CN114850469B - 一种金属骨水泥及多孔金属微球及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属骨水泥及多孔金属微球及其制备方法，该金属骨水泥，用于骨缺损修复，包括多孔金属微球与水凝胶混合，所述多孔金属微球与水凝胶体积比为0.1‑2，所述金属骨水泥的孔隙率为50％‑90％，且可降解可注射；该多孔金属微球的外形为规则或不规则球形，所述多孔金属微球的内部为内联通的多孔胞元结构，所述不规则球形包括椭球体和多面体结构，所述多孔胞元结构包括梁杆胞元结构和面胞元结构。本发明还提供了该多孔金属微球的制备方法。本发明的多孔金属微球结构精细、无裂纹且流动性好，生物相容性好，且能够促进成骨细胞在其内部黏附、增殖或分化，金属骨水泥实现了多孔金属微球的可注射性，提高了骨填充材料力学性能及稳定性。

Description

一种金属骨水泥及多孔金属微球及其制备方法
技术领域
本发明涉及骨缺损修复技术，特别是一种用于修复骨缺损的多孔可降解、可注射的金属骨水泥及多孔金属微球及其制备方法。
背景技术
骨创伤和骨病造成的骨缺损是一种常见的临床疾病，大面积骨缺损通常不能自愈，是骨科临床最大的挑战之一。大面积骨缺损的治疗手段通常包括自体骨移植和异体骨移植。然而，异体骨移植具有疾病传播的风险，作为金标准的自体骨移植也有供给有限、多次手术及不能匹配骨缺损解剖模型的局限性。因此，人工骨填充材料应运而生。目前，临床常用的人工骨填充材料为生物陶瓷或可降解高分子材料骨颗粒。虽然陶瓷和高分子材料具有良好的生物降解性和生物活性，但其力学性能较差。此外，现有骨颗粒难以通过微创手术注射至骨缺损部位，且植入后稳定性较差，从而影响骨填充材料的植入效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于修复骨缺损的多孔可降解、可注射的金属骨水泥及多孔金属微球及其制备方法，以提高骨填充材料力学性能及稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种多孔金属微球，用于骨缺损修复，其中，所述多孔金属微球的外形为规则或不规则球形，所述多孔金属微球的内部为内联通的多孔胞元结构，所述不规则球形包括椭球体和多面体结构，所述多孔胞元结构包括梁杆胞元结构和面胞元结构。
上述的多孔金属微球，其中，所述多孔金属微球的外形尺寸为0.5-10mm。
上述的多孔金属微球，其中，所述多孔胞元结构的孔隙率为50％-90％，孔径范围为0.2-2mm。
上述的多孔金属微球，其中，所述梁杆胞元结构的杆径为0.2-2mm；所述面胞元结构的面厚为0.2-2mm。
上述的多孔金属微球，其中，所述梁杆胞元结构包括金刚石结构、桁架结构、面心立方结构、体心立方结构、负泊松比结构或骨小梁结构；所述面胞元结构包括Gyroid结构、Schwarz结构、金刚石或三周期极小曲面结构。
上述的多孔金属微球，其中，所述多孔金属微球的材料为镁基金属、锌基金属、铁基金属或钼基金属。
上述的多孔金属微球，其中，所述多孔金属微球个体为激光粉末床熔融成形件，所述激光粉末床的熔融打印参数为：激光光斑直径为50-100μm，激光功率为50-200W，激光扫描速率为100-2000mm/s，激光填充间距为激光光斑直径的50％-80％，铺粉厚度为20-70μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为67-90°。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种多孔金属微球的制备方法，其中，包括如下步骤：
S100、选择可降解的金属粉末材料，所述金属粉末材料为镁基金属、锌基金属、铁基金属或钼基金属；
S200、将所述金属粉末材料在真空干燥箱中进行加热干燥，加热温度为60-150℃，干燥时间为3-6个小时；
S300、选择与所述金属粉末材料成分相同的合金作为基板，并对所述基板进行预热，预热温度为100-200℃；
S400、通过三维制图软件设计多孔金属微球的三维模型，并以STL格式保存所述三维模型；
S500、将STL格式的所述三维模型导入分层软件中，添加支撑并进行切片处理，设置打印参数，生成打印文件，将打印文件传输至激光粉末床，设置所述激光粉末床的熔融打印参数并进行打印；以及
S600、将打印完成的所述多孔金属微球与所述基板分离，获得所述多孔金属微球成品。
上述的多孔金属微球的制备方法，其中，还包括：
S700、采用盐酸和硝酸的酒精溶液对所述多孔金属微球进行抛光处理，所述盐酸和硝酸在酒精中各自的体积浓度范围为1％-5％，盐酸和硝酸的体积比为1。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种金属骨水泥，用于骨缺损修复，其中，包括多孔金属微球与水凝胶混合，所述多孔金属微球为上述的多孔金属微球，所述多孔金属微球与水凝胶体积比为0.1-2，所述金属骨水泥的孔隙率为50％-90％，且可降解可注射。
本发明的技术效果在于：
1)可降解多孔金属微球精度高、壁厚均匀且无裂纹产生；力学性能与人骨的力学性能更加匹配；规则或不规则球形使其填充性好；内部联通多孔结构利于骨组织与血管再生；可降解金属材料生物相容性好，且能够促进成骨细胞在其内部黏附、增殖或分化；
2)采用激光粉末床熔融制备可降解多孔金属微球，可实现任意尺寸及胞元结构的高精度快速制造，实现功能与结构一体化；
3)可降解多孔金属微球与水凝胶混合成金属骨水泥，实现了多孔金属微球的可注射性，水凝胶保证了多孔金属微球注射之后的稳定性。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一实施例的金属骨水泥应用示意图；
图2A为本发明一实施例的多孔金属微球立体结构示意图；
图2B为图2A的剖面图；
图3A为本发明另一实施例的多孔金属微球立体结构示意图；
图3B为图3A的剖面图；
图4A为本发明一实施例的制备方法原理图；
图4B为本发明一实施例的粉末床熔融参数设置示意图；
图5为本发明实施例1的多孔纯锌微球球体；
图6为本发明实施例2的多孔锌镁合金微球多面体；
图7为本发明一实施例的金属骨水泥注射交联后示意图；
图8为本发明一实施例的多孔纯锌微球成骨示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述。参考附图，详细地说明本发明的优选实施方式。需要说明的是，以下实施例不以任何形式限制本发明，如在本发明构思的基础上，做出若干变化和改进，都属于本发明的保护范围。需要说明的是，本发明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的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，而是可以包括或具有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。本领域技术人员将理解，一般而言，本发明中使用的术语一般意图为“开放”术语(例如术语“包括”应被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应被解释为“至少具有”，术语“包括”应被解释为“包括但不限于”等)。除非另有定义，本发明所使用的技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。
参见图1，图1为本发明一实施例的金属骨水泥应用示意图。本发明的金属骨水泥，用于骨缺损修复，包括多孔金属微球与水凝胶混合，所述多孔金属微球为多孔金属微球，所述多孔金属微球与水凝胶体积比为0.1-2，所述金属骨水泥的孔隙率为50％-90％，且可降解可注射。
参见图2A-3B，图2A为本发明一实施例的多孔金属微球立体结构示意图，图2B为图2A的剖面图，球体直径为2mm，微杆直径为0.3mm；图3A为本发明另一实施例的多孔金属微球立体结构示意图，图3B为图3A的剖面图，多面体长度为2mm，微杆直径为0.4mm。本发明的多孔金属微球，用于骨缺损修复，所述多孔金属微球个体的外形为规则或不规则球形，所述多孔金属微球的内部为内联通的多孔胞元结构，所述不规则球形包括椭球体和多面体结构，所述多孔胞元结构包括梁杆胞元结构和面胞元结构。由此，金属多孔微球具有良好的填充性。多孔结构能够增加金属微球的比表面积，有利于成骨细胞在其内部黏附、增殖或分化。梁杆胞元结构和面胞元结构可调节金属微球的力学性能，能够根据皮质骨或松质骨不同缺损部位选择不同的胞元结构设计。本实施例中，所述多孔金属微球的外形尺寸优选为0.5-10mm。所述多孔胞元结构的孔隙率优选为50％-90％，孔径范围优选为0.2-2mm。所述梁杆胞元结构的杆径优选为0.2-2mm；所述面胞元结构的面厚优选为0.2-2mm，可根据不同应用场景选择不同尺寸的多孔金属微球。
其中，所述梁杆胞元结构包括金刚石结构、桁架结构、面心立方结构、体心立方结构、负泊松比结构或骨小梁结构；所述面胞元结构包括Gyroid结构、Schwarz结构、金刚石或其它三周期极小曲面结构。胞元结构可调节金属微球的力学性能，能够根据皮质骨或松质骨不同缺损部位选择不同的胞元结构设计。所述多孔金属微球的材料可为镁基金属、锌基金属、铁基金属或钼基金属。镁、锌、铁或钼均为人体的微量元素，具备良好的生物相容性，且可在人体内降解吸收。镁已被证实能够促成骨，锌对骨骼健康也具有重要作用。镁、锌、铁或钼四种可降解金属具备不同的降解速率，可根据不同骨缺损部位对降解速率的不同要求选择多孔金属微球的材料。例如，可在牙槽骨缺损处选择降解速率较快的多孔镁合金微球，在股骨缺损处选择降解速率较慢的多孔锌合金微球。其中，所述多孔金属微球个体为激光粉末床熔融成形件，所述激光粉末床的熔融打印参数为：激光光斑直径为50-100μm，激光功率为50-200W，激光扫描速率为100-2000mm/s，激光填充间距为激光光斑直径的50％-80％，铺粉厚度为20-70μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为67-90°。
参见图4A，图4A为本发明一实施例的制备方法原理图。本发明的多孔金属微球的成形方法，包括如下步骤：
步骤S100、根据需要选择可降解的金属粉末材料，所述金属粉末材料为镁基金属、锌基金属、铁基金属或钼基金属，可降解金属粉末优选为球形粉，粉末粒径范围在15-53μm；
步骤S200、将可降解所述金属粉末材料在真空干燥箱中进行加热干燥，加热温度为60-150℃，干燥时间为3-6个小时；
步骤S300、选择与所述金属粉末材料成分相同的合金作为基板，并对所述基板进行预热，预热温度为100-200℃；
步骤S400、通过三维制图软件设计多孔金属微球的三维模型，并以STL格式保存所述三维模型；
步骤S500、将STL格式的所述三维模型导入分层软件中，添加支撑并进行切片处理，设置打印参数，生成打印文件，将打印文件传输至激光粉末床熔融(LPBF)设备，设置所述激光粉末床的熔融打印参数并进行打印，参见图4B，图4B为本发明一实施例的粉末床熔融参数设置示意图，图中参数设置示意图中外部图线为轮廓扫描，内部阴影部分为填充扫描，打印参数范围与金属粉末材料有关，激光光斑直径为50-100μm，激光功率为50-200W，激光扫描速率为100-2000mm/s，激光填充间距为激光光斑直径的50％-80％，铺粉厚度为20-70μm，相邻两个铺粉层之间激光扫描方向的夹角为67-90°，镁及其合金最佳激光能量密度为90-110J/mm3，锌及其合金最佳激光能量密度为25-40J/mm3，铁及其合金最佳激光能量密度为30-70J/mm3，包括成形腔内惰性气体流量的调整，确保带走激光熔融时可降解金属粉末挥发产生的烟尘，可优选惰性气体流速范围为5-10m/s，最佳值为9m/s；以及
步骤S600、将打印完成的所述多孔金属微球与所述基板分离，具体可对打印完成的可降解多孔金属微球与基板进行线切割，去除支撑，获得所述多孔金属微球成品。
本实施例还可包括：
步骤S700、采用盐酸和硝酸的酒精溶液对所述多孔金属微球进行抛光处理，所述盐酸和硝酸在酒精中各自的体积浓度范围为1％-5％，盐酸和硝酸的体积比为1。
本发明的金属骨水泥的制备，可将上述多孔金属微球与水凝胶按照一定比例混合，注入骨缺损部位的同时，可根据水凝胶特性进行物理或化学交联。多孔金属微球与水凝胶体积比范围优选为0.1-2之间，水凝胶可选壳聚糖，硫酸软骨素，丝素蛋白，甲基丙烯酸酰化明胶等。可降解多孔金属微球具备可注射性及稳定性。
下面用具体实施例详细说明本发明的多孔金属微球及金属骨水泥的制备过程：
实施例1
参见图5，图5为本发明实施例1的多孔纯锌微球球体。在本实施例中，制备具有体心立方胞元结构的可降解多孔纯锌微球。
使用Magics软件设计外形尺寸为2mm的多孔微球，多孔微球内部为体心立方梁杆胞元结构，杆径为0.3mm，以STL格式保存多孔微球模型。
选择气雾化球形纯锌粉末，粉末粒径分布为15-53μm。将粉末放入真空干燥箱中，加热温度为60℃，干燥时间为4个小时。
选择纯锌基板，并对基板进行200℃预热处理。
将多孔微球STL模型导入分层软件中，添加支撑，并以30μm每层进行切片处理。
设置激光粉末床熔融打印参数，激光光斑直径设为100μm，激光功率为100W，激光扫描速率为1000mm/s，激光填充间距为激光光斑直径的20％，铺粉厚度为30μm，相邻两个铺粉层之间激光扫描方向的夹角为67°。
进行多孔纯锌微球打印，打印过程中根据烟尘情况调整成形腔内的保护气体流量。
对打印完成的多孔纯锌微球与基板进行线切割，去除多孔纯锌微球的支撑。
采用盐酸和硝酸的酒精溶液对多孔纯锌微球进行化学抛光处理，去除残留在多孔纯锌微球表面的粉末，盐酸和硝酸的体积比为5％。本实施例获得的可降解多孔纯锌微球密度高，球形度好，且无裂纹产生，适用于人体松质骨部位的骨缺损修复。
实施例2
参见图6，图6为本发明实施例2的多孔锌镁合金微球多面体。在本实施例中，制备具有金刚石胞元结构的可降解多孔锌镁合金四面体。
使用Magics软件设计外形尺寸为2mm的多孔立方体，多孔立方体内部为金刚石梁杆胞元结构，杆径为0.4mm，以STL格式保存多孔微球模型。
选择气雾化球形Zn-3Mg合金粉末，粉末粒径分布为15-53μm。将粉末放入真空干燥箱中，加热温度为60℃，干燥时间为4个小时。
选择锌镁合金基板，并对基板进行200℃预热处理。
将多孔微球STL模型导入分层软件中，添加支撑，并以30μm每层进行切片处理。
设置激光粉末床熔融打印参数，激光光斑直径设为100μm，激光功率为100W，激光扫描速率为900mm/s，激光填充间距为激光光斑直径的20％，铺粉厚度为30μm，相邻两个铺粉层之间激光扫描方向的夹角为67°。
进行多孔锌镁合金四面体打印，打印过程中根据烟尘情况调整成形腔内的保护气体流量。
对打印完成的多孔锌镁合金四面体与基板进行线切割，去除多孔锌镁合金四面体的支撑。
采用盐酸和硝酸的酒精溶液对多孔锌镁合金四面体进行化学抛光处理，去除残留在多孔锌镁合金四面体表面的粉末，盐酸和硝酸的体积比为5％。本实施例获得的可降解多孔锌镁合金四面体密度高，球形度好，且无裂纹产生，适用于人体松质骨部位的骨缺损修复。
实施例3
在实施例3中，制备混合多孔纯锌微球和水凝胶的金属骨水泥。多孔纯锌微球的制备方法参照实例1。
将多孔金属微球与水凝胶按照一定比例混合。将混合后金属骨水泥放入注射器中，该注射器为医用注射器，需根据多孔微球大小选择注射器的口径。注射后效果如图7所示，图7为本发明的金属骨水泥注射、交联后示意图，由图可见，注射交联后，金属骨水泥可固定在倾斜的培养皿中。
对多孔纯锌微球和金属骨水泥进行表征，具体表征方法及结果如下：
1)致密度表征：在酒精溶液中，通过阿基米德原理对多孔纯锌微球进行致密度表征，多孔纯锌微球的致密度为99±0.3％；
2)力学性能表征：将多孔纯锌微球置入直径为1cm，高度为1cm的透明亚克力管内，对多孔金属纯锌微球进行静态压缩力学性能测试，多孔纯锌微球的屈服强度为11±1MPa，弹性模量为800±69MPa；
3)成骨效果测试：在小型猪股骨滑车处制造直径1cm，高1cm大小的圆柱体缺损，取出残留的碎骨片，将金属骨水泥注射至缺损部位直至完全填充，并通过紫外光进行交联。术后3个月后取材，对样品进行μCT表征，结果如图8所示，图8为本发明的可降解多孔纯锌微球成骨示意图，图中亮白色部分为多孔纯锌微球，灰色部分为新生骨组织。
本发明的多孔金属微球结构精细、无裂纹且流动性好，力学性能与人骨的力学性能更加匹配；规则或不规则球形使其填充性好；内部联通多孔结构利于骨组织与血管再生；可降解金属材料生物相容性好，且能够促进成骨细胞在其内部黏附、增殖或分化，弥补了业内可承力、可降解、可注射骨填充材料的空缺，可降解多孔金属微球与水凝胶混合成金属骨水泥，实现了多孔金属微球的可注射性，水凝胶保证了多孔金属微球注射之后的稳定性。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种多孔金属微球，用于骨缺损修复，其特征在于，所述多孔金属微球的外形为不规则球形，所述多孔金属微球的内部为内联通的多孔胞元结构，所述不规则球形包括椭球体和多面体结构，所述多孔胞元结构包括梁杆胞元结构和面胞元结构；其中，所述多孔金属微球个体为激光粉末床熔融成形件，所述多孔金属微球的外形尺寸为0.5-10mm，所述多孔胞元结构的孔隙率为50%-90%，孔径范围为0.2-2mm，所述梁杆胞元结构的杆径为0.4-2mm；所述面胞元结构的面厚为0.2-2mm。
2.根据权利要求1所述的多孔金属微球，其特征在于，所述梁杆胞元结构包括金刚石结构、桁架结构、面心立方结构、体心立方结构、负泊松比结构或骨小梁结构；所述面胞元结构包括Gyroid结构、Schwarz结构、金刚石或三周期极小曲面结构。
3.根据权利要求1或2所述的多孔金属微球，其特征在于，所述多孔金属微球的材料为镁基金属、锌基金属、铁基金属或钼基金属。
4.根据权利要求3所述的多孔金属微球，其特征在于，所述激光粉末床的熔融打印参数为：激光光斑直径为50-100μm，激光功率为50-200W，激光扫描速率为100-2000mm/s，激光填充间距为激光光斑直径的50%-80%，铺粉厚度为20-70μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为67-90°。
5.一种多孔金属微球的制备方法，其特征在于，采用激光粉末床熔融成形如权利要求1-4任意一项所述的多孔金属微球，所述多孔金属微球的外形尺寸为0.5-10mm，所述多孔胞元结构的孔隙率为50%-90%，孔径范围为0.2-2mm，所述梁杆胞元结构的杆径为0.4-2mm；所述面胞元结构的面厚为0.2-2mm，制备方法包括如下步骤：S100、选择可降解的金属粉末材料，所述金属粉末材料为镁基金属、锌基金属、铁基金属或钼基金属；S200、将所述金属粉末材料在真空干燥箱中进行加热干燥，加热温度为60-150℃，干燥时间为3-6个小时；S300、选择与所述金属粉末材料成分相同的合金作为基板，并对所述基板进行预热，预热温度为100-200℃；S400、通过三维制图软件设计多孔金属微球的三维模型，并以STL格式保存所述三维模型；S500、将STL格式的所述三维模型导入分层软件中，添加支撑并进行切片处理，设置打印参数，生成打印文件，将打印文件传输至激光粉末床，设置所述激光粉末床的熔融打印参数并进行打印；以及S600、将打印完成的所述多孔金属微球与所述基板分离，获得所述多孔金属微球成品。
6.根据权利要求5所述的多孔金属微球的制备方法，其特征在于，还包括：S700、采用盐酸和硝酸的酒精溶液对所述多孔金属微球进行抛光处理，所述盐酸和硝酸在酒精中各自的体积浓度范围为1%-5%，盐酸和硝酸的体积比为1。
7.一种金属骨水泥，用于骨缺损修复，其特征在于，包括多孔金属微球与水凝胶混合，所述多孔金属微球为上述权利要求1-4中任意一项所述的多孔金属微球，所述多孔金属微球与水凝胶体积比为0.1-2，所述金属骨水泥的孔隙率为50%-90%，且可降解可注射。
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