CN112451075B - 一种具有降解和载药功能的内固定夹板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有降解和载药功能的内固定夹板及其制备方法，夹板包括：至少一板状体和若干骨螺钉；所述板状体和骨螺钉均由生物可降解材料3D打印制备而成的多孔结构，所述板状体一侧为用于贴靠在骨折位置内或外表面的贴合面；所述板状体上具有若干用于所述骨螺钉穿过并固定的螺钉孔；所述板状体的孔隙率为30％～80％；所述骨螺钉孔隙率小于15％；所述板状体上的孔隙用于填充或涂覆抗菌药物。该内固定夹板具有降解和载药功能，内固定夹板采用的材料和工艺能保证产品完全可降解，避免了二次手术，减少了手术频次和频繁手术的风险。

Description

一种具有降解和载药功能的内固定夹板及其制备方法
技术领域
本发明属于手术用材料技术领域，涉及一种具有降解和载药功能的内固定夹板及其制备方法。
背景技术
目前骨科手术中对于粉碎性骨折、撕裂骨折及较小骨块通常使用钢丝或钢缆辅助固定。金属材料的强度、刚度及耐疲劳方面比较理想，但钢丝弹性模量高，因应力遮挡作用造成骨质疏松有可能导致手术后再次骨折；另一方面，骨折愈合时，断端周围的骨痂常常包绕捆扎钢丝，故取出钢丝时需要再次切开肌肉，造成新的创伤，甚至有损伤周围神经血管的危险，这也意味着患者不仅要承担二次手术的痛苦，同时也增加了经济负担。
骨折的愈合是一个复杂、连续的过程，根据骨折愈合不同阶段的特点，《骨折治疗的AO原则》将骨折愈合过程分为四个阶段：
(1)炎性期(骨折后1～7天)：骨折发生后，可迅速引发炎性反应，并一直持续到纤维组织、软骨或骨形成的开始；
(2)软骨痂形成期(骨折后2～3周)：疼痛和肿胀消退，软骨痂形成，骨折块无法自由移动。在软骨痂形成期末，其产生的稳定性已足以对抗短缩畸形，但骨折端的成角移位仍可发生。这一时期需要严格制动。骨折端固定稳定，有利于骨折的初步连接。病人在这一时期可行功能锻炼，但程度要轻，以肌肉舒缩活动为主；
(3)硬骨痂形成期(3～4个月)：当骨折两端的软骨痂连接时，硬骨痂接管开始出现，其持续至骨折由新生骨形成的坚强愈合为止；
(4)重塑形期(持续数月或数年不等)：编织骨通过表面侵蚀和骨单位重建逐渐由板层骨取代。
骨折的愈合过程本质上是骨的结构和生物力学特性的恢复，针对骨折愈合的四个阶段，在前两个周期需要对骨折部位进行可靠固定，因为固定不稳定一方面会增加损伤组织的炎性反应和破坏修复组织，延迟和阻碍损伤组织的修复，另一方面骨折愈合早期，愈合部位组织刚度低，承受外力能力差，须稳定固定减少受力，否则容易发生损伤两端移位,严重的会导致骨不连和骨不愈合；在第三周期硬骨痂形成期需要逐步降低固定强度直至应力遮挡率为0，以便在第四周期重塑形期骨的结构和生物力学特性的恢复。
理想的用于四肢的粉碎性骨折和非承重骨折的骨折内固定夹板应该能在骨折愈合的初期对损伤处提供稳定的力学环境，减少该部位的应力，以保持稳定，然后逐渐而不是突然降低其应力遮挡作用，使该部承受逐步增大至生理水平的应力刺激，从而加速骨伤愈合与塑型，防止局部骨质疏松和再骨折的发生。
有文献报道，在对粉碎性骨折碎骨块进行固定时需保持150N以上的固定力才能取得较好的固定效果。据此，理想的用于粉碎性骨折和非承重骨折的可吸收骨折内固定捆扎带应该有以下性能：初始抗拉强度大于150N，良好的柔性以保持骨膜血运；在植入人体4周能保持较高的强度及柔性；在植入人体8～10周时有一定的强度及柔性；在植入人体14周以后丧失其力学强度；在尽可能短的时间内降解并完全吸收。
传统非降解的钛、钢板由于不能进行降解，手术愈合后还需要二次手术进行摘除，增加了手术频次和频繁手术的风险。普通的可降解材料由于没有孔隙在体内不容易降解吸收，且不能进行载药，治疗中患者恢复期需要持续外源性给药。
专利号为CN202010076057.5，其含聚乳酸量占比达到了75％～90％，会有以下缺陷：由于聚乳酸含量较高，在人体内，会持续释放较多量的乳酸，乳酸会引起持续炎性反应；专利号为CN202010076057.5的固定板没有孔隙，不适宜药物缓慢释放，载药功能很有限，在治疗中，不利于患者快速康复。
发明内容
为解决现有技术中内固定夹板不易降解的问题，本发明提供一种具有降解和载药功能的内固定夹板及其制备方法，该内固定夹板具有降解和载药功能，适用于四肢骨的断裂性骨折或粉碎性骨折。内固定夹板采用的材料和工艺能保证产品完全可降解，避免了二次手术，减少了手术频次和频繁手术的风险。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种具有降解和载药功能的内固定夹板，包括：至少一板状体和若干骨螺钉；
所述板状体和骨螺钉均由生物可降解材料3D打印制备而成的多孔结构，所述板状体一侧为用于贴靠在骨折位置内或外表面的贴合面；所述板状体上具有若干用于所述骨螺钉穿过并固定的螺钉孔；
所述板状体的孔隙率为30％～80％；所述骨螺钉孔隙率小于15％；
所述板状体上的孔隙用于填充或涂覆抗菌药物。
作为本发明的进一步改进，所述生物可降解材料按照质量百分比计，包括：
聚己内酯、羟基乙酸或聚己内酯-羟基乙酸共聚物 60％～80％；
热塑性淀粉 5～15％；
聚乳酸 15～25％。
作为本发明的进一步改进，所述热塑性淀粉的制备方法，包括以下步骤：
将淀粉、甘油和去离子水按质量比5:(0.5～3):(15～30)进行混合分散得混合液；将混合液于70～99℃下搅拌使其糊化，得到糊化淀粉；
将糊化淀粉干燥得到含水量低于3％的预塑化淀粉；
将预塑化淀粉加入密炼机中密炼后用螺杆挤出机挤出得到热塑性淀粉；
将热塑性淀粉在粉碎机中粉碎得到粉状的热塑性淀粉粉末。
作为本发明的进一步改进，所述板状体的长度超出骨折位置两端，其宽度与骨折位置等宽。
作为本发明的进一步改进，所述板状体厚度为2～12mm；所述螺钉孔直径为1～3mm，相邻螺钉孔间距5～10mm。
作为本发明的进一步改进，所述板状体的3D打印方法为线材熔融挤出3D打印工艺、颗粒熔融挤出3D打印工艺或溶剂溶解挤出3D打印工艺。
一种具有降解和载药功能的内固定夹板的制备方法，包括以下步骤：
将聚己内酯、羟基乙酸或聚己内酯-羟基乙酸共聚物颗粒、热塑性淀粉粉末在高速混合机中混合，得到第一混料；
将第一混料用螺杆挤出机挤出后，得第一中间品，将第一中间品用粉碎机粉碎，得到第二中间品；
将第二中间品、聚乳酸在高速混合机中混合得到第二混料；
将第二混料用螺杆挤出机熔融挤出，得到线材；
将线材装入3D打印机中，然后将内固定夹板三维模型数据载入进行切片，经熔融挤出3D打印得到多孔可降解的内固定夹板板状体。
一种具有降解和载药功能的内固定夹板的制备方法，包括以下步骤：
将聚己内酯、羟基乙酸或聚己内酯-羟基乙酸共聚物颗粒、热塑性淀粉粉末在高速混合机中混合，得到第一混料；
将第一混料用螺杆挤出机挤出后，得第一中间品，将第一中间品用粉碎机粉碎，得到第二中间品；
将第二中间品、聚乳酸在高速混合机中混合得到第二混料；
将第二混料装入料筒中，将内固定夹板三维模型数据载入进行切片，经熔融挤出3D打印得到多孔可降解的内固定夹板板状体和骨螺钉。
一种具有降解和载药功能的内固定夹板的制备方法，包括以下步骤：
将聚己内酯、羟基乙酸或聚己内酯-羟基乙酸共聚物颗粒、热塑性淀粉粉末在高速混合机中混合，得到第一混料；将第一混料溶解在三氯甲烷中得到第一料液；
将第一料液1转移到高能球磨机中，球磨后的料液为第二料液；
第二料液装入料筒后接入3D生物陶瓷打印机的打印头中，然后将内固定夹板三维模型数据载入3D打印机，经挤出3D打印得到可降解多孔可降解的内固定夹板半成品；
将半成品干燥得到多孔可降解的内固定夹板板状体。
作为本发明的进一步改进，所述内固定夹板三维的建立方法包括以下步骤：
对骨折位置的CT数据进行三维重建，获得宿主骨原型模型；并对目标骨折部位进行虚拟复位后，获得复位后三维模型；根据三维模型，提取合适的表面，反向偏移生成表面贴合的内固定夹板基板三维模型；再根据螺钉孔特征，获得内固定夹板最终模型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明内固定夹板具有由生物可降解材料3D打印制备而成的多孔结构，具有降解和载药功能。由于内固定夹板经3D打印成形，能保证内固定夹板有60％-80％的孔隙率，比没有孔隙的内固定夹板更易降解。同时可将粉针/软膏/凝胶剂型的抗菌药物填充于内固定夹板的孔隙中，当该内固定夹板被用于骨折伤口处固定后，随着该内固定夹板的不断降解，上述各剂型药物在患处会不断释放起到缓释作用，避免现有治疗中患者恢复期持续外源性给药的麻烦。内固定夹板采用的材料和工艺能保证产品完全可降解，避免了二次手术的风险。
进一步，内固定夹板成型工艺采用了3D打印的方式，可依据患者CT/X片等影像资料进行个性化设计，避免了传统治疗中由于切削产生的尖锋棱角对患处造成二次伤害及切削产生污染，进而发生炎症反应。
本发明的制备方法可根据患者骨折伤口的大小获取患者缺损部位骨原型模型，再根据获取影像数据建模，后利用3D打印工艺制造与患处大小、形状相匹配并利用材料和工艺优势制造具有降解和载药功能的内固定夹板及配套螺钉。
附图说明
图1：热塑性淀粉粉末制备的工艺流程图；
图2：线材熔融挤出3D打印工艺流程图；
图3：颗粒熔融挤出3D打印工艺流程图；
图4：溶剂溶解挤出3D打印工艺流程图；
图5：线材熔融和颗粒熔融挤出3D打印工艺制备的内固定夹板成品实物图；
图6：颗粒熔融挤出3D打印工艺制备的骨螺钉成品实物图；
图7：溶剂溶解挤出3D打印工艺制备的内固定夹板成品实物图；
图8：比格犬前肢植入可降解骨折内固定夹板及骨螺钉X片。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了更清楚公开本申请实施例，下面介绍一些术语。
1、3D打印机，又称三维打印机(3DP)，是一种增材制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属、塑料或陶瓷等可粘合材料，通过打印粘合材料逐层制造三维物体。对于本申请而言，采用的是生物3D打印机，相比较而言，其特别之处在于其采用的材料是生物材料，比如本申请实施例中所述的第一膏状材料等。
2、乳酸乙酸的共聚物包括聚乳酸-羟基乙酸共聚物，PLGA，PLA，PLG等，及其不同比例的混合物。聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA)由两种单体——乳酸和羟基乙酸随机聚合而成，是一种可降解的功能高分子有机化合物，具有良好的生物相容性、无毒、良好的成囊和成膜的性能，被广泛应用于制药、医用工程材料和现代化工业领域。PLGA已通过美国FDA认证，被正式作为药用辅料收录进美国药典。
3、含钙化合物包括羟基磷灰石，磷酸三钙，氟化钙及不同比例的混合物。羟基磷灰石，又称羟磷灰石，碱式磷酸钙，是钙磷灰石(Ca5(PO4)3(OH))的自然矿化物。但是经常被写成(Ca10(PO4)6(OH)2)的形式以突出它是由两部分组成的：羟基与磷灰石。OH-基能被氟化物、氯化物和碳酸根离子代替，生成氟基磷灰石或氯基磷灰石，其中的钙离子可以被多种金属离子通过发生离子交换反应代替，形成对应金属离子的M磷灰石(M代表取代钙离子的金属离子)。羟基磷灰石(HA)是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机组成成分，人的牙釉质中羟基磷灰石的含量约96Wt.％(92Vol.％)，骨头中也约占到69Wt.％。羟基磷灰石具有优良的生物相容性和生物活性，并可作为一种骨骼或牙齿的诱导因子，在口腔保健领域中对牙齿具有较好的再矿化、脱敏以及美白作用。实验证明HA粒子与牙釉质生物相容性好，亲和性高，其矿化液能够有效形成再矿化沉积，阻止钙离子流失，解决牙釉质脱矿问题，从根本上预防龋齿病。含有HA材料的牙膏对唾液蛋白、葡聚糖具有强吸附作用，能减少患者口腔的牙菌斑，促进牙龈炎愈合，对龋病、牙周病有较好的防治作用
可降解吸收的高分子材料制作成内固定夹板固定粉碎性骨折、撕裂骨折及较小骨块时的弊病成为热点。同不降解的钢板和钛板相比，可降解内固定夹板具有以下优势：一是随着植入时间的延长，材料不断降解，固定力不断降低，可有效减小或消除由于应力遮挡效应造成的的骨质疏松症；二是不需二次手术取出，减少手术开支和降低病人痛苦。
聚乳酸是典型的合成可降解聚合物之一，其代谢产物为乳酸，乳酸是参与体内三羧酸循环的中间代谢物，最后代谢为CO2和H2O排除体外，具有极高的生物相容性，因此作为第一批可生物降解材料已被美国FDA批准用于临床，是迄今研究最多，应用最广泛的可降解生物材料。聚乳酸具有优良的力学性能，聚乳酸有两种异构体，其中左旋聚乳酸(PLLA)被广泛使用于临床。PLLA的降解产物为L型乳酸，且降解吸收时间较长，一般为3～3.5年。但酸性降解产物会引起无菌性炎症反应，其降解行为是一种体液介导过程，主要包括水解(包括酸碱作用和自催化作用)和酶解两种机制。
当前，聚乳酸类可吸收固定系统仍非理想的骨修复系统，有两个方面的问题：一、可吸收聚合物材料的力学强度、硬度和弹性模量等都低于天然皮质骨，多用于非负重部位的骨修复，因此其强度仍有待于提高，以扩大其应用领域。二、材料的组织相容性虽然较好，但其降解过程中产生的酸性代谢物仍会引起一定程度的无菌性炎症反应。
因此，聚乳酸作为可吸收内固定夹板材料有以下不足：
(1)含有很多酯基，亲水性差，不利于细胞黏附、生长和分化；
(2)分子链中缺乏活性基团；
(3)结晶度不高，降解产物偏酸性，可导致非特异无菌型炎症反应；
(4)脆性大、抗冲击性差、缺乏柔性和弹性、机械强度不足。
聚己内酯(PCL)是一种合成聚酯，熔点为59～64℃，玻璃化温度为-60℃，结构单元上有5个非极性亚甲基和一个极性酯基，因此在自然界中酯基结构易被微生物或酶分解，最终产物为CO2和H2O。其具有良好的加工性和柔韧性，它的力学性能和聚烯烃类似，抗张强度12～30MPa，拉伸强度较低，断裂伸长率为300～600％；热稳定性好，分解温度为350℃，高于部分脂肪族聚酯。因此，其具有良好的加工性能、生物降解性能和生物相容性。由于聚己内酯作为弹性支架材料显示了足够的力学性能，其机械强度在体内至少能保持6个月，所以可作为骨替代材料更多的应用于骨组织过程中。聚己内酯体内降解途径分为两个阶段：首先是大分子的聚己内酯发生了酯键水解断裂的反应，分子量不断下降，但不会发生形变或失重，第二阶段是变为小分子后，材料开始变为碎片并发生失重，机体内的吞噬细胞和巨细胞吞噬消化这些小分子，最后，不能被人体吸收的物质被人体排出，至此被完全降解了。
虽然PCL有以上优点，但同时，PCL有大量难题待解：
(1)降解时间过长；
(2)成本过高。
淀粉是一种来源丰富、价格低廉、可再生且可完全降解的天然高分子材料。淀粉是由同种糖单元组成的天然高分子，由支链淀粉和直链淀粉组成。淀粉分子链中含有大量羟基相互作用，导致其分子间作用力较强。在淀粉颗粒中，支链淀粉构成其骨架，支链淀粉的侧链通过氢键与直链淀粉结合，构成部分结晶结构。大量的氢键作用和结晶现象使得淀粉熔点高、受热时流动性极差，加工困难，耐水性差，易脱水，乳化能力弱，对酸不稳定等缺点限制了它的应用。因而需要对淀粉进行改性或塑化才能进一步加工。
本申请通过使用增塑剂丙三醇增大了淀粉分子链间的距离，并且丙三醇自身羟基与淀粉羟基之间形成氢键，减少了淀粉分子链间的作用力，破坏了淀粉的结晶结构，从而制备了可制造加工的热塑性淀粉(Theromplasticstarch，TPS)，热塑性淀粉降低了淀粉的熔融温度，使淀粉的加工变为可能，并且热塑性淀粉在体液中可完全降解，降解周期短。
但由于热塑性淀粉机械性、加工和使用性能较差、易吸水等特点限制了材料单独应用。
综上所述，聚乳酸、聚己内酯、热塑性淀粉各自单独使用均存在缺点，通过本申请所提到的工艺能够将聚乳酸、聚己内酯、热塑性淀粉三种材料有机结合，甘油作为增塑剂不仅解决了淀粉的加工性能，还改善热塑性淀粉和聚乳酸的界面作用力，同时对聚乳酸起到了增塑作用。聚己内酯的加入，增强了混合材料柔韧性、加工性，提高了热塑性淀粉的耐水性能。相对聚己内酯，热塑性淀粉价格便宜，降解快，热塑性淀粉的加入，降低了聚己内酯的使用量，既可以降低产品成本，又可减少聚己内酯在体内的滞留时间。
通过本申请所提到的工艺，可提高夹板的力学性能，减少夹板的降解时间，由于甘油随聚乳酸也有增塑作用，还可降低乳酸引起的炎症反应。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
第一方面，本发明一种3D打印的用于四肢的具有降解和载药功能的内固定夹板包括：至少一板状体或若干骨螺钉；
所述板状体和骨螺钉均由生物可降解材料经过3D打印而成的多孔结构，所述板状体一侧为用于贴靠在骨折位置内或外表面的贴合面；所述板状体上具有若干用于所述骨螺钉穿过并固定的螺钉孔；
所述板状体的孔隙率为30％-80％；板状体上的孔隙用于填充或涂覆抗菌药物。
其中，内固定夹板是由3D打印形成的板状体，该板状体由生物可降解材料聚己内酯(PCL)/羟基乙酸共聚物(PLGA)材料中的任意一种或两种的共聚物、热塑性淀粉(TPS)、聚乳酸(PLA)制成；在所述板状体上设计若干个规格大小的螺钉孔，以利于可降解的骨螺钉穿过固定，使四肢骨内壁面紧紧贴靠在骨折位置内或外表面。
作为优选方案，本发明所述的板状体，其长度超出骨折位置两端，且超出长度各小于8cm，其宽度与骨折位置等宽，板状体厚度为2mm、3mm、5mm、7mm、9mm、10mm或12mm；所述螺钉孔直径为1-3mm，相邻螺钉孔间距5～10mm。孔隙率为60％～80％。
所述内固定夹板板状体主要成分聚己内酯(PCL)/羟基乙酸共聚物(PLGA)在组成成分中的质量百分比为60～80％；热塑性淀粉(TPS)在组成成分的质量百分比为5～15％；聚乳酸(PLA)在组成成分的质量百分比为15～25％。
如图1所示，所述内固定夹板板状体中的主要成分之一热塑性淀粉(TPS)粉末的制备方法如下：
步骤1，热塑性淀粉(TPS)粉末的制备方法：取淀粉、甘油和去离子水按质量比淀粉:甘油:去离子水＝5:(0.5～3):(15～30)进行混合分散；
步骤2，将分散完全的混合液于70～99℃下搅拌20～40min，得到糊化淀粉。
步骤3，将糊化淀粉置入鼓风干燥箱中，在80℃下干燥得到预塑化淀粉(水分控制在3％以下)；
步骤4，将干燥预塑化淀粉加入密炼机中密炼20min，
步骤5，使用螺杆挤出机挤出得到热塑性淀粉。
步骤6，将热塑性淀粉在粉碎机中粉碎得到粉状的热塑性淀粉粉末。
第二方面，本发明提供了根据第一方面所述组成成分的具有降解和载药功能的内固定夹板及骨螺钉的制备方法，是通过3D打印制备的。
所述3D打印的制备方法，包括线材熔融挤出3D打印工艺、颗粒熔融挤出3D打印工艺或溶剂溶解挤出3D打印工艺等三种不同工艺实现；该三种方法都能制备出所述的内固定夹板。
以下结合具体实施例和附图对本发明的三种制备方法进行详细说明。
实施例1
如图2所示，所述内固定夹板线材熔融挤出3D打印工艺的制备方法如下：
(1)利用3D Silcer软件对CT数据进行三维重建，获得宿主骨原型模型。对目标骨折部位进行虚拟复位后，获得复位后四肢骨的三维模型；
(2)根据步骤(1)获取的模型，提取合适的表面，反向偏移生成表面贴合的内固定夹板基板三维模型。再经CAD软件设计孔等特征，获得个性化的内固定夹板最终模型；
(3)将聚己内酯(PCL)/羟基乙酸共聚物(PLGA)颗粒中的一种或两种共聚物、热塑性淀粉粉末用高速混合机在1000r/min下混合，得到第一混料1；
(4)将步骤(3)得到的第一混料1用螺杆挤出机(95℃～140℃)挤出后，得第一中间品1，将第一中间品1用粉碎机粉碎，得到第二中间品2。螺杆挤出机挤出时螺杆的转速控制在95～115rpm；
(5)将步骤(4)得到的第二中间品2、聚乳酸在高速混合机中混合得到第二混料2；
(6)将步骤(5)得到的第二混料2用螺杆挤出机(120℃～150℃)熔融挤出，得到线材(直径1～2mm)；
(7)将步骤(6)得到的线材装入FDM3D打印机(例如西安点云生物科技有限公司制备的3D打印机)中，然后将上述步骤(2)设计好的内固定夹板三维模型STL文件载入PCPrinter软件进行切片，打印参数范围如下：
打印层厚度为0.15～3.15mm，体积填充率为20～70％。
最后通过3D打印工艺，获得多孔可降解、孔隙率为30％～80％的内固定夹板板状体。
具体的工艺流程图见图2，成品附图见图5。
(8)将粉针/软膏/凝胶剂型的抗菌药物填充/涂覆于内固定夹板板状体的孔隙中。
实施例2
如图3所示，所述内固定夹板及骨螺钉颗粒熔融挤出3D打印工艺的制备方法如下：
(1)利用3D Silcer软件对CT数据进行三维重建，获得宿主骨原型模型。对目标骨折部位进行虚拟复位后，获得复位后四肢骨的三维模型；
(2)根据步骤(1)获取的模型，提取合适的表面，反向偏移生成表面贴合的内固定夹板基板三维模型。再经CAD软件设计孔等特征，获得个性化的内固定夹板最终模型；
(3)将聚己内酯(PCL)/羟基乙酸共聚物(PLGA)颗粒中的一种或两种共聚物、热塑性淀粉粉末用高速混合机在1000r/min下混合，得到第一混料1；
(4)将步骤(3)得到的第一混料1用螺杆挤出机(95℃～140℃)挤出后，得第一中间品1，将第一中间品1用粉碎机粉碎，得到第二中间品2。螺杆挤出机挤出时螺杆的转速控制在95～115rpm；
(5)将步骤(4)得到的第二中间品2、聚乳酸在高速混合机中混合得到第二混料2；
(6)将第二混料2装入料筒中，将上述步骤(2)设计好的内固定夹板三维模型STL文件载入PC Printer软件进行切片，打印参数范围如下：
打印层厚度为0.15～3.15mm，体积填充度为20～70％；
最后通过3D打印工艺，获得孔隙率为30％～80％的内固定夹板板状体及孔隙率小于15％的骨螺钉。
(7)将粉针/软膏/凝胶剂型的抗菌药物填充/涂覆于内固定夹板板状体的孔隙中。
内固定夹板及骨螺钉3D熔融打印工艺流程图见图3，成品附图见图6、图7。
实施例3
如图4所示，所述内固定夹板溶剂溶解挤出3D打印工艺的制备方法如下：
(1)浆料配制
将聚己内酯(PCL)/羟基乙酸共聚物(PLGA)颗粒中的一种或两种共聚物、热塑性淀粉粉末、聚乳酸颗粒在高速混合机中混合3min，得到混合物1，将混合物1取出溶解在三氯甲烷中得到第一料液1；
(2)将步骤(1)得到料液1转移到高能球磨机中，在高能球磨机中反应1～2h，搅拌速度为1100r/m，采用不锈钢磨球，球料比为15～18:1，球磨后的料液为第二料液2；
(3)人工骨三维模型
通过CAD软件正向建模或者利用CT数据逆向重建患者缺损部位骨原型模型，再设计出适用于骨缺损解剖结构或特殊要求的人工骨三维模型STL文件，在该模型上设计若干个钉孔，钉孔间距5～10mm，以便于上螺钉，最终得到个性化的内固定夹板三维模型；
(4)溶剂溶解挤出3D打印工艺
利用3D生物陶瓷打印机(如西安点云生物科技有限公司)进行多孔可降解的内固定夹板的打印：首先将上述步骤(1)中配制的浆料装入料筒后接入打印头中，然后将上述步骤(3)设计好的人工骨三维模型STL文件载入PC Printer软件，设置打印参数，进行常温3D打印，得到可降解的孔隙率为30％～80％的多孔可降解的内固定夹板半成品；
(5)干燥
将上述步骤(4)溶剂溶解挤出3D打印制备的内固定夹板于鼓风干燥箱中60℃干燥20～24h，获得最终多孔可降解的孔隙率为30％～80％内固定夹板板状体。
6)将粉针/软膏/凝胶剂型的抗菌药物填充/涂覆于内固定夹板板状体的孔隙中。
溶剂溶解挤出3D打印工艺流程图见图4，内固定夹板成品附图见图6。
最后，本发明所提供的用于四肢的具有降解和载药功能的内固定夹板结构见附图5～附图7；内固定夹板及骨螺钉在比格犬体内的固定效果见图8。
以下给出内固定夹板其他实施例的原料配比，具体见表1。
Figure BDA0002793631330000171
以下给出表1中的热塑性淀粉其他实施例的原料配比，具体见表2(以质量比计)。
实施例 淀粉 甘油 去离子水 糊化温度
实施例8 5 0.5 15 70
实施例9 5 2 20 75
实施例10 5 1 25 80
实施例11 5 3 30 99
本发明的特点是：
可根据患者骨折伤口的大小获取患者缺损部位骨原型模型，再根据获取影像数据建模，后利用3D打印工艺制造与患处大小、形状相匹配并利用材料和工艺优势制造具有降解和载药功能的内固定夹板及配套螺钉。与传统非降解的钛、钢板相比，该内固定夹板及配套螺钉具有以下优势：
1、避免了现在骨折传统治疗中由于内固定夹板过大而需要切削造成的材料浪费以及因为切削工作给医务人员带来的额外劳动。
2、内固定夹板成型工艺采用了3D打印的方式，3D打印的优势是产品设计图是依据患者CT/X片等影像资料设计，能确保提供给患者的固定板是依据其自身骨断裂的实际大小、形状，并经医生确认设计的，能做到与患处创口大小适配，避免了传统治疗中由于切削产生的尖锋棱角对患处造成二次伤害及切削产生污染，进而发生炎症反应。
3、内固定夹板采用的材料和工艺能保证产品完全可降解，避免了二次手术，减少了手术频次和频繁手术的风险。
4、由于内固定夹板是经3D打印成形工艺的，能保证内固定夹板有60％～80％的孔隙率，比没有孔隙的内固定夹板易降解，因此，可将粉针/软膏/凝胶剂型的抗菌药物填充于内固定夹板的孔隙中，当该内固定夹板被用于骨折伤口处固定后，随着该内固定夹板的不断降解，上述各剂型药物在患处会不断释放起到缓释作用。避免了现有治疗中患者恢复期持续外源性给药的麻烦。
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 (8)

1.一种具有降解和载药功能的内固定夹板，其特征在于，包括：至少一板状体和若干骨螺钉；
所述板状体和骨螺钉均由生物可降解材料3D打印制备而成的多孔结构，所述板状体一侧为用于贴靠在骨折位置内或外表面的贴合面；所述板状体上具有若干用于所述骨螺钉穿过并固定的螺钉孔；
所述板状体的孔隙率为60%~80%；所述骨螺钉孔隙率小于15%；
所述板状体上的孔隙用于填充或涂覆抗菌药物；
所述生物可降解材料按照质量百分比计，包括：
聚己内酯、羟基乙酸或聚己内酯-羟基乙酸共聚物 60%~80%；
热塑性淀粉 5~15%；
聚乳酸 15~25%；
所述热塑性淀粉的制备方法，包括以下步骤：
将淀粉、甘油和去离子水按质量比5:(0.5~3):(15~30)进行混合分散得混合液；将混合液于70～99℃下搅拌使其糊化，得到糊化淀粉；
将糊化淀粉干燥得到含水量低于3%的预塑化淀粉；
将预塑化淀粉加入密炼机中密炼后用螺杆挤出机挤出得到热塑性淀粉；
将热塑性淀粉在粉碎机中粉碎得到粉状的热塑性淀粉粉末；
所述板状体厚度为2~12mm；所述螺钉孔直径为1~3mm，相邻螺钉孔间距5~10mm；所述板状体长度超出骨折位置两端，且超出长度各小于8cm，其宽度与骨折位置等宽。
2.根据权利要求1所述的具有降解和载药功能的内固定夹板，其特征在于，所述板状体的3D打印方法为线材熔融挤出3D打印工艺、颗粒熔融挤出3D打印工艺或溶剂溶解挤出3D打印工艺。
3.一种如权利要求1或2所述的具有降解和载药功能的内固定夹板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将聚己内酯、羟基乙酸或聚己内酯-羟基乙酸共聚物颗粒、热塑性淀粉粉末在高速混合机中混合，得到第一混料；
将第一混料用螺杆挤出机挤出后，得第一中间品，将第一中间品用粉碎机粉碎，得到第二中间品；
将第二中间品、聚乳酸在高速混合机中混合得到第二混料；
将第二混料用螺杆挤出机熔融挤出，得到线材；
将线材装入3D打印机中，然后将内固定夹板三维模型数据载入进行切片，经熔融挤出3D打印得到多孔可降解的内固定夹板板状体。
4.根据权利要求3所述具有降解和载药功能的内固定夹板的制备方法，其特征在于，所述内固定夹板三维模型的建立方法包括以下步骤：
对骨折位置的CT数据进行三维重建，获得宿主骨原型模型；并对目标骨折部位进行虚拟复位后，获得复位后三维模型；根据三维模型，提取合适的表面，反向偏移生成表面贴合的内固定夹板基板三维模型；再根据螺钉孔特征，获得内固定夹板最终模型。
5.一种如权利要求1或2所述的具有降解和载药功能的内固定夹板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将聚己内酯、羟基乙酸或聚己内酯-羟基乙酸共聚物颗粒、热塑性淀粉粉末在高速混合机中混合，得到第一混料；
将第一混料用螺杆挤出机挤出后，得第一中间品，将第一中间品用粉碎机粉碎，得到第二中间品；
将第二中间品、聚乳酸在高速混合机中混合得到第二混料；
将第二混料装入料筒中，将内固定夹板三维模型数据载入进行切片，经熔融挤出3D打印得到多孔可降解的内固定夹板板状体和骨螺钉。
6.根据权利要求5所述具有降解和载药功能的内固定夹板的制备方法，其特征在于，所述内固定夹板三维模型的建立方法包括以下步骤：
对骨折位置的CT数据进行三维重建，获得宿主骨原型模型；并对目标骨折部位进行虚拟复位后，获得复位后三维模型；根据三维模型，提取合适的表面，反向偏移生成表面贴合的内固定夹板基板三维模型；再根据螺钉孔特征，获得内固定夹板最终模型。
7.一种如权利要求1或2所述的具有降解和载药功能的内固定夹板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将聚己内酯、羟基乙酸或聚己内酯-羟基乙酸共聚物颗粒、热塑性淀粉粉末在高速混合机中混合，得到第一混料；将第一混料溶解在三氯甲烷中得到第一料液；
将第一料液转移到高能球磨机中，球磨后的料液为第二料液；
第二料液装入料筒后接入3D生物陶瓷打印机的打印头中，然后将内固定夹板三维模型数据载入3D打印机，经挤出3D打印得到可降解多孔可降解的内固定夹板半成品；
将半成品干燥得到多孔可降解的内固定夹板板状体。
8.根据权利要求7所述具有降解和载药功能的内固定夹板的制备方法，其特征在于，所述内固定夹板三维模型的建立方法包括以下步骤：
对骨折位置的CT数据进行三维重建，获得宿主骨原型模型；并对目标骨折部位进行虚拟复位后，获得复位后三维模型；根据三维模型，提取合适的表面，反向偏移生成表面贴合的内固定夹板基板三维模型；再根据螺钉孔特征，获得内固定夹板最终模型。
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