多个杆件2连接而成的Diamond结构形，每一所述杆件2的直径由中间向两端梯度变化，以使每一杆件为外凸的梭形2或内凹的双喇叭形2’，如图3A所示为外凸的梭形，如图3B为内凹的双喇叭形。多个杆件2相互连接处的直径相同，且所述单胞结构内连接处的直径沿所述单胞结构的一轴线方向依次减小。梯度单胞内的额相对密度与直径呈正相关，所述单胞结构内沿所述直径依次减小的同一轴线方向所述杆件2的相对密度也依次减小。

本公开实施例中，所述单胞结构包括16个杆件2，其中，所述16个杆件2中每4个杆件2的一端连接于一点组成一个单元，则每一单元包括一个交点端和四个自由端，所述16个杆件2组成四个单元，每一单元的三个自由端分别与其他三个单元的一自由端连接，则与其他单元连接后的每一单元包括一个交点端、一个自由端和三个与其他单元连接的连接端，如图1所示，该单胞结构可以设于一虚拟立方体1中，则该单胞结构四个单元的四个自由端分别位于该虚拟立方体1不相邻的四个角上，四个单元的六个连接端分别位于该虚拟立方体1的六个面上，四个单元的四个交点端均布于所述虚拟立方体1的空间内。

沿所述单胞结构的轴线方向以所述杆件的连接点为界点将所述单胞结构分成四个亚层，每一亚层内的杆件相同。本公开实施例中，如图1所示，该单胞结构设于XYZ坐标系中，该单胞结构的一轴线与Z轴平行，优选为沿Z轴方向依次设置亚层，如图2所示，该单胞结构由上到下依次包括第一亚层、第二亚层、第三亚层以及第四亚层，其中，第一亚层中的杆件21的顶端直径为d₁，底端直径为d₂；第二亚层中的杆件22的顶端直径为d₂，底端直径为d₃；第三亚层中的杆件23的顶端直径为d₃，底端直径为d₄；第四亚层中的杆件24的顶端直径为d₄，底端直径为d₅。其大小关系为：d₁＜d₂＜d₃＜d₄＜d₅，d₅、d₄、d₃、d₂和d₁的关系优选为：

每一个杆件的直径由中间向两端线性变化，每一杆件的直径由中间向两端线性变化的斜率优选为不同，其变化趋势满足力学性能和传质性能要求。由于梯度单胞结构的相对密度ρ^*与直径D和d_i之间的关系为：

其中，ρ_s为单胞结构所在虚拟立方体为实体材料时对应的密度，ρ_cell为梯度结构的密度，a为单胞的虚拟立方体的边长，N为单胞结构所分的亚层数，

为每一亚层的相对密度。因此，从第四亚层到第一亚层的梯度相对密度依次减小，相对密度的梯度变化优选为与待配合物的相对密度匹配，例如，若该生物支架设于松质骨与皮质骨之间，则其相对密度的分布格局应该能够与松质骨和皮质骨的力学性能一一对应。为了进一步增加生物支架的细胞播种效率，通过支架内部的播种面积，还可以调节杆件的中间直径D来增加支架内部的曲折度。每一亚层中杆件的中间直径D相等，优选为所有亚层中的杆件的中间直径均相同，为保证单胞结构的杆件中即有内凹的杆件又有外凸的杆件，则中间直径D位于d1和d5之间。中间直径大两端直径小的梭形或中间直径小两端直径大的双喇叭形杆件相比于传统的圆柱杆件形态具有更大的表面积，提高了细胞的种植空间。

为了证明本申请单胞结构的力学性能，本申请还对该单胞结构的力学性能进行了计算，如图4所示，横坐标为亚层数，纵坐标为弹性模量，则第一亚层的杆件21的弹性模量为E_z1，第二亚层中的杆件22的弹性模量为E_z2，第三亚层中的杆件23的弹性模量为E_z3，第四亚层中的杆件24的弹性模量为E_z4，弹性模量与相对密度呈指数型关系：E_Z＝C(ρ^*)ⁿE_s，其中，C为常数系数，由构成结构的材料属性确定，取值范围为0.1～4，n为指数系数，其值为2，E_s为构成结构的材料本征模量，因此，本申请的单胞结构的各亚层之间存在梯度的弹性模量分布，这种分布有利于连接不同孔隙的骨组织，比如可以实现在松质骨和皮质骨之间的光滑连接，基本上克服了非均匀孔隙分布的骨组织中的应力集中的问题。

多个以上的单胞结构层层连接即可获得所需生物支架，单胞结构顶端的杆件直径与其上单胞结构底端的杆件直径相同，所述单胞结构底端的杆件直径与其下单胞结构顶端的杆件直径相同。

图5A～5C为本申请中的生物支架，有单胞结构层层连接而成，包括单胞结构11、单胞结构12、单胞结构13、单胞结构14以及单胞结构15，其相对密度沿Z轴负方向依次增大。

本申请中的生物支架优选为通过3D打印技术制造完成，主要工艺包括如下过程：

设计与植入位置匹配的生物支架构件模型，并利用Materialise Magics软件离散成层，并将离散后的文件导入3D打印设备中去。

3D打印装备进行层层打印加工，每层完成后，基板下降一层，再继续完成第二层的打印，以此循序，层层叠加，直至零件的所有离散层打印完毕。从基板取出零件，必要时，采用喷丸和打磨等后处理改善构件表面质量与改善打印材料的内部组织结构。

综上所述，本发明提供了一种仿海胆刺形连续梯度变化的生物支架及其应用，将生物支架设置为梯度依次变化的Diamond结构形，且每个杆件的直径也由中间向两端梯度变化，该梯度变化的杆件可以增大生物支架的表面面积，提高细胞播种效率，增大营养物质传输与支架接触的时间，提高生物支架的传质能力，连续梯度的直径分布使得弹性模量呈梯度分布，克服了皮质骨与松质骨之间的应力集中情况，能够完美的匹配不同骨组织的界面物理性质。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种仿海胆刺形连续梯度变化的生物支架，其特征在于，所述生物支架包括多个层层连接的单胞结构，每一所述单胞结构的形状为由多个杆件连接而成的Diamond结构形，每一所述杆件的直径由中间向两端梯度变化，以使每一杆件为外凸的梭形或内凹的双喇叭形，所述单胞结构包括16个杆件，其中，所述16个杆件中每4个杆件的一端连接于一点组成一个单元，则每一单元包括一个交点端和四个自由端，所述16个杆件组成四个单元，每一单元的三个自由端分别与其他三个单元的一自由端连接，沿所述单胞结构的对称轴线方向以所述杆件的连接处或端部为界点将所述单胞结构分成四个亚层，所述单胞结构界点处杆件的直径依次为d₅、d₄、d₃、d₂、d₁，其中，d₅>d₄>d₃>d₂>d₁。

2.根据权利要求1所述的生物支架，其特征在于，多个杆件相互连接处的直径相同，且所述单胞结构内连接处的直径沿所述单胞结构的一对称轴线方向依次减小。

3.根据权利要求1所述的生物支架，其特征在于，所述d₅、d₄、d₃、d₂和d₁的关系为：

4.根据权利要求1所述的生物支架，其特征在于，所述每一亚层内每一杆件的直径由中间向两端呈线性变化。

5.根据权利要求4所述的生物支架，其特征在于，每一杆件的直径由中间向两端线性变化的斜率不同。

6.根据权利要求1所述的生物支架，其特征在于，所述单胞结构顶端的杆件直径与其上单胞结构底端的杆件直径相同，所述单胞结构底端的杆件直径与其下单胞结构顶端的杆件直径相同。

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