CN113755021A - 一种3d打印骨骼材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印骨骼材料及其制备方法，由以下重量份的原料组成：PA2200尼龙18‑23份、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物8‑15份、牛骨粉55‑65份、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白2‑5份、聚乙二醇二丙烯酸酯1‑3份、磷烯醇丙酮酸2‑5份、引发剂0.01‑0.03份、氢氧化钙1‑3份。有益效果在于：原料来源广泛，价格低廉，反应条件温和，适合规模化生产；原料相容性好，无毒无害；各原料在制备过程中发生共聚反应，形成三维网络状结构，提高了材料机械力学性能；通过交联，胶原蛋白进行结构重建，再通过单体磷烯醇丙酮酸引入磷，然后与氢氧化钙发生中和反应，引入钙，形成与天然骨中类似的微观结构，使材料更接近真实的骨骼性能。

Description

一种3D打印骨骼材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及医用材料技术领域，特别是涉及一种3D打印骨骼材料及其制备方法。

背景技术

骨组织是人体重量最大，承担人体重量与提供关节运动的器官。人类在寻找修复骨缺损的过程中积累了多种3D打印骨替代物的经验。利于3D打印骨骼，制造出具有关节结构与关节活动功能的医用训练模拟人，取代原有的简单的人形沙袋与木制人偶，技术上可行，具有提高训练效果的价值。

临床上3D打印骨材料包括自体骨、金属钛、人工陶瓷、异种骨粉与生物胶水混合材料制成骨等多种。由于植入人体时，需要考虑材料组织相容性与可降解性，可供选择的材料来源受到限制。

临床上用于修补骨缺损的材料，并不完全适用于大量生产医学模拟人需要。

理想的3D打印骨骼用于医学模拟人生产时，应首要考虑打印骨骼解剖形态与生物力学特点接近真实的人类骨骼，组合成的关节具有类似人类关节的活动范围，并能在X线下显影，显示关节的正常解剖结构与骨折后关节移位与外力之间的关系。

现有的自体骨移植、金属钛、人工陶瓷、异种骨粉与生物胶水混合材料制成骨材料，主要筛选组织相容性好，植入物人体可降解，但材料的力学性能与真实人体骨骼偏差较大，并不适宜批量制作医用模拟人。

医用模拟人是用于医学操作技术训练的基本载体，准确地呈现人体解剖结构与生理功能的模拟人，能够提高医护人员医疗护理操作训练效率。但是，受工业制造技术与制造成本限制，目前市场上没有反映人类不同节段脊椎骨折变化的医学模拟人，用于医学救援时进行脊柱损伤搬运训练。当前用于脊柱损伤搬运训练的医学模拟人，主要有两种：

一种模拟人为人形沙袋模拟人，用粗帆布缝成人形，里面填装细树枝与砂石制成具有真人重量的模拟人，可耐反复摔打与搬运训练。另一种是以木头为基本原料制作的木偶，具有人体外形，可供在四肢进行止血、包扎、固定、搬运训练。利用现有的模拟人训练时，操作导致的关节移位，均由操作者本人或旁边的指导者目测估算，尽量使颈椎旋转移位不致于引起颈椎骨折出现二次损伤。

共同的缺点是：上述两种模拟人都不具备关节解剖结构与关节运动功能，无法显示骨折后关节变形移位与骨折严重程度。操作者发生严重的操作错误，例如出现“扭麻花”式地翻身，发生二次骨折，扭断或挤碎骨折部位的脊髓，导致或加重截瘫病人损伤时，模拟人也不会显示操作错误。有的直接用健康的真人进行脊柱损伤搬运训练，但真人没有发生脊椎骨折与移位，也不能显示骨折后畸形、移位等效果。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种3D打印骨骼材料及其制备方法，首选机械力学性能接近人体骨骼的材料为3D打印材料，其次兼顾材料的生物相容性、可降解性与骨诱导能力，以期多种性能尽量接近人类骨骼生物性能。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种3D打印骨骼材料，由以下重量份的原料组成：PA2200尼龙18-23份、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物8-15份、牛骨粉55-65份、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白2-5份、聚乙二醇二丙烯酸酯1-3份、磷烯醇丙酮酸2-5份、引发剂0.01-0.03份、氢氧化钙1-3份。

进一步的，由如下重量份配比的原材料组成：PA2200尼龙20份、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物10份、牛骨粉60份、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白3份、聚乙二醇二丙烯酸酯2份、磷烯醇丙酮酸3份、引发剂0.01-0.03份、氢氧化钙2份。

进一步的，由如下重量份配比的原材料组成：PA2200尼龙18份、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物13份、牛骨粉62份、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白2份、聚乙二醇二丙烯酸酯1份、磷烯醇丙酮酸2份、引发剂0.01-0.03份、氢氧化钙2份。

进一步的，所述引发剂选自偶氮二异丁腈、叔丁基过氧化氢中任意一种或几种。

进一步的，所述乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将聚己内酯二醇、端羧基聚乳酸加入到高沸点溶剂中，加入聚合反应釜中密封，230-250℃回流反应2-3小时，发生酯化反应；然后加入催化剂，降压至200-400Pa，在245-255℃下缩聚反应10-15小时，后冷却至室温，向其中加入3-甲基-2-丁烯胺，继续搅拌反应2-4小时，反应结束后在水中沉出；再经过乙醇洗涤与干燥，得到乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物。

进一步的，所述聚己内酯二醇、端羧基聚乳酸、高沸点溶剂、催化剂、3-甲基-2-丁烯胺的质量比为1：1：(6-10)：(0.4-0.7)：0.1：0.2。

进一步的，所述高沸点溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中任意一种或几种。

进一步的，所述催化剂选自三氧化二锑、醋酸锑中任意一种或几种。

本发明还提供一种3D打印骨骼材料的制备方法，包括如下步骤：

a、按上述重量份将PA2200尼龙、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物、牛骨粉、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白、聚乙二醇二丙烯酸酯、磷烯醇丙酮酸、引发剂、氢氧化钙混合均匀，得到混合料；

b、将步骤a得到混合料加入到质量百分比为3-5％的二甲亚砜中，在惰性气体氛围，于60-80℃下搅拌反应4-6小时；

c、将步骤b得到混合液旋蒸除去溶剂，水洗，后进行冷冻干燥，碾磨后得到3D打印人工骨粉材料。

进一步的，所述步骤b中惰性气体选取氦气、氖气、氩气中任意一种或几种。

一种应用上述3D打印骨骼材料制作医学模拟人的方法，包括以下步骤：

第一步：对标准伤员全身骨骼进行MRI或CT影像学检查，掌握全身每一块骨骼形态结构与位置关系数据，组成标准人体全身骨骼数据库；

第二步：结合检测所得影像学数据并借助制图软件进行三维设计，建立目标骨骼三维模型；

第三步：进行骨骼图像处理：分割图像、几何重建、生成网格及分配材料的属性4个方面，完成数据编程，在数据编程时在骨骼上预留位置传感器和惯性测量模块的安装槽孔；

第四步：进行目标骨骼打印，将数据编程结果输入3D打印机内进行逐层打印，通过叠加材料的方式打印成为1:1模型，以上述3D打印骨骼材料，打印每一块骨骼；

第五步：将位置传感器和惯性测量模块镶嵌到骨骼内，并通过无线数据接收器对位置传感器和惯性测量模块的使用情况进行检测；

第六步：全身骨骼组装，将打印完成的206块骨头以关节形式相连接，并在全身骨骼外部包覆人造肌肉、内脏、皮肤组合成完整的医学模拟人。

本发明的有益效果在于：

(1)、本发明的3D打印骨骼材料的原料来源广泛，价格低廉，反应条件温和，适合规模化生产；

(2)、在原料选取时首选机械力学性能接近人体骨骼的材料为3D打印材料，其次兼顾材料的生物相容性与骨诱导能力，利用本发明的3D打印骨骼材料打印出的人工骨骼具有优良的机械力学性能，并兼顾组织生物相容，粘结程度高；

(3)、本发明的3D打印骨骼材料的原料相容性好，无毒无害；乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白、聚乙二醇二丙烯酸酯、磷烯醇丙酮酸这些带不饱和双键的单体在制备过程中发生共聚反应，形成三维网络状结构，提高了材料机械力学性能；通过交联，胶原蛋白进行结构重建，再通过单体磷烯醇丙酮酸引入磷，然后与氢氧化钙发生中和反应引入钙，形成与天然骨中类似的微观结构，使材料更接近真实的骨骼性能；

(4)、本发明的3D打印骨骼材料中添加乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物这种相容性良好的高分子材料作为原料，在骨性支架内形成海绵状孔隙，使打印骨更加接近人类真实骨骼；

(5)、本发明的3D打印骨骼材料的原料含有较多活性基团，提高了材料的粘结力，各成分和结构协同作用，使得材料综合性能更佳，韧性和冲击强度更好，热变形温度更高，适合于3D打印时加工和成型；

(6)、利用本发明的3D打印骨骼材料打印的3D打印骨骼在强度、韧性上更接近真实人体力学特点，组合的关节，伸、曲、旋转活动范围符合人体生理活动范围；

(7)、利用本发明的3D打印骨骼材料打印的人体骨骼在X线下能够显影，制成各种骨折模型，可供在X线下观察骨折移位、畸形、缩短、延长与外力之间的关系；

(8)、具有人体全部关节的医学模拟人，适用于脊柱损伤搬运训练，可以提高训练的效果。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种3D打印骨骼材料，由以下重量份的原料组成：PA2200尼龙18-23份、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物8-15份、牛骨粉55-65份、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白2-5份、聚乙二醇二丙烯酸酯1-3份、磷烯醇丙酮酸2-5份、引发剂0.01-0.03份、氢氧化钙1-3份。

PA2200尼龙为半透明乳白色结晶形聚合物，具有可塑性，密度1.15g/cm3，熔点175℃，脆化温度-30℃，热分解温度大于350℃。PA2200尼龙烧结制件不需要特殊的后处理即具有优良的耐磨性、自润滑性，机械强度较高。

端羧基聚乳酸是在聚合时保留聚合物链末端的羧基，以便可以对聚合物进行一步的改性反应。

优选的，所述引发剂选自偶氮二异丁腈、叔丁基过氧化氢中任意一种或几种。

优选的，所述乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将聚己内酯二醇、端羧基聚乳酸加入到高沸点溶剂中，加入聚合反应釜中密封，230-250℃回流反应2-3小时，发生酯化反应；然后加入催化剂，降压至200-400Pa，在245-255℃下缩聚反应10-15小时，后冷却至室温，向其中加入3-甲基-2-丁烯胺，继续搅拌反应2-4小时，反应结束后在水中沉出；再经过乙醇洗涤与干燥，得到乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物。

优选的，所述聚己内酯二醇、端羧基聚乳酸、高沸点溶剂、催化剂、3-甲基-2-丁烯胺的质量比为1：1：(6-10)：(0.4-0.7)：0.1：0.2。

优选的，所述高沸点溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中任意一种或几种。

优选的，所述催化剂选自三氧化二锑、醋酸锑中任意一种或几种。

本发明还提供一种3D打印骨骼材料的制备方法，包括如下步骤：

a、按上述重量份将PA2200尼龙、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物、牛骨粉、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白、聚乙二醇二丙烯酸酯、磷烯醇丙酮酸、引发剂、氢氧化钙混合均匀，得到混合料；

b、将步骤a得到混合料加入到质量百分比为3-5％的二甲亚砜中，在惰性气体氛围，于60-80℃下搅拌反应4-6小时；

c、将步骤b得到混合液旋蒸除去溶剂，水洗，后进行冷冻干燥，碾磨后得到3D打印人工骨粉材料。

优选的，所述步骤b中惰性气体选取氦气、氖气、氩气中任意一种或几种。

一种应用上述3D打印骨骼材料制作医学模拟人的方法，包括以下步骤：

第一步：对标准伤员全身骨骼进行MRI或CT影像学检查，掌握全身每一块骨骼形态结构与位置关系数据，组成标准人体全身骨骼数据库；

第二步：结合检测所得影像学数据并借助制图软件进行三维设计，建立目标骨骼三维模型；

第三步：进行骨骼图像处理：分割图像、几何重建、生成网格及分配材料的属性4个方面，完成数据编程，在数据编程时在骨骼上预留位置传感器和惯性测量模块的安装槽孔；

第四步：进行目标骨骼打印，将数据编程结果输入3D打印机内进行逐层打印，通过叠加材料的方式打印成为1:1模型，以上述3D打印骨骼材料，打印每一块骨骼；

第五步：将位置传感器和惯性测量模块镶嵌到骨骼内，并通过无线数据接收器对位置传感器和惯性测量模块的使用情况进行检测；

第六步：全身骨骼组装，将打印完成的206块骨头以关节形式相连接，并在全身骨骼外部包覆人造肌肉、内脏、皮肤组合成完整的医学模拟人。

本发明提出具有全身3D打印骨骼的医学模拟人具有以下优点：3D打印的骨骼形成人体全身关节，各个关节可模拟人类关节曲、伸、旋转等运动，用作为医疗救护人员脊柱损伤搬运训练载体，可提高训练成效；在医学模拟人身上安装位置感器与惯性测量模块，通过无线数据接收器采集脊柱移位数据，通过专门的应用软件分析脊椎移位数据与脊柱应力变化数据，在搬运过程中实时监测脊椎损伤伤员脊柱移位变化，如果搬运时发生脊柱旋转移位大于5度或过伸、过曲移位2厘米，位置分晰器会自动报警提示，从而促进训练人员及时改进操作，提高训练的效果；此种3D骨骼可在X光下能显影，可以进一步制成各种骨折模型，可以在X线下准确观察研究骨折移位与骨折应力之间的关系。

实施例一：

一种3D打印骨骼材料，由以下重量份的原料组成：PA2200尼龙20份、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物10份、牛骨粉60份、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白3份、聚乙二醇二丙烯酸酯2份、磷烯醇丙酮酸3份、引发剂0.01-0.03份、氢氧化钙2份。

实施例二：

一种3D打印骨骼材料，由以下重量份的原料组成：PA2200尼龙18份、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物13份、牛骨粉62份、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白2份、聚乙二醇二丙烯酸酯1份、磷烯醇丙酮酸2份、引发剂0.01-0.03份、氢氧化钙2份。

实施例三：

一种3D打印骨骼材料，由以下重量份的原料组成：PA2200尼龙19份、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物12份、牛骨粉58份、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白4份、聚乙二醇二丙烯酸酯2份、磷烯醇丙酮酸4份、引发剂0.01-0.03份、氢氧化钙1份。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种3D打印骨骼材料，其特征在于：由以下重量份的原料组成：PA2200尼龙18-23份、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物8-15份、牛骨粉55-65份、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白2-5份、聚乙二醇二丙烯酸酯1-3份、磷烯醇丙酮酸2-5份、引发剂0.01-0.03份、氢氧化钙1-3份。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印骨骼材料，其特征在于：由以下重量份的原料组成：PA2200尼龙20份、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物10份、牛骨粉60份、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白3份、聚乙二醇二丙烯酸酯2份、磷烯醇丙酮酸3份、引发剂0.01-0.03份、氢氧化钙2份。

3.根据权利要求1所述的一种3D打印骨骼材料，其特征在于：由以下重量份的原料组成：PA2200尼龙18份、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物13份、牛骨粉62份、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白2份、聚乙二醇二丙烯酸酯1份、磷烯醇丙酮酸2份、引发剂0.01-0.03份、氢氧化钙2份。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种3D打印骨骼材料，其特征在于：所述引发剂选自偶氮二异丁腈、叔丁基过氧化氢中任意一种或几种。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种3D打印骨骼材料，其特征在于：所述乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将聚己内酯二醇、端羧基聚乳酸加入到高沸点溶剂中，加入聚合反应釜中密封，230-250℃回流反应2-3小时，发生酯化反应；然后加入催化剂，降压至200-400Pa，在245-255℃下缩聚反应10-15小时，后冷却至室温，向其中加入3-甲基-2-丁烯胺，继续搅拌反应2-4小时，反应结束后在水中沉出；再经过乙醇洗涤与干燥，得到乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物。

6.根据权利要求5所述的一种3D打印骨骼材料，其特征在于：所述聚己内酯二醇、端羧基聚乳酸、高沸点溶剂、催化剂、3-甲基-2-丁烯胺的质量比为1：1：(6-10)：(0.4-0.7)：0.1：0.2。

7.根据权利要求5所述的一种3D打印骨骼材料，其特征在于：所述高沸点溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中任意一种或几种。

8.根据权利要求5所述的一种3D打印骨骼材料，其特征在于：所述催化剂选自三氧化二锑、醋酸锑中任意一种或几种。

9.一种权利要求1-3任意一项所述3D打印骨骼材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、按上述重量份将PA2200尼龙、乙烯基封端聚己内酯二醇端羧基聚乳酸缩聚物、牛骨粉、甲基丙烯酸酐改性胶原蛋白、聚乙二醇二丙烯酸酯、磷烯醇丙酮酸、引发剂、氢氧化钙混合均匀，得到混合料；

b、将步骤a得到混合料加入到质量百分比为3-5％的二甲亚砜中，在惰性气体氛围，于60-80℃下搅拌反应4-6小时，所述惰性气体选取氦气、氖气、氩气中任意一种或几种；

c、将步骤b得到混合液旋蒸除去溶剂，水洗，后进行冷冻干燥，碾磨后得到3D打印人工骨粉材料。

10.一种应用权利要求1-3任意一项所述3D打印骨骼材料制作医学模拟人的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：对标准伤员全身骨骼进行MRI或CT影像学检查，掌握全身每一块骨骼形态结构与位置关系数据，组成标准人体全身骨骼数据库；

第二步：结合检测所得影像学数据并借助制图软件进行三维设计，建立目标骨骼三维模型；

第三步：进行骨骼图像处理：分割图像、几何重建、生成网格及分配材料的属性4个方面，完成数据编程，在数据编程时在骨骼上预留位置传感器和惯性测量模块的安装槽孔；

第四步：进行目标骨骼打印，将数据编程结果输入3D打印机内进行逐层打印，通过叠加材料的方式打印成为1:1模型，以上述3D打印骨骼材料，打印每一块骨骼；

第五步：将位置传感器和惯性测量模块镶嵌到骨骼内，并通过无线数据接收器对位置传感器和惯性测量模块的使用情况进行检测；

第六步：全身骨骼组装，将打印完成的206块骨头以关节形式相连接，并在全身骨骼外部包覆人造肌肉、内脏、皮肤组合成完整的医学模拟人。