CN115554467A - 一种颅骨修复材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种颅骨修复材料及其制备方法,该制备方法包括:获取待修复颅骨的三维缺损模型,根据三维缺损模型确定与待修复颅骨匹配的钛网和模具;其中,钛网的厚度小于模具的厚度;将钛网置于放有羟基磷灰石乳液的模具中,然后依次进行冷冻干燥和烧结处理,得到包覆羟基磷灰石的钛网;将包覆羟基磷灰石的钛网置于矿化胶原溶液中,经冷冻干燥后得到颅骨修复材料。本发明提供的颅骨修复材料兼具生物活性和优异的力学性能,能在促进组织修复和骨生长的同时避免颅骨受到二次伤害。
Description
技术领域
本发明涉及生物医用材料技术领域,特别涉及一种颅骨修复材料及其制备方法。
背景技术
颅骨缺损是临床上一种常见的继发性疾病。主要见于各种外伤和术后,例如电击伤、车祸伤、枪弹伤、颅骨恶性肿瘤切除、先天性畸形、去颅骨瓣减压术后等。原则上最大直径超过3cm以上的颅骨缺损需进行颅骨重建手术,当颅骨缺损超过3cm,就可以产生临床症状。临床修复颅骨缺损的主要方法是颅骨修补成形,主要包括自体骨移植和人工颅骨修复材料两大类。自体骨移植虽然被认为是最理想的骨移植材料,但是在临床应用中受到了极大限制,人工颅骨修复材料逐渐被广泛应用。
目前临床常用的人工颅骨修复材料包括非金属修复材料和金属修复材料。非金属修复材料主要包括聚醚醚酮(PEEK)和聚甲基丙烯酸甲酯,PEEK虽然具有良好的生物相容性、耐磨性、稳定的化学特性,且可塑性强,弹性、强度与自体颅骨相当,但现有采用3D打印制备的PEEK个性化颅骨的机械性能达不到医用要求,且费用高昂,限制了其应用。聚甲基丙烯酸甲酯具有质轻、价格低、塑性强等优势,但其质地较脆、易脆裂,且术中固化的过程中对周围组织有一定的热力损伤,术后感染和外露的概率较高。金属修复材料主要是钛网,其物理性能稳定,极少引起过敏及排斥反应,组织相容性好。然而,单一的钛网属于生物惰性材料,不具有生物活性,不能与软组织快速融合,不能有效促进骨组织修复再生。此外,单纯使用钛网的热胀冷缩、导热快,促使头皮、硬脑膜及周围颅骨对冷热敏感问题、刺激性问题和引起相关并发症等问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种颅骨修复材料及其制备方法,该颅骨修复材料兼具生物活性和优异的力学性能,能在促进组织修复和骨生长的同时避免颅骨受到二次伤害。
第一方面,本发明提供了一种颅骨修复材料的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)获取待修复颅骨的三维缺损模型,根据所述三维缺损模型确定与所述待修复颅骨匹配的钛网和模具;其中,所述钛网的厚度小于所述模具的厚度;
(2)将所述钛网置于放有羟基磷灰石乳液的所述模具中,然后依次进行冷冻干燥和烧结处理,得到包覆羟基磷灰石层的钛网;
(3)将所述包覆羟基磷灰石层的钛网置于矿化胶原溶液中,经冷冻干燥后得到包含矿化胶原的所述颅骨修复材料。
优选地,所述钛网的厚度为0.2~0.6mm。
优选地,所述钛网的网孔孔径为1~2mm,且相邻网孔的间隔为2~3mm。
优选地,所述模具的厚度与所述颅骨修复材料的厚度相同。
优选地,所述颅骨修复材料的厚度为2~20mm。
更优选地,所述颅骨修复材料为长度为3~20cm、宽度为3~20cm的不规则形状。
优选地,所述羟基磷灰石乳液中包括羟基磷灰石、高聚物和有机溶剂;
所述高聚物为胶原、聚己内酯、聚乳酸或聚乳酸-羟基乙酸共聚物;
所述有机溶剂为1,4-二氧六环、氯仿、丙酮、二甲基亚砜中的至少一种。
优选地,所述羟基磷灰石乳液中所述高聚物的浓度为0.005~0.01g/mL,所述羟基磷灰石的质量分数为70~80%。
更优选地,所述羟基磷灰石的粒径为50~100μm。
优选地,在步骤(2)中:
以所述钛网为骨架,采用所述羟基磷灰石乳液填充所述模具,得到颅骨修复预制体;对所述颅骨修复预制体依次进行冷冻干燥和烧结处理,得到包覆羟基磷灰石层的钛网;其中,所述钛网与所述模具匹配放置;
所述羟基磷灰石层为多孔结构。
优选地,所述羟基磷灰石层的孔隙率为70~80%,平均孔径大小为100~150μm;
优选地,所述多孔结构的孔道为表面孔道和内部孔道连接形成的通孔;所述通孔内部形成三维连通的网络空间。
优选地,所述颅骨修复材料包括填充有矿化胶原的羟基磷灰石层和钛网;所述填充有矿化胶原的羟基磷灰石层作为诱导层包裹在所述钛网表面。
优选地,在步骤(2)中:
所述冷冻干燥包括预冻阶段和升华阶段,各个阶段的工艺条件如下:
预冻阶段:目标温度为-60~-40℃,降温速率为2-4℃/min,恒温时长为3~6h;
升华阶段进行抽真空,真空度为-0.08~-0.1MPa,包括三个升温阶梯,分别为:
目标温度为-5~-3℃,升温速率为2-4℃/min,恒温时长为23~28h;
目标温度为0~3℃,升温速率为2~4℃/min,恒温时长为4~6h;
目标温度为10~25℃,升温速率为2~4℃/min,恒温时长为4~6h。
优选地,所述烧结处理包括第一升温阶段、第二升温阶段和降温阶段,各个阶段的工艺条件如下:
第一升温阶段:目标温度为500~700℃,升温速率为5~10℃/min,恒温时长为30~60min;
第二升温阶段:目标温度为1200~1700℃,升温速率为10~20℃/min,恒温时长为300~400min;
降温阶段:目标温度为室温。
优选地,所述矿化胶原溶液中包括胶原、矿化胶原颗粒和水。
优选地,所述矿化胶原溶液中所述胶原的浓度为0.05~0.1g/mL,所述矿化胶原颗粒的质量分数为40~50%。
更优选地,所述矿化胶原颗粒的粒径为50~80μm。
优选地,在步骤(3)中:
所述冷冻干燥包括预冻阶段和升华阶段,各个阶段的工艺条件如下:
预冻阶段:目标温度为-30~-20℃,降温速率为4-5℃/min,恒温时长为5~8h;
升华阶段进行抽真空,真空度为-0.08~-0.1MPa,包括四个升温阶梯,分别为:
目标温度为-15~-10℃,升温速率为2-3℃/min,恒温时长为23~30h;
目标温度为0~5℃,升温速率为2~3℃/min,恒温时长为4~6h;
目标温度为10~25℃,升温速率为2~3℃/min,恒温时长为4~6h;
目标温度为30~50℃,升温速率为2~3℃/min,恒温时长为4~6h。
第二方面,本发明提供了颅骨修复材料,上述第一方面任一所述的颅骨修复材料的制备方法制备得到。
优选地,所述颅骨修复材料包括与待修复颅骨匹配的钛网、羟基磷灰石和矿化胶原;
所述羟基磷灰石和所述矿化胶原形成诱导层包裹在所述钛网表面;
所述颅骨修复材料中所述羟基磷灰石和所述矿化胶原的质量之比为(2~4):1。
优选地,所述诱导层的孔隙率为40~60%,孔径为50~90μm。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果:
本发明基于三维缺损模型所确定的与待修复颅骨匹配的钛网和模具,以钛网为骨架,利用模具制备了包覆有羟基磷灰石层的钛网,然后通过进一步浸渍矿化胶原溶液得到包含矿化胶原的颅骨修复材料,即得到钛网-羟基磷灰石-矿化胶原复合的颅骨修复材料。如此使得该颅骨修复材料具有骨诱导和骨成活性促进新骨的生成,并提供了一定的力学强度,避免颅骨受到二次伤害。
在本发明中,颅骨修复材料以钛网作为骨架,并在钛网表面形成了包括羟基磷灰石和矿化胶原的诱导层,且矿化胶原填充在原多孔羟基磷灰石层的孔道中均匀分布,经过再次冷冻干燥后矿化胶原仍保留了其多孔结构,从而具有与骨组织一致的微观结构,具有骨诱导和成骨活性,促进新骨的生成。随着矿化胶原的降解,新骨组织的长入,羟基磷灰石为新骨的生成提供无机成分;同时羟基磷灰石具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性,植入体内后,钙和磷会游离出颅骨修复材料表面被组织吸收,诱导新的骨组织生长。
在本发明中,在烧结前,羟基磷灰石均匀分散在羟基磷灰石乳液中,进而保证了羟基磷灰石能均匀分散在羟基磷灰石层中。其次,羟基磷灰石经过高温烧结后结晶,羟基磷灰石层与钛网层紧密地粘合在一起,结构更稳定。钛网为整个颅骨修复材料提供力学支撑,保护颅骨内部不受到外力的危害,最终随着骨组织不断生长,通过钛网的网格将钛网包裹,形成新的颅骨。如此,这种多层次的结构将钛网的力学性能和羟基磷灰石以及矿化胶原的生物学性能完美结合起来,利用各自材料的优势,促进颅骨缺损的修复。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种颅骨修复材料的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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做出创造性劳动的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。
如图1所示,本发明实施例提供了一种颅骨修复材料,所述制备方法包括如下步骤:
步骤1:获取待修复颅骨的三维缺损模型,根据三维缺损模型确定与待修复颅骨匹配的钛网和模具;其中,钛网的厚度小于模具的厚度;
步骤2:将钛网置于放有羟基磷灰石乳液的模具中,然后依次进行冷冻干燥和烧结处理,得到包覆羟基磷灰石层的钛网;
步骤3:将包覆羟基磷灰石层的钛网置于矿化胶原溶液中,经冷冻干燥后得到包含矿化胶原的颅骨修复材料。
需要说明的是,步骤1通过构建三维缺损模型确定与待修复颅骨匹配的钛网和模具的方法,可以采用现有任一方法完成,例如采用
CN201610821983.4中S1-S6的方法得到模具;并在步骤S3得到三维缺损模型后,将该三维缺损模型导入到数字模型雕刻软件中进行细节处理,使得缺损模型的弧度与缺损处弧度相同,并进行圆滑过渡;然后将经细节处理后的模型数据输入到数控机床中,由数控机床加工出所需的冲压模具,用冲压模具冲压钛板,得到与病人待修复颅骨缺损处匹配的钛网。需要说明的是,因为钛网仅用作支撑骨架,故钛网的形状与模具形状相同且均与待修复颅骨匹配,仅钛网的厚度小于模具的厚度。
本发明基于三维缺损模型所确定的与待修复颅骨匹配的钛网和模具,以钛网为骨架,利用模具制备了包覆有羟基磷灰石层的钛网,然后通过进一步浸渍矿化胶原溶液得到包含矿化胶原的颅骨修复材料,即得到钛网-羟基磷灰石-矿化胶原复合的颅骨修复材料。如此使得该颅骨修复材料具有骨诱导和骨成活性促进新骨的生成,并提供了一定的力学强度,避免颅骨受到二次伤害。
根据一些优选的实施方式,钛网的厚度为0.2~0.6mm(例如,可以为0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm或0.6mm)。
根据一些优选的实施方式,钛网的网孔孔径为1~2mm(例如,可以为1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm或2mm),且相邻网孔的间隔为2~3mm(例如,可以为2mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm或3mm)。
根据一些更优选的实施方式,钛网的网孔为(1~2mm)×(1~2mm)的正方形网格。
在本发明中,为了避免钛网厚度过小,颅骨修复材料难以维形起到支撑作用,力学性能较差,而且易形成锐利的边缘,增加术后风险;同时避免钛网厚度过厚羟基磷灰石和矿化胶原含量较低,而不能有效促进羟基磷灰石、矿化胶原与软硬组织的结合,不能有效诱导成骨,如此将钛网的厚度限定为0.2~0.6mm。再者,为了有利于成骨细胞的粘附和新骨的长入,加速颅骨组织修复愈合,将钛网的网孔孔径限定为1~2mm,相邻网孔的间隔限定为2~3mm,避免该孔径过大易引发软组织渗漏及引起相关并发症等问题,也避免孔径过小不利于新骨长入的问题。
根据一些优选的实施方式,模具的厚度与颅骨修复材料的厚度相同。
需要说明的是,模具的厚度实际为模具的深度,颅骨修复材料由该模具成型得到,从而精确控制颅骨修复材料的厚度与个性化定制的模具的深度相同,与待修复颅骨精准匹配。
根据一些优选的实施方式,颅骨修复材料的厚度为2~20mm(例如,可以为2mm、3mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、15mm、18mm或20mm)。
根据一些更优选的实施方式,颅骨修复材料为长度为3~20cm(例如,可以为3cm、4cm、5cm、6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、15cm、16cm、18cm或20cm)、宽度为3~20cm(例如,可以为3cm、4cm、5cm、6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、15cm、16cm、18cm或20cm)、厚度为2~20mm的不规则形状。
根据一些优选的实施方式,羟基磷灰石乳液中包括羟基磷灰石、高聚物和有机溶剂;
高聚物为胶原、聚己内酯、聚乳酸或聚乳酸-羟基乙酸共聚物;
有机溶剂为1,4-二氧六环、氯仿、丙酮、二甲基亚砜中的至少一种。
需要说明的是,至少一种即为任意一种或任意几种以任意比例混合的混合物。其中,聚己内酯、聚乳酸或聚乳酸-羟基乙酸共聚物等高聚物优选的分子量为4w-8w(例如,可以为4w、4.5w、5w、5.5w、6w、7w或8w)。
根据一些优选的实施方式,羟基磷灰石乳液中高聚物的浓度为0.005~0.01g/mL(例如,可以为0.005g/mL、0.006g/mL、0.007g/mL、0.008g/mL、0.009g/mL或0.01g/mL),羟基磷灰石的质量分数为70~80%(例如,可以为70%、70.5%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%或80%)。
需要说明的是,配制羟基磷灰石乳液时,先将高聚物溶解在有机溶剂中,然后再加入羟基磷灰石搅拌混匀,以使羟基磷灰石均匀分散。
在本发明中,高聚物的加入使得羟基磷灰石均匀分散在羟基磷灰石乳液中,进而保证了羟基磷灰石能均匀分散在羟基磷灰石层中。经实验证实,若高聚物浓度过高,则羟基磷灰石乳液的粘性过大、流动性较差,也会导致经烧结后的羟基磷灰石层的孔隙率过大,进而影响后续颅骨缺损处的修复效果;若高聚物浓度过低,则羟基磷灰石易团聚、分散不均匀,同样会影响羟基磷灰石层的孔隙率,影响颅骨缺损处的修复效果。
根据一些更优选的实施方式,羟基磷灰石的粒径为50~100μm(例如,可以为50μm、51μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、99μm或100μm)。
在本发明中,经实验证实,若羟基磷灰石粒径过小,经过烧结后羟基磷灰石会结块,空隙较小,在进行浸渍矿化胶原时,矿化胶原完全浸渍空隙较困难。但若羟基磷灰石粒径过大,则烧结过程中羟基磷灰石结晶效果较差,力学强度不足。
根据一些优选的实施方式,在步骤(2)中:
以钛网为骨架,采用羟基磷灰石乳液填充模具,得到颅骨修复预制体;对颅骨修复预制体依次进行冷冻干燥和烧结处理,得到包覆羟基磷灰石层的钛网;其中,钛网与模具匹配放置;
羟基磷灰石层为多孔结构。
具体地,在本发明中,将羟基磷灰石乳液铺一层在模具的下模具中,然后将钛网放在该层羟基磷灰石乳液上方,同时保证该钛网的缺损与模具的缺损一致,然后再次将羟基磷灰石乳液铺在钛网上,填充满该模具后再盖上上模具,得到颅骨修复预制体,然后连模具一起放在冷冻干燥机中进行冷冻干燥,待完成冷冻干燥后将颅骨修复预制体从模具中取出,再放入电炉中进行烧结,得到包覆羟基磷灰石层的钛网。
在本发明中,钛网羟基磷灰石经过高温烧结后结晶,羟基磷灰石层与钛网层紧密的粘合在一起,结构更稳定。钛网为整个颅骨修复材料提供力学支撑,保护颅骨内部不受到外力的危害,最终随着骨组织不断生长,通过钛网的网格将钛网包裹,形成新的颅骨。
在步骤(2)中,冷冻干燥的不仅仅是为了去除溶剂,还为了维持颅骨修复预制体的形状,保持多孔的三维结构,不会发生缩皱现象,避免直接进行烧结处理时溶剂流动而难以维持原有模具的形状。
根据一些优选的实施方式,在步骤(2)中:
冷冻干燥包括预冻阶段和升华阶段,各个阶段的工艺条件如下:
预冻阶段:目标温度为-60~-40℃,降温速率为2~4℃/min,恒温时长为3~6h;
升华阶段进行抽真空,真空度为-0.08~-0.1MPa,包括三个升温阶梯,分别为:
目标温度为-35~-30℃,升温速率为2~4℃/min,恒温时长为23~28h;
目标温度为0~3℃,升温速率为2~4℃/min,恒温时长为4~6h;
目标温度为10~25℃,升温速率为2~4℃/min,恒温时长为4~6h;
需要说明的是,针对冷冻干燥,预冻阶段:目标温度为-60~-40℃(例如,可以为-60℃、-58℃、-56℃、-55℃、-42℃、-41℃或-40℃),降温速率为2~4℃/min(例如,可以为2℃/min、2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min或4℃/min),保温时长为3~6h(例如,可以为3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h或6h)。
真空度为-0.08~-0.1MPa,例如,可以为-0.08MPa、-0.06MPa、-0.05MPa、-0.03MPa、-0.02MPa或-0.1MPa;
升华阶段中,-35~-30℃可以为-35℃、-34℃、-33℃、-31℃或-30℃;0~3℃可以为0℃、0.5℃、1℃、1.5℃、2℃、2.5℃或3℃;10~25℃可以为10℃、12℃、15℃、16℃、18℃、20℃、22℃或25℃;
升温速率为2~4℃/min,例如,可以为2℃/min、2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min或4℃/min;
恒温时长为23~28h,例如,可以为23h、24h、25h、26h、27h或28h;
恒温时长为4~6h,例如,可以为4h、4.5h、5h、5.5h或6h。
根据一些优选的实施方式,烧结处理包括第一升温阶段、第二升温阶段和降温阶段,各个阶段的工艺条件如下:
第一升温阶段:目标温度为500~700℃(例如,可以为500℃、505℃、520℃、550℃、600℃、610℃、650℃、690℃或700℃),升温速率为5~10℃/min(例如,可以为5℃/min、5.5℃/min、6℃/min、6.5℃/min、7℃/min、7.5℃/min、8℃/min、8.5℃/min、9℃/min、9.5℃/min或10℃/min),恒温时长为30~60min(例如,可以为30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min);
第二升温阶段:目标温度为1200~1700℃(例如,可以为1200℃、1210℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃、1550℃、1600℃、1650℃、1690℃或1700℃),升温速率为10~20℃/min(例如,可以为10℃/min、12℃/min、15℃/min、18℃/min或20℃/min),恒温时长为300~400min(例如,可以为300min、310min、320min、350min、360min、380min或400min);
降温阶段:目标温度为室温。
需要说明的是,室温可以为25℃。
在步骤(2)中,采用两个升温阶段控制烧结过程,不仅能保证高聚物能充分去除,还能使钛网表面处于微熔融状态进而提高羟基磷灰石与钛网的界面结合力,同时羟基磷灰石还会结晶,使羟基磷灰石层与钛网层紧密地粘合在一起,结构更稳定。更重要地是,还能进一步控制羟基磷灰石层的孔隙率。
根据一些优选的实施方式,羟基磷灰石层的孔隙率为70~80%(例如,可以为70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%或80%),平均孔径大小为100~150μm(例如,可以为100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm或150μm)。
在本发明中,通过调节控制羟基磷灰石乳液中高聚物的浓度、羟基磷灰石的质量比、羟基磷灰石的粒径,并按照步骤(2)中的冷冻干燥和烧结处理工艺来协同调控羟基磷灰石层的孔隙率和孔径,以避免孔隙率过大时羟基磷灰石层的力学强度较差,避免孔隙率过小时,矿化胶原浸入困难且浸入量少,影响颅骨修复效果。
根据一些优选的实施方式,多孔结构的孔道为表面孔道和内部孔道连接形成的通孔;通孔内部形成三维连通的网络空间。
在本发明中,羟基磷灰石乳液中的高聚物作为连续相,经烧结后被去除形成连通的通孔,进而在羟基磷灰石层中形成三维连通的网络空间,更有利于后续矿化胶原能填充到通孔的每一处,均匀分散,使降解速率更可控,有效促进骨组织修复再生。
根据一些优选的实施方式,矿化胶原溶液中包括胶原、矿化胶原颗粒和水。
根据一些优选的实施方式,矿化胶原溶液中胶原的浓度为0.05~0.1g/mL(例如,可以为0.05g/mL、0.055g/mL、0.06g/mL、0.065g/mL、0.07g/mL、0.075g/mL、0.08g/mL、0.085g/mL、0.09g/mL、0.095g/mL或0.1g/mL),矿化胶原颗粒的质量分数为40~50%(例如,可以为40%、42%、45%、46%、48%、49%或50%)。
根据一些更优选的实施方式,矿化胶原颗粒的粒径为50~80μm(例如,可以为50μm、51μm、55μm、58μm、60μm、61μm、65μm、70μm、75μm、78μm或80μm)。
需要说明的是,配制矿化胶原溶液时,先将胶原溶解在纯化水中,待胶原溶胀后,再加入矿化胶原颗粒搅拌混匀,以使矿化胶原颗粒均匀分散。
在本发明中,通过加入胶原增加矿化胶原溶液的粘性,以避免矿化胶原颗粒团聚、沉底。但是为了避免胶原浓度过高影响包覆羟基磷灰石层的钛网在矿化胶原溶液中的浸渍效果,也为了避免胶原浓度过低矿化胶原颗粒易团聚且分散不均匀,将胶原浓度限定为0.05~0.1g/mL。在步骤(3)中,先将包覆羟基磷灰石层的钛网置于矿化胶原溶液中浸渍4~6h(例如,可以为4h、4.5h、5h、5.5h或6h)后再进行冷冻干燥,以确保矿化胶原能充分浸渍至羟基磷灰石层的所有孔中。
在本发明中,经实验证实,若矿化胶原溶液中矿化胶原颗粒的质量分数过低,则颅骨修复材料中包含的矿化胶原含量过低,且孔隙率过大,会影响颅骨修复材料的修复速率;若矿化胶原溶液中矿化胶原颗粒的质量分数过高,则颅骨修复材料中包含的矿化胶原含量过高,孔隙率过低,影响新组织的生长。同时,若矿化胶原颗粒粒径较大,则会影响其进入烧结后的羟基磷灰石的空隙中,无法将空隙填充完全。若矿化胶原颗粒粒径过小,则在冷冻干燥后会出现矿化胶原颗粒掉落的现象。
根据一些优选的实施方式,在步骤(3)中:
冷冻干燥包括预冻阶段和升华阶段,各个阶段的工艺条件如下:
预冻阶段:目标温度为-30~-20℃,降温速率为4~5℃/min,恒温时长为5~8h;
升华阶段进行抽真空,真空度为-0.08~-0.1MPa,包括四个升温阶梯,分别为:
目标温度为-15~-10℃,升温速率为2~3℃/min,恒温时长为23~30h;
目标温度为0~5℃,升温速率为2~3℃/min,恒温时长为4~6h;
目标温度为10~25℃,升温速率为2~3℃/min,恒温时长为4~6h;
目标温度为30~50℃,升温速率为2~3℃/min,恒温时长为4~6h。
需要说明的是,针对冷冻干燥,预冻阶段:目标温度为-30~-20℃(例如,可以为-30℃、-28℃、-26℃、-25℃、-22℃或-20℃),降温速率为4~5℃/min(例如,可以为4℃/min、4.5℃/min或5℃/min),保温时长为5~8h(例如,可以为5h、5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h或8h)。
真空度为-0.08~-0.1MPa,例如可以为-0.08MPa、-0.06MPa、-0.05MPa、-0.03MPa、-0.02MPa或-0.1MPa;
升华阶段中,-15~-10℃可以为-15℃、-14.5℃、-14℃、-13℃-12℃、-11℃、或-10℃;0~5℃可以为0℃、0.5℃、1℃、1.5℃、2℃、2.5℃、3℃、4℃或5℃;10~25℃可以为10℃、12℃、15℃、16℃、18℃、20℃、22℃或25℃;30~50℃可以为30℃、35℃、40℃、45℃或50℃。
升温速率为2~3℃/min,例如,可以为2℃/min、2.5℃/min或3℃/min;
恒温时长为23~30h,例如,可以为23h、24h、25h、26h、27h、28h、29h或30h;
恒温时长为4~6h,例如,可以为4h、4.5h、5h、5.5h或6h。
在本发明中,采用冷冻干燥方式对材料进行冷冻干燥具有如下优点:干燥效果好,能排除95%~99%以上的水分;冷冻干燥在低温下进行,矿化胶原不会发生变性或失去生物活力;冻干后产品体积几乎不变,保持了原来多孔的三维结构,不会发生缩皱现象;疏松层在冻干后能疏松多孔,呈海绵状,性状良好。
根据一些优选的实施方式,颅骨修复材料包括填充有矿化胶原的羟基磷灰石层和钛网;填充有矿化胶原的羟基磷灰石层作为诱导层包裹在钛网表面。
在本发明中,这种多层次的结构将钛网的力学性能和羟基磷灰石以及矿化胶原的生物学性能完美结合起来,利用各自材料的优势,促进颅骨缺损的修复。随着矿化胶原的降解,新骨组织的长入,羟基磷灰石为新骨的生成提供无机成分;同时羟基磷灰石具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性,植入体内后,钙和磷会游离出颅骨修复材料表面被组织吸收,诱导新的骨组织生长。
在本发明中,颅骨修复材料通过将钛网、羟基磷灰石和矿化胶原相结合,并将钛网包裹在内部,既解决了羟基磷灰石易碎、不能单独使用、降解速度过快的问题,又解决了矿化胶原单独使用时降解速度快、外力下易碎的问题,还解决了钛网不具有生物活性、不能与软组织快速融合、易引发并发症的问题,制备得到了兼具生物活性和优异的力学性能,降解速度可控,且能在促进组织修复和骨生长的同时避免颅骨受到二次伤害的颅骨修复材料。
本发明还提供了采用上述所提供的颅骨修复材料的制备方法制备得到的颅骨修复材料。
根据一些优选的实施方式,颅骨修复材料包括与待修复颅骨匹配的钛网、羟基磷灰石和矿化胶原;
羟基磷灰石和矿化胶原形成诱导层包裹在钛网表面;
颅骨修复材料中羟基磷灰石和矿化胶原的质量之比为(2~4):1(例如,可以为2:1、2.5:1、3:1、3.5:1或4:1)。
在本发明中,经实验证实,若羟基磷灰石和矿化胶原的质量之比过低,则会矿化胶原无法很好的附着在羟基磷灰石的空隙中,矿化胶原降解快,降解后的材料可能会游离在羟基磷灰石的外面,不能具有很好的导向作用。若羟基磷灰石和矿化胶原的质量之比过高,矿化胶原具有骨成活性和骨诱导作用,羟基磷灰石质量过高,在矿化胶原降解和新骨生成过程中可能会阻碍到骨的生长形态。
根据一些优选的实施方式,诱导层的孔隙率为40~60%(例如,可以为40%、42%、45%、46%、48%、50%、51%、52%、54%、55%、56%、58%或60%),孔径为50~90μm(例如,可以为50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm或90μm)。
在本发明中,所制备得到的颅骨修复材料为包裹着诱导层的钛网,该诱导层的孔径为50~90μm,孔隙率为40~60%,该孔径范围不仅增加了接触面积,增加了抗移动能力,还未长入物植入材料的联结组织提供血液供应。如此,该颅骨修复材料既允许纤维组织长入,又允许非矿物类骨组织长入,随着矿化胶原和羟基磷灰石的逐步降解,孔径逐渐增大,当孔径大于100μm后,血管也能随着长入。
为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点,下面通过几个实施例对一种颅骨修复材料及其制备方法进行详细说明。
以下实施例中,模具采用CN201610821983.4中的方法制备得到:
S1、获取患者的颅骨影像数据;
S2、将获得的颅骨影
像数据导入医学逆向软件中,设置阈值上界和阈值下界以选取颅骨而排除周围软组织,并通过区域增长操作排除未与主体颅骨连接的骨组织,得到颅骨三维模型;
S3、将所述颅骨三维模型导入逆向工程软件中,创建出与颅骨缺损处匹配的内部修复曲面和外部修复曲面的曲面模型(即三维缺损模型);
S4、将步骤S3得到的曲面模型导入数字模型雕刻软件中进行细节处理;
S5、将细节处理后的曲面模型导入逆向工程软件中,将内部修复曲面和外部修复曲面缝合成封闭实体后构成修复体模型,并将该修复体模型与步骤S2得到的颅骨三维模型做布尔运算,使所述修复体模型的边缘与缺损骨缘吻合;
S6、将步骤S5得到的修复体模型进行翻模操作,得到用于刀路编程的上模与下模加工数据,之后通过五轴数控加工中心加工出实体的模具。
钛网通过如下方法制备得到:
在上述步骤S3之后,将该三维缺损模型导入到数字模型雕刻软件中进行细节处理,使得缺损模型的弧度与缺损处弧度相同,并进行圆滑过渡;然后将经细节处理后的模型数据输入到数控机床中,由数控机床加工出所需的冲压模具,用冲压模具冲压钛板,得到与患者待修复颅骨缺损处匹配的钛网。
实施例1
(1)获取待修复颅骨的三维缺损模型,根据三维缺损模型确定与待修复颅骨匹配的钛网和模具;钛网的厚度为0.4mm、网孔为1.5mm×1.5mm的正方形网格,网格间隔为2mm;
(2)配制羟基磷灰石乳液:将聚乳酸溶解在二甲基亚砜中,然后再加入粒径50~100μm的羟基磷灰石搅拌混匀;羟基磷灰石乳液中聚乳酸的浓度为0.0075g/mL,羟基磷灰石的质量分数为75%;
将羟基磷灰石乳液铺一层在模具的下模具中,然后将钛网放在该层羟基磷灰石乳液上方,同时保证该钛网的缺损与模具的缺损一致,然后再次将羟基磷灰石乳液铺在钛网上,填充满该模具后再盖上上模具,得到颅骨修复预制体,然后连模具一起放在冷冻干燥机中进行冷冻干燥,先于-50℃预冻3h,再依次于-35℃抽真空保持23h,0℃抽真空保持4h,10℃抽真空保持4h,然后将颅骨修复预制体从模具中取出;
将取出后的颅骨修复预制体放入电炉中进行烧结,以5℃/min的升温速率,从室温升温至700℃,恒温60min;再以10℃/min的升温速率,升温至1700℃,保持恒温400min,停止加热自然降温,降至室温后取出,得到包覆羟基磷灰石层的钛网;
(3)配制矿化胶原溶液:将胶原溶解在纯化水中,待胶原溶胀后,再加入粒径为50~80μm的矿化胶原颗粒搅拌混匀;矿化胶原溶液中胶原的浓度为0.075g/mL,矿化胶原颗粒的质量分数为45%;
将包覆羟基磷灰石层的钛网置于矿化胶原溶液中浸渍5h,然后将浸渍后的包覆羟基磷灰石层的钛网放在模具的下模具中,同时保证该钛网的缺损与模具的缺损一致,将矿化胶原溶液倒入该模具中填满后盖上上模具,然后连模具一起放在冷冻干燥机中进行冷冻干燥,先于-25℃预冻6h,再依次于-10℃抽真空保持25h,0℃抽真空保持4h,10℃抽真空保持4h,25℃抽真空保持4h,然后取下上模具和下模具,得到颅骨修复材料,该颅骨修复材料的厚度为2~6mm。
实施例2
(1)获取待修复颅骨的三维缺损模型,根据三维缺损模型确定与待修复颅骨匹配的钛网和模具;钛网的厚度为0.2mm、网孔为1mm×1mm的正方形网格,网格间隔为2mm;
(2)配制羟基磷灰石乳液:将聚乳酸-羟基乙酸共聚物溶解在二甲基亚砜中,然后再加入粒径50~100μm的羟基磷灰石搅拌混匀;羟基磷灰石乳液中1,4-二氧六环的浓度为0.001g/mL,羟基磷灰石的质量分数为70%;
将羟基磷灰石乳液铺一层在模具的下模具中,然后将钛网放在该层羟基磷灰石乳液上方,同时保证该钛网的缺损与模具的缺损一致,然后再次将羟基磷灰石乳液铺在钛网上,填充满该模具后再盖上上模具,得到颅骨修复预制体,然后连模具一起放在冷冻干燥机中进行冷冻干燥,先于-50℃预冻3h,再依次于-35℃抽真空保持23h,3℃抽真空保持4h,25℃抽真空保持4h,然后将颅骨修复预制体从模具中取出;
将取出后的颅骨修复预制体放入电炉中进行烧结,以5℃/min的升温速率,从室温升温至500℃,恒温60min;再以10℃/min的升温速率,升温至1200℃,保持恒温400min,停止加热自然降温,降至室温后取出,得到包覆羟基磷灰石层的钛网;
(3)配制矿化胶原溶液:将胶原溶解在纯化水中,待胶原溶胀后,再加入粒径为50~80μm的矿化胶原颗粒搅拌混匀;矿化胶原溶液中胶原的浓度为0.05g/mL,矿化胶原颗粒的质量分数为50%;
将包覆羟基磷灰石层的钛网置于矿化胶原溶液中浸渍4h,然后将浸渍后的包覆羟基磷灰石层的钛网放在模具的下模具中,同时保证该钛网的缺损与模具的缺损一致,将矿化胶原溶液倒入该模具中填满后盖上上模具,然后连模具一起放在冷冻干燥机中进行冷冻干燥,先于-25℃预冻8h,再依次于-10℃抽真空保持30h,0℃抽真空保持6h,10℃抽真空保持6h,30℃抽真空保持6h,然后取下上模具和下模具,得到颅骨修复材料,该颅骨修复材料的厚度为2~10mm。
实施例3
(1)获取待修复颅骨的三维缺损模型,根据三维缺损模型确定与待修复颅骨匹配的钛网和模具;钛网的厚度为0.6mm、网孔为2mm×2mm的正方形网格,网格间隔为3mm;
(2)配制羟基磷灰石乳液:将聚乳酸溶解在二甲基亚砜中,然后再加入粒径50~100μm的羟基磷灰石搅拌混匀;羟基磷灰石乳液中聚乳酸的浓度为0.005g/mL,羟基磷灰石的质量分数为80%;
将羟基磷灰石乳液铺一层在模具的下模具中,然后将钛网放在该层羟基磷灰石乳液上方,同时保证该钛网的缺损与模具的缺损一致,然后再次将羟基磷灰石乳液铺在钛网上,填充满该模具后再盖上上模具,得到颅骨修复预制体,然后连模具一起放在冷冻干燥机中进行冷冻干燥,先于-50℃预冻6h,再依次于-35℃抽真空保持28h,0℃抽真空保持6h,10℃抽真空保持6h,然后将颅骨修复预制体从模具中取出;
将取出后的颅骨修复预制体放入电炉中进行烧结,以10℃/min的升温速率,从室温升温至700℃,恒温30min;再以20℃/min的升温速率,升温至1700℃,保持恒温300min,停止加热自然降温,降至室温后取出,得到包覆羟基磷灰石层的钛网;
(3)配制矿化胶原溶液:将胶原溶解在纯化水中,待胶原溶胀后,再加入粒径为50~80μm的矿化胶原颗粒搅拌混匀;矿化胶原溶液中胶原的浓度为0.1g/mL,矿化胶原颗粒的质量分数为40%;
将包覆羟基磷灰石层的钛网置于矿化胶原溶液中浸渍5h,然后将浸渍后的包覆羟基磷灰石层的钛网放在模具的下模具中,同时保证该钛网的缺损与模具的缺损一致,将矿化胶原溶液倒入该模具中填满后盖上上模具,然后连模具一起放在冷冻干燥机中进行冷冻干燥,先于-25℃预冻5h,再依次于-10℃抽真空保持23h,5℃抽真空保持4h,25℃抽真空保持4h,50℃抽真空保持4h,然后取下上模具和下模具,得到颅骨修复材料,该颅骨修复材料的厚度为2~20mm。
实施例4
实施例4与实施例1基本相同,其不同之处在于:
羟基磷灰石乳液中聚乳酸的浓度为0.005g/mL,羟基磷灰石的质量分数为70%。
实施例5
实施例5与实施例1基本相同,其不同之处在于:
羟基磷灰石乳液中聚乳酸的浓度为0.01g/mL,羟基磷灰石的质量分数为80%。
实施例6
实施例6与实施例1基本相同,其不同之处在于:
矿化胶原溶液中胶原的浓度为0.05g/mL,矿化胶原颗粒的质量分数为40%。
实施例7
实施例7与实施例1基本相同,其不同之处在于:
矿化胶原溶液中胶原的浓度为0.1g/mL,矿化胶原颗粒的质量分数为50%。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同,其不同之处在于:
在步骤(2)中未进行冷冻干燥处理,直接将颅骨修复预制体进行烧结处理。
对比例2
对比例2与实施例1基本相同,其不同之处在于:
羟基磷灰石乳液中羟基磷灰石的质量分数为85%。
对比例3
对比例3与实施例1基本相同,其不同之处在于:
羟基磷灰石乳液中羟基磷灰石的质量分数为65%。
对比例4
对比例4与实施例1基本相同,其不同之处在于:
矿化胶原溶液中矿化胶原颗粒的质量分数为60%。
对比例5
对比例5与实施例1基本相同,其不同之处在于:
矿化胶原溶液中矿化胶原颗粒的质量分数为35%。
对比例6
对比例6与实施例2基本相同,其不同之处在于:
步骤(2)中的烧结处理包括:以5℃/min的升温速率,从室温升温至500℃,恒温28min;再以10℃/min的升温速率,升温至1200℃,保持恒温280min,停止加热自然降温,降至室温后取出,得到包覆羟基磷灰石层的钛网。
将实施例1至7以及对比例1至6所制备的包覆羟基磷灰石层的钛网、颅骨修复材料进行孔隙率和孔径测试,得到孔隙率、平均孔径数据如表1所示。
孔隙率的测试方法:取待测试材料样品,用刀片修成规则形状,精确称量样品的干燥重量W1(精确到0.01g),并通过通用或专用量具测量样品的外观尺寸(精确到0.1mm),并计算样品体积V(cm3)。将干燥样品放置于盛有异丙醇溶剂的煮沸容器中,在样品与容器底部垫以干净纱布,煮沸2h(煮沸过程中应保持水面高出样品50mm以上)。煮沸后,冷却至室温,从液体中取出饱和样品,用饱含异丙醇的多层纱布,擦去样品表面附着液体,迅速称量饱和样品在空气中的质量W2(精确到0.01g),然后计算样品的孔隙率q(q=(W2-W1)/(0.7863×V),0.7863为异丙醇的密度);然后平行测定三个样品,取孔隙率平均值记入表1中。
孔径的测试方法:采用扫描电镜在5kV下观察厚度为10nm的待测试材料,基于至少20个孔隙,测量得到孔隙大小的平均值并记入表1。
需要说明的是,经实验核实,上述实施例1至7所制备得到的颅骨修复材料中羟基磷灰石和矿化胶原的质量之比均位于(2~4):1的范围内。上述对比例1至6所制备的颅骨修复材料中羟基磷灰石和矿化胶原的质量之比则超出了(2~4):1的范围。
表1
由表1可以看出,采用本发明的方法制备的颅骨修复材料孔隙率为40~60%,孔径为50~90μm。然而在对比例1中由于步骤(2)未进行冷冻干燥,并不能得到与待修复颅骨相匹配的颅骨修复材料,而对比例2至6所得到的颅骨修复材料的孔径过大或过小,均不利于颅骨修复。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种颅骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:
(1)获取待修复颅骨的三维缺损模型,根据所述三维缺损模型确定与所述待修复颅骨匹配的钛网和模具;其中,所述钛网的厚度小于所述模具的厚度;
(2)将所述钛网置于放有羟基磷灰石乳液的所述模具中,然后依次进行冷冻干燥和烧结处理,得到包覆羟基磷灰石层的钛网;
(3)将所述包覆羟基磷灰石层的钛网置于矿化胶原溶液中,经冷冻干燥后得到包含矿化胶原的所述颅骨修复材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,
所述钛网的厚度为0.2~0.6mm;优选地,所述钛网的网孔孔径为1~2mm,且相邻网孔的间隔为2~3mm;和/或
所述模具的厚度与所述颅骨修复材料的厚度相同;优选地,所述颅骨修复材料的厚度为2~20mm;
更优选地,所述颅骨修复材料为长度为3~20cm、宽度为3~20cm的不规则形状。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,
所述羟基磷灰石乳液中包括羟基磷灰石、高聚物和有机溶剂;
所述高聚物为胶原、聚己内酯、聚乳酸或聚乳酸-羟基乙酸共聚物;
所述有机溶剂为1,4-二氧六环、氯仿、丙酮、二甲基亚砜中的至少一种;
优选地,所述羟基磷灰石乳液中所述高聚物的浓度为0.005~0.01g/mL,所述羟基磷灰石的质量分数为70~80%;
更优选地,所述羟基磷灰石的粒径为50~100μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤(2)中:
以所述钛网为骨架,采用所述羟基磷灰石乳液填充所述模具,得到颅骨修复预制体;对所述颅骨修复预制体依次进行冷冻干燥和烧结处理,得到包覆羟基磷灰石层的钛网;其中,所述钛网与所述模具匹配放置;
所述羟基磷灰石层为多孔结构。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,
所述羟基磷灰石层的孔隙率为70~80%,平均孔径大小为100~150μm;
优选地,所述多孔结构的孔道为表面孔道和内部孔道连接形成的通孔;所述通孔内部形成三维连通的网络空间;和/或,
所述颅骨修复材料包括填充有矿化胶原的羟基磷灰石层和钛网;所述填充有矿化胶原的羟基磷
灰石层作为诱导层包裹在所述钛网表面。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤(2)中:
所述冷冻干燥包括预冻阶段和升华阶段,各个阶段的工艺条件如下:
预冻阶段:目标温度为-60~-40℃,降温速率为2~4℃/min,恒温时长为3~6h;
升华阶段进行抽真空,真空度为-0.08~-0.1MPa,包括三个升温阶梯,分别为:
目标温度为-35~-30℃,升温速率为2~4℃/min,恒温时长为23~28h;
目标温度为0~3℃,升温速率为2~4℃/min,恒温时长为4~6h;
目标温度为10~25℃,升温速率为2~4℃/min,恒温时长为4~6h;
和/或,
所述烧结处理包括第一升温阶段、第二升温阶段和降温阶段,各个阶段的工艺条件如下:
第一升温阶段:目标温度为500~700℃,升温速率为5~10℃/min,恒温时长为30~60min;
第二升温阶段:目标温度为1200~1700℃,升温速率为10~20℃/min,恒温时长为300~400min;
降温阶段:目标温度为室温。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,
所述矿化胶原溶液中包括胶原、矿化胶原颗粒和水;
优选地,所述矿化胶原溶液中所述胶原的浓度为0.05~0.1g/mL,所述矿化胶原颗粒的质量分数为40~50%;
更优选地,所述矿化胶原颗粒的粒径为50~80μm。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤(3)中:
所述冷冻干燥包括预冻阶段和升华阶段,各个阶段的工艺条件如下:
预冻阶段:目标温度为-30~-20℃,降温速率为4~5℃/min,恒温时长为5~8h;
升华阶段进行抽真空,真空度为-0.08~-0.1MPa,包括四个升温阶梯,分别为:
目标温度为-15~-10℃,升温速率为2~3℃/min,恒温时长为23~30h;
目标温度为0~5℃,升温速率为2~3℃/min,恒温时长为4~6h;
目标温度为10~25℃,升温速率为2~3℃/min,恒温时长为4~6h;
目标温度为30~50℃,升温速率为2~3℃/min,恒温时长为4~6h。
9.一种颅骨修复材料,其特征在于,采用权利要求1至8中任一所述的制备方法制备得到。
10.根据权利要求9所述的颅骨修复材料,其特征在于,所述颅骨修复材料包括与待修复颅骨匹配的钛网、羟基磷灰石和矿化胶原;
所述羟基磷灰石和所述矿化胶原形成诱导层包裹在所述钛网表面;
所述颅骨修复材料中所述羟基磷灰石和所述矿化胶原的质量之比为(2~4):1。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116942911A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-10-27 | 北京科健生物技术有限公司 | 一种复合骨修复材料及其制备方法与应用 |
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CN115554467B (zh) | 2024-01-30 |
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