CN112704555A

CN112704555A - 一种可降解多孔尺骨中端骨折接骨器的制备方法

Info

Publication number: CN112704555A
Application number: CN202110100262.5A
Authority: CN
Inventors: 徐淑波; 张森; 薛现猛; 赵晨浩; 李婷婷; 景财年; 倪菲
Original assignee: Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Jianzhu University
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2041-01-26
Also published as: CN112704555B

Abstract

一种可定制、降解、环抱式的纳米多孔结构材料3D打印接骨器的制备方法，根据CT扫描得到尺骨中端的图像数据来设计合理的符合尺骨尺寸的接骨器，以金属纳米混合材料与羟基磷灰石‑聚乳酸复合物按比例混合作为接骨器基体材料，在基体上再载以聚乳酸/成骨诱导剂纤维，本发明打印出的接骨器采用分段环抱式，可根据骨折情况灵活安排不同长度接骨器，使其适用于不同程度的骨折，同时对于骨骼破损处有良好的受力缓冲及保护作用，更兼有可降解、促进骨细胞形成、提升载药性能的优点。

Description

一种可降解多孔尺骨中端骨折接骨器的制备方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种可定制、降解、多孔接骨器。

背景技术

骨折在日常生活中时有发生，骨折可由创伤或骨骼疾病引起，骨骼疾病导致的骨折称为病理性骨折，骨折的病因主要有直接暴力、间接暴力、积累性劳损、骨骼疾病等引起。

目前针对骨折临床所用的方法主要有克氏针固定、钢板固定、外固定架固定等处理骨折，其中克氏针固定，手术简单快捷，创伤小，但存在固定不牢靠容易退针等情况，导致固定的失败，后期也需要二次手术取出，钢板固定虽然较为牢固，但在人体内容易与体液发生反应，且钢板与骨骼配对灵活性较低，所用钢钉对原有骨骼损伤较大，最重要的是钢板需要通过二次手术取出，对于患者容易造成二次伤害，损伤已复原的骨骼，外固定架固定易于微调且微创，但也会有发生伤口感染及固定松动从而损害伤周围神经组织。

本发明打印出的固定器与其他方法相比，接骨器所用材料具有可降解、促进骨细胞形成、提升载药性能的优点，可避免患者在进行二次手术取出接骨器的风险，同时采用的环抱式结构能够对骨骼破损处有良好的受力缓冲及保护作用，在接骨器上设置了多条螺钉孔凹槽，可实现不同方向和不同程度的对于骨骼的固定，接骨器在结构上实行拼接式，对于不同程度的骨折可以灵活调整所需接骨器长度，同时按照设定好的模型进行3D打印的接骨器可实现接骨器内表面弧度更加符合人体骨骼的特性，利于骨骼破碎处的矫正等优点。

发明内容

本发明专利的目的是针对在手臂尺骨中端发生骨折后内固定接骨器对于破碎处骨骼的保护及可降解方面的不足，为了减少在骨折愈合后，患者还要进行二次手术取出钢板和钢钉的痛苦和风险，提供了一种利用3D打印技术对骨折处实行可定制、环抱式、可降解且具有良好的生物活性和力学性能的多孔纳米结构的接骨器的制备方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：用CT扫描得到手臂骨折处图像数据，根据CT图像建立符合尺骨尺寸（直径）的环抱式接骨器模型，利用3D打印机将金属纳米混合材料与羟基磷灰石-聚乳酸复合物混合为原料打印多孔状接骨器。其具体方案如下：

1.接骨器建模

采用CT扫描设备对两只手臂尺骨进行扫描获取骨骼图像数据，根据骨折处的直径尺寸建立与之相符合的接骨器，用三维软件设计出模型与健康骨骼进行比对，校验尺寸是否合适。

2.金属纳米混合粉末的制备

将金属钛（纯度为99.9％）、镁（纯度为99.9％）、锌（纯度为99.8％）、锶按质量分数为钛-40%,锌-4%，锶-0.5%,镁-余量均匀混合后放入能球磨机进行球磨处理，得到直径在150-180nm的粉末。

钛及钛合金在人体环境中具有较低的腐蚀降解速率，在人体中能够形成TiO₂保护膜，并且TiO₂薄膜有较高的致密性，能够附着在钛合金基体上从而保护基体不被体液中的离子侵蚀。

镁是人体一种必需元素，广泛参与人体各机能组织的新陈代谢，有60-65%的镁存在于人体骨骼及牙齿中，同时镁离子在人体中也能够进行自我平衡调节，多余镁离子会随人体血液循环功能排出体外，不会长期沉积在人体体内，对人体组织造成伤害。

锶是人体内的一种微量元素，绝大多数的锶存在于骨组织中，锶盐能够促进成骨细胞的活性，同时也能抑制破骨细胞的活性并促进骨盐的沉积，从而促出新骨的形成。

4.羟基磷灰石-聚乳酸复合物粉末的制备

准备质量比为（14-16）：（84-86）的羟基磷灰石和聚乳酸，在60℃的条件下，将聚乳酸放入三氯甲烷中搅拌至充分溶解，同时在搅拌过中缓慢加入羟基磷灰石粉末及5-8%的玻璃纤维，采用电磁搅拌至羟基磷灰石完全分散均匀，将溶液进行干燥，得到的样品放入低温环境下48h后放入球磨机加工成直径在150-180nm的复合物粉末。

聚乳酸是一种无毒、具有良好的生物相容性和可降解性的高分子聚合材料，在自然环境中，通过水解和一系列的生物代谢使得聚乳酸的废弃材料最终完全转变为二氧化碳和水。

羟基磷灰石是人体和动物骨骼的主要无机成分，它能与机体组织在界面上实现化学键性结合，在体内有一定的溶解度，能释放对机体无害的离子，能参与体内代谢，对骨质增生有刺激或诱导作用，能促进缺损组织的修复，显示出生物活性。

5.3D技术打印接骨器

将金属纳米混合粉末和羟基磷灰石-聚乳酸复合物粉末按质量分数比为3:1进行混合搅匀，命名为材料1。

将预先设计好的三维接骨器模型导入打印机中，将材料1放入粉料盒中，采用SLM技术进行接骨器的打印，接骨器采用蜂巢状结构进行打印，平均孔径设置在300μm，孔隙率设置在60-65%之间，孔隙间互相连通，激光光斑直径设置为50-100μm，扫描速度为15.2m/s，打印高为2.5cm，厚度为3mm的接骨器上部（直径尺寸根据CT扫描获得的数据设定），随后进行高为2cm，厚度为3mm的接骨器中部的打印，打印参数与接骨器上部打印参数一致，接骨器中部的打印数量可根据患者骨折程度而定，再进行高为2.5cm，厚度为3mm的接骨器下部的打印，打印参数同接骨器上部，接骨器打印的环抱角度均为240°，最后进行接骨器螺钉的打印，螺钉直径设置在2.4mm，长为1.5cm，内部实心打印，最后对接骨器进行切割及打孔处理获得螺钉轨道及螺钉孔。

6.接骨器表面纤维的制备

在水浴温度50℃条件下将聚乳酸以质量分数为20%溶解在三氯甲烷中，使用超声震荡1h，静置后添加相对于聚乳酸溶液质量的10%的成骨诱导剂，电磁搅拌2h后得到纺丝液，用一支10ml容量的注射器，吸取>3ml的纺丝液，将注射器放置在推进泵上，针头与接收板距离为16-18cm，针头与接收板间电压为16kV，纺丝速率在0.6ml/h，在25-27℃条件下对接骨器表面进行喷射，喷射完成后进行真空干燥。纺丝纤维直径在1.3μm-500nm之间，纤维疏松且互相分开，有一定的空隙。

成骨诱导剂是由地塞米松、维生素C、甘油磷酸钠组成，其中地塞米松可以激活位于干细胞表面的糖皮质激素受体，显著地增加碱性磷酸酶的活性；维生素C在体内可以参与多种反应，如参与氧化还原过程，对成骨细胞的分化具有促进作用，通过增加胶原的累积，然后增加碱性磷酸酶在成骨细胞中的表达；甘油磷酸钠可以为成骨细胞提供磷酸离子，同时促进生理性钙盐的沉积和钙化，是骨髓基质干细胞产生矿化结节的必要条件。

附图说明

图1为内固定接骨器零件的结构示意图，其中1为接骨器侧面螺钉安装用长孔，2为接骨器正面螺钉安装用长孔，3为接骨器间衔接固定用的定位孔（直径为2mm），4为接骨器间衔接的凹槽（深度为0.5cm，宽为2mm），5为接骨器间衔接固定用的定位凸点（直径为2mm，高度为0.4mm），6为接骨器间衔接凸台（高度为0.6cm，厚度为1.6mm），以上所有尺寸均可根据患者情况进行调整。

图2为接骨器螺钉，顶部采用十字型，使用半螺纹。

图3中1为尺骨中端破碎骨骼示意图，2为内固定接骨器。

具体实施方式

第一步：制备金属纳米混合粉末，将金属钛、镁、锌、锶按质量分数为钛-40%,锌-4%，锶-0.5%,镁-余量均匀混合后放入能球磨机进行球磨处理，得到直径在150-180nm的粉末。

第二步：制备羟基磷灰石-聚乳酸复合物粉末，准备质量比为（14-16）：（84-86）的羟基磷灰石和聚乳酸，在60℃的条件下，将聚乳酸放入三氯甲烷中搅拌至充分溶解，同时在搅拌过中缓慢加入羟基磷灰石粉末及5-8%的玻璃纤维，采用电磁搅拌至羟基磷灰石完全分散均匀，将溶液进行干燥，得到的样品放入低温环境下48h后放入球磨机加工成直径在150-180nm的复合物粉末。

第三步：接骨器成型打印，将金属纳米混合粉末和羟基磷灰石-聚乳酸复合物粉末按质量分数比为3:1进行混合搅匀，放入打印机粉料盒中，将预先设计好的三维接骨器模型导入打印机中，采用SLM技术进行接骨器的三维打印，接骨器采用蜂巢状结构进行打印，平均孔径设置在300μm，孔隙率设置在60-65%之间，孔隙间互相连通，激光光斑直径设置为50-100μm，扫描速度为15.2m/s，分别打印接骨器的三种结构及螺钉，打印高为2.5cm，厚度为3mm的接骨器上部（直径尺寸根据CT扫描获得的数据设定），随后进行高为2cm，厚度为3mm的接骨器中部的打印，打印参数与接骨器上部打印参数一致，再进行高为2.5cm，厚度为3mm的接骨器下部的打印，打印参数同接骨器上部，最后进行接骨器螺钉的打印，螺钉直径设置在2.4mm，长为1.5cm，内部实心打印，，最后对接骨器进行切割及打孔处理获得螺钉轨道及螺钉孔。

第四步：制备接骨器表面纤维，在水浴温度50℃条件下将聚乳酸以质量分数为20%溶解在三氯甲烷中，使用超声震荡1h，静置后添加相对于聚乳酸溶液质量的10%的成骨诱导剂，电磁搅拌2h后得到纺丝液，用一支10-15ml容量的注射器，吸取>3ml的纺丝液，将注射器放置在推进泵上，针头与接收板距离为16-18cm，针头与接收板间电压为16kV，纺丝速率在0.6ml/h，在25-27℃条件下对接骨器表面进行喷射，喷射完成后进行真空干燥，从而制得接骨器成品。

Claims

1.在一种可降解多孔尺骨中端骨折接骨器的制备方法，其特征在于：用CT扫描获得到尺骨中端的图像数据，以此来设计合理的符合人体尺骨尺寸的环抱式接骨器，以金属纳米混合材料与羟基磷灰石-聚乳酸复合物按比例混合作为接骨器的基体材料，同时在基体上再载以聚乳酸/成骨诱导剂纤维，通得过此方法打印出的接骨器呈环抱式，对于不同程度的骨折破损处有良好的受力缓冲及保护作用，并且接骨器的长度可灵活设置，同时打印所用材料具有可降解、促进骨细胞形成、提升载药性能的优点，可避免患者二次手术取出接骨器的痛楚，所述接骨器的制备具体工艺步骤如下：

（a）制备金属纳米混合粉末，将金属钛、镁、锌、锶按质量分数为钛-40%,锌-4%，锶-0.5%,镁-余量均匀混合后放入能球磨机进行球磨处理，得到直径在150-180nm的粉末；

（b）制备羟基磷灰石-聚乳酸复合物粉末，准备质量比为（14-16）：（84-86）的羟基磷灰石和聚乳酸，在60℃的条件下，将聚乳酸放入三氯甲烷中搅拌至充分溶解，同时在搅拌过中缓慢加入羟基磷灰石粉末及5-8%的玻璃纤维，采用电磁搅拌至羟基磷灰石完全分散均匀，将溶液进行干燥，得到的样品放入低温环境下48h后放入球磨机加工成直径在150-180nm的复合物粉末；

（c）接骨器成型打印，将金属纳米混合粉末和羟基磷灰石-聚乳酸复合物粉末按质量分数比为3:1进行混合搅匀，放入打印机粉料盒中，将预先设计好的三维接骨器模型导入打印机中，采用SLM技术进行接骨器的三维打印，接骨器采用蜂巢状结构进行打印，平均孔径设置在300μm，孔隙率设置在60-65%之间，孔隙间互相连通，激光光斑直径设置为50-100μm，扫描速度为15.2m/s，分别打印接骨器的三种结构及螺钉，打印高为2.5cm，厚度为3mm的接骨器上部（直径尺寸根据CT扫描获得的数据设定），随后进行高为2cm，厚度为3mm的接骨器中部的打印，打印参数与接骨器上部打印参数一致，再进行高为2.5cm，厚度为3mm的接骨器下部的打印，打印参数同接骨器上部，最后进行接骨器螺钉的打印，螺钉直径设置在2.4mm，长为1.5cm，内部实心打印，，最后对接骨器进行切割及打孔处理获得螺钉轨道及螺钉孔；

（d）制备接骨器表面纤维，在水浴温度50℃条件下将聚乳酸以质量分数为20%溶解在三氯甲烷中，使用超声震荡1h，静置后添加相对于聚乳酸溶液质量的10%的成骨诱导剂，电磁搅拌2h后得到纺丝液，用一支10-15ml容量的注射器，吸取>3ml的纺丝液，将注射器放置在推进泵上，针头与接收板距离为16-18cm，针头与接收板间电压为16kV，纺丝速率在0.6ml/h，在25-27℃条件下对接骨器表面进行喷射，喷射完成后进行真空干燥。

2.根据权利要求1所述一种可降解多孔尺骨中端骨折接骨器的制备方法，其特征在于更加符合人体尺骨骨骼弧度，有利于骨骼破碎处的矫正，有利于骨折碎骨的接合的同时也能对破碎处有很好的保护作用。

3.根据权利要求1所述一种可降解多孔尺骨中端骨折接骨器的制备方法，其特征在于3D打印的接骨器采用多段式连接，面对不同程度的骨折可以灵活安排接骨器的长度，接骨器的具体参数（厚度、高度、轨道及螺钉孔尺寸、螺钉尺寸）可根据病人实际情况进行灵活调整，同时在接骨器上设置了多条供螺钉安装的凹槽，可实现不同方位，不同程度的对破碎骨骼处的固定，定位孔及定位凸点的存在可使拼接更加牢固可靠，避免接骨器随着手臂的转动而使使接骨器间发生移位。

4.根据权利要求1所述一种可降解多孔尺骨中端骨折接骨器的制备方法，其特征在于制备接骨器的材料能够刺激骨组织的产生及活动，加快骨愈合的时间，减少因应力屏蔽引起骨质流失的问题，提高材料的生物相容性，同时能够逐渐被人体自行降解，并形成新骨，避免患者二次手术取出接骨器的风险。

5.根据权利要求1所述一种可降解多孔尺骨中端骨折接骨器的制备方法，其特征在于在临床中可通过大量患者的骨骼情况，建立大数据库，利用三维软件设计优化出不同年龄段通用的接骨器，节约制造时间成本的同时，给患者带来更好的治疗方式。