CN115959928B - 一种股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒及其制备方法和应用，属于医疗器械技术领域。本发明采用3D打印技术制备有机微球三维多孔模板，形成所需微结构、形态和尺寸的有机构架，经灌浆和烧结形成相应结构的多孔生物陶瓷棒。通过精准控制所述有机构架的有机微球粒径、粘结方法和打印方法等关键参数，改变单元模板中有机微球接触点数和面积，实现所述陶瓷棒的孔隙、孔径和内连接径可控制造，而且通过3D打印软件设置能精准调控陶瓷棒的形态和尺寸。本发明所制备的多孔生物陶瓷棒能在股骨粗隆与股骨头坏死区之间架起引血桥梁，使得二者各自独立的血运系统融为一体，促使坏死股骨头的血运重建和新骨形成。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒及其制备方法和应用。
背景技术
股骨头缺血性坏死是多种原因造成股骨头血液循环障碍，因静脉回流受阻引发动脉灌注不足，形成骨内高压和骨骼坏死，最终关节损毁。目前患者激增，酒精性和激素性股骨头坏死高达90％。多发于中青年，可累及多关节，一旦确诊如不采取积极有效措施，超过80％的患者在1至4年内发生股骨头塌陷和功能损毁，不得不行人工关节置换。
目前，股骨头坏死的治疗方法很多，包括髓芯减压、打压植骨、腓骨或钽棒植入，但各有侧重。单纯随芯减压是治疗早期骨坏死的最常用方法，能减轻内高压和缓解症状；但死骨未清除，无法改善血供和阻止病程发展，仅适用于I期和II早期病例。髓芯减压结合打压植骨和腓骨移植的结构支撑，防止股骨头在修复期塌陷。血管化骨移植期望成活骨的植入来重建血供，带血管蒂的腓骨移植疗效已被证实，但手术大、创伤重和并发症多。多孔钽棒植入具有引导骨再生及降低应力遮挡的特点，对将要塌陷的股骨头有很好的支撑，能推迟髋关节置换时间。截骨手术是将负重坏死区至非负重区，代之已有正常骨结构部承载负荷；但截骨术创伤较大、二次塌陷发生率高，以及失败后给人工关节置换术带来困难。上述治疗方法以减压缓痛和支撑防塌为主，缺乏对血管再生提供所需三维空间结构的认识和理论支持，无法达到预期目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒及其制备方法和应用，所制备的多孔生物陶瓷棒能在股骨粗隆与股骨头坏死区之间架起引血桥梁，使得二者各自独立的血运系统融为一体，促使坏死股骨头的血运重建和新骨形成。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒的制备方法，包括以下步骤：
将有机微球进行粘结预处理，得到含粘结层的有机微球；
将所述含粘结层的有机微球进行3D打印，得到所需特定结构的有机构架；
将陶瓷粉料和液体介质配制成陶瓷浆液，将所述陶瓷浆液灌注于所述有机构架中，依次进行脱模和干燥后，得到陶瓷坯体；
将所述陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒。
优选的，所述有机微球包括食糖、石蜡、油脂和塑料中的至少一种；所述塑料包括聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚氨酯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；
所述有机微球的粒径为50～1000μm。
优选的，所述粘结预处理的方法包括加热熔融、溶剂溶解或胶水涂层；
所述加热的目标温度为40～600℃，所述加热的升温速率为1℃/s～1℃/h，所述加热的时间为1s～24h，达到所述目标温度后进行降温，所述降温的速率为0.1～100℃/s；所述加热所形成的熔融层的厚度为所述有机微球直径的0.01％～50％；
所述溶剂包括水、丙酮、酒精和氯仿中的至少一种，所述溶剂的浓度为1～100wt％；所述溶剂溶解的温度为-50～120℃，时间为0.1s～10h；所述溶剂溶解所形成的溶解层的厚度为所述有机微球直径的0.01～50％；
所述胶水涂层所用胶水包括瞬干胶401、406、495和496中的至少一种；所述胶水涂层的粘结温度为-50～120℃，粘结时间为0.1s～10h；所述胶水涂层的厚度为1～500μm。
优选的，所述3D打印的方法为分层叠加增材制造，每叠加层的厚度至少为一个所述有机微球的直径，所述有机微球的叠加层数＝有机构架高度/有机微球直径。
优选的，所述陶瓷粉料包括羟基磷灰石、磷酸三钙、硅酸钙、碳酸钙、氧化铝、氧化锆、二氧化钛和铝镁尖晶石中的至少一种；所述陶瓷粉料的质量占所述陶瓷浆液的40～90wt％。
优选的，所述液体介质包括纯水、蒸馏水和酒精中的至少一种，所述液体介质的质量占所述陶瓷浆液的10～60wt％。
优选的，所述排胶的温度为200～600℃，时间为12～48h；所述烧结的温度为600～1600℃，时间为2～10h。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒。
优选的，陶瓷棒的形态为直形棒状体或锥形棒状体，陶瓷棒的内部为均一结构或至少含有一个中空管；陶瓷棒和所述中空管的截面形状为圆形、椭圆形、方形、长方形和三角形中的至少一种；陶瓷棒的直径和长宽独立为3～30mm，高度为6～200mm。
本发明提供了上述技术方案所述股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒在制备股骨头坏死功能重建材料中的应用。
本发明提供了一种股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒的制备方法，包括以下步骤：将有机微球进行粘结预处理，得到含粘结层的有机微球；将所述含粘结层的有机微球进行3D打印，得到所需特定结构的有机构架；将陶瓷粉料和液体介质配制成陶瓷浆液，将所述陶瓷浆液灌注于所述有机构架中，依次进行脱模和干燥后，得到陶瓷坯体；将所述陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒。
本发明采用3D打印技术制备有机多孔模板，形成所需微结构、形态和尺寸的有机构架，经灌浆和烧结形成相应结构的多孔生物陶瓷棒，能够通过精准控制所述有机构架的有机微球粒径、粘结方法和打印方法(热打、冷打、改变角度或速度)等关键参数，改变单元模板(指有机微球堆积形成的模板，用于造孔和内连接的形成)中有机微球接触点数和面积，实现所述陶瓷棒的孔隙、孔径和内连接径可控制造(陶瓷棒的内部微结构能够引导血管和骨组织再生，实现死骨替代)，而且通过3D打印软件设置能精准调控陶瓷棒的形态和尺寸。本发明所制备的多孔生物陶瓷棒能在股骨粗隆与股骨头坏死区之间架起引血桥梁，使得二者各自独立的血运系统融为一体，促使坏死股骨头的血运重建和新骨形成。
与传统生物陶瓷微结构相比，本发明制备的多孔陶瓷生物棒的球孔曲面为细胞提供更大更适宜的栖宿环境，内连接迫使细胞即时减速有利于细胞贴附，形成的流体剪切力促进细胞增殖和分化。而且陶瓷棒的孔隙率影响力学强度，微孔影响蛋白吸附和材料降解，内连接影响血管化和组织再生。本发明的多孔生物陶瓷棒的微结构能直接影响新生血管根数、管径及分布，内连接发挥着决定性作用。本发明制备的多孔生物陶瓷棒的互通性球形立体空间能够促进血管形成和骨再生，为所述股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒的仿生设计制造提供了理论依据。
与传统股骨头坏死治疗技术相比，本发明通过潜行刮刀有效清除股骨头内死骨，打破阻碍血管长入的硬化骨屏障，为血管长入和骨再生提供三维修复空间。将陶瓷颗粒(多孔陶瓷颗粒和密质陶瓷颗粒)通过植骨器植入死骨清除腔，采用打压方式在陶瓷颗粒中形成通道，最后通过植骨器的工作通道植入陶瓷棒。将手术中回收的自体骨泥和骨髓液与固定配比的额外填入的多孔陶瓷颗粒和密质陶瓷颗粒混合打压填充清除腔，充分发挥内源活性物的骨诱导、多孔陶瓷的骨引导及密质陶瓷的骨支撑所形成的叠加效应，实现促进骨再生和防止股骨头塌陷。通过所述陶瓷棒在股骨粗隆与股骨头坏死区之间建立引血桥梁，使得二者各自独立血运系统融为一体，重建坏死区血液循环，随新骨增加而逐步完善生物支撑。本发明的多孔生物陶瓷棒将传统的保头治疗发展到更为积极的股骨头复活“救头”目标，避免患者致残或人工关节置换。
附图说明
图1为本发明的股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒制备方法流程图；
图2为本发明的股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒种类示意图；
图3为本发明的股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒制备示意图；
图4为本发明的股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒治疗机理示意图；
图5为本发明的多孔生物陶瓷棒内血管生长规律研究结果图；
图6为本发明的股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒手术步骤示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒的制备方法，包括以下步骤：
将有机微球进行粘结预处理，得到含粘结层的有机微球；
将所述含粘结层的有机微球进行3D打印，得到所需特定结构的有机构架；
将陶瓷粉料和液体介质配制成陶瓷浆液，将所述陶瓷浆液灌注于所述有机构架中，依次进行脱模和干燥后，得到陶瓷坯体；
将所述陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料或试剂均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将有机微球进行粘结预处理，得到含粘结层的有机微球。
在本发明中，所述有机微球优选包括食糖、石蜡、油脂和塑料中的至少一种；所述塑料优选包括聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚氨酯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；当所述有机微球为上述中两种以上时，本发明对不同种类有机微球的配比没有特殊的限定，根据实际需求调整即可。本发明所用微球能经物理和/或化学方法堆积粘合成形，且经高温处理无残留物。
在本发明中，所述有机微球的直径优选为50～1000μm，更优选为400～500μm。本发明优选通过震筛或/和洗筛方法选择所需粒径；通过所述粒径决定陶瓷棒的孔径大小和孔隙率。
在本发明中，所述粘结预处理的方法优选包括加热熔融、溶剂溶解或胶水涂层。
在本发明中，所述加热的目标温度优选为40～600℃，更优选为160℃；所述加热的升温速率优选为1℃/s～1℃/h，所述加热的时间优选为1s～24h，达到所述目标温度后进行降温，所述降温的速率优选为0.1～100℃/s；所述加热所形成的熔融层的厚度优选为所述有机微球直径的0.01％～50％，更优选为1％。所述熔融层的厚度决定所述有机微球间接触面的大小，本发明通过加热温度、升温速率、加热时间和降温速率的精确调控改变所述微球熔融层的厚度和粘结面的大小，实现内连接径可控制造。
本发明通过对有机微球进行加热，使有机微球表层形成熔融层，使得所述微球相互粘结，通过吹冷风或/和冲冷水降温终止所述加热使得所述有机微球被牢固地粘合固定。
本发明优选将所述有机微球溶解于溶剂，在有机微球表层形成溶解层，使有机微球相互粘结，采用吹风或/和冲洗去除或稀释剩余所述溶剂终止所述溶解，使得所述有机微球被牢固地粘合固定。
在本发明中，所述溶剂优选包括水、丙酮、酒精和氯仿中的至少一种，所述溶剂的浓度优选为1～100wt％(包括纯溶剂或纯水)，本发明优选采用水配制所需不同浓度的溶剂；当所述溶剂为上述中几种时，本发明对不同种类溶剂的配比没有特殊的限定，根据实际需求调整即可。
在本发明中，所述溶剂溶解的温度优选为-50℃～120℃，所述溶剂溶解的时间优选为0.1s～10h；所述溶剂溶解所形成的溶解层的厚度优选为所述有机微球直径的0.01～50％，所述溶解层的厚度决定所述有机微球间接触面的大小，本发明通过溶剂种类、浓度及溶解温度和时间的精确调控改变所述微球溶解层的厚度和粘结面的大小，实现内连接径的可控制造。
本发明优选采用胶水涂层所述有机微球，使其形成胶水层为有机微球相互粘结奠定基础，通过快速升温加速胶水固化，形成所述有机微球粘合体。在本发明中，所述胶水涂层所用胶水优选包括瞬干胶401、406、495和496中的至少一种；所述胶水涂层的粘结温度优选为-50～120℃，粘结时间优选为0.1s～10h；所述胶水的浓度优选为1～100wt％；所述胶水涂层的厚度优选为1～500μm。
本发明所述胶水的涂层厚度决定所述微球间接触面的大小，本发明通过所述胶水种类、浓度及粘结温度和时间精确调控改变有机微球的粘结面大小，实现内连接径的可控制造。
本发明优选在3D打印所用设备的储物器或所述喷头内进行所述预处理，保证所述有机微球落入所述3D打印设备的载物台时，有机微球表层处于可粘结状态，即所述熔融层、溶解层或胶水层未固化。
得到含粘结层有机微球后，本发明将所述含粘结层有机微球进行3D打印，得到所需特定结构的有机构架。
在本发明中，所述3D打印优选在3D打印设备进行，本发明对所述3D打印设备没有特殊的限定，本领域熟知的3D打印设备(至少有一个喷头，可以单一或多个喷头同时作业)均可。
在本发明中，所述3D打印的方法优选为分层叠加增材制造，每叠加层的厚度至少为一个所述有机微球的直径；或者多个有机微球直径的厚度；本发明根据陶瓷棒的高度和所述有机微球的直径决定叠加层数，所述有机微球的叠加层数＝有机构架高度/有机微球直径。
本发明优选将粘结层未固化的有机微球定量、定速和定向分层堆积喷入3D打印设备的载物台，使所述微球粘结固定成3D结构的有机构架。
在本发明中，所述定量代表单位时间内喷头喷出的有机微球数量，所述定量的速率为1～100个/秒，更优选为10个/秒；定量直接影响有机构架的制作速度。
在本发明中，所述定速代表有机微球从喷头喷出的速度，是有机微球所载的动能，能改变载能有机微球与载物台的物体接触时的压力，而压力改变有机微球间接触面的大小，直接影响内连接径。在本发明中，所述定速优选为1mm/s～1000m/s，更优选为1m/s。
在本发明中，所述定向代表有机微球从所述喷头喷出的方向，优选包括垂直、平射和斜射中的至少一种。本发明通过喷头或所述载物台的单向和多向位移实现所述定向。本发明对所述位移的速度没有特殊的限定，根据实际需求调整即可；在本发明的实施例中，载物台纵向和横向位移速度均为0.5μm/秒；载物台纵向和横向位移幅度为400～12mm。
为实现多孔生物陶瓷棒形态、尺寸和微结构的精准制造，本发明考虑到所述微球溶解和熔融损失的球径、裹胶层增加的球径、烧结造成的陶瓷收缩等因素造成所述多孔生物陶瓷棒的尺寸和结构改变，因此本发明优选根据所述有机微球和陶瓷粉体的材质增减相应的余量，本发明对所述余量的范围没有特殊的限定，根据实际情况确认即可；所述余量更优选为0～40％。
在本发明中，由于有机构架的尺寸决定所需陶瓷棒的尺寸，本发明在所述有机构架制备过程中考虑余量因素，其计算方法优选为：有机构架尺寸＝陶瓷棒尺寸/(1-余量)。
本发明对所述3D打印的具体参数没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程设置打印参数打印所需结构的有机构架即可。
得到所需特定结构的有机构架后，本发明将陶瓷粉料和液体介质配制成陶瓷浆液，将所述陶瓷浆液灌注于所述有机构架中，依次进行脱模和干燥后，得到陶瓷坯体。
在本发明中，所述陶瓷粉料优选包括羟基磷灰石、磷酸三钙、硅酸钙、碳酸钙、氧化铝、氧化锆、二氧化钛和铝镁尖晶石中的至少一种；所述陶瓷粉料的质量优选占所述陶瓷浆液的40～90wt％，更优选为71wt％。当所述陶瓷粉料为上述中两种以上时，本发明对不同种类陶瓷粉料的配比没有特殊的限定，根据实际需求调整即可。
在本发明中，所述液体介质优选包括纯水、蒸馏水和酒精中的至少一种，所述液体介质的质量占所述陶瓷浆液的10～60wt％，更优选为28.6wt％。当所述液体介质为上述中两种以上时，本发明对不同种类液体介质的配比没有特殊的限定，根据实际需求调整即可。
在本发明中，所述陶瓷粉料和液体介质混合的方式优选为机械搅拌、碾磨混合和超声分散中的至少一种；所述混合的时间优选为0.5～48h，更优选为4h；本发明对所述混合的其他条件没有特殊的限定，按照本领域熟知的方式将物料混合均匀即可；本发明通过混合使所述液体介质完全覆盖所有陶瓷粉粒的表面，形成陶瓷浆液。
在本发明中，所述有机微球与陶瓷浆液的质量比(球浆比)优选为1:(0.01～100)，更优选为1:1.4。
本发明优选将有机构架装入模具后，注入所述陶瓷浆液，直至整个有机构架被所述陶瓷浆液的粉料完全填满，依次进行脱模和干燥，得到陶瓷坯体。在本发明中，所述干燥的温度优选为25～90℃，更优选为70℃；时间优选为6～72h，更优选为24h。
在本发明中，所述模具用于灌浆陶瓷浆液制备陶瓷坯体，所述模具优选包括金属、玻璃、塑料或石膏；本发明对所述金属、玻璃、塑料或石膏的具体种类没有特殊的限定，本领域熟知的对应材质即可。
得到陶瓷坯体后，本发明将所述陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到多孔生物陶瓷棒。在本发明中，所述排胶的温度优选为200～600℃，时间优选为12～48h；所述烧结的温度优选为600～1600℃，时间优选为2～10h。本发明通过排胶去除陶瓷坯体的有机物，通过烧结使陶瓷粉粒粘结为一体形成陶瓷棒。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒。
在本发明中，陶瓷棒的形态优选为直形棒状体或锥形棒状体，陶瓷棒的内部优选为均一结构或含有至少一个中空管；陶瓷棒和所述中空管的截面形状优选为圆形、椭圆形、方形、长方形和三角形中的至少一种。
在本发明中，所述陶瓷棒的直径和长宽独立优选为3～30mm，高度优选为6～200mm。
在本发明中，所述陶瓷棒优选包含至少一种陶瓷相成分，具有微观多孔结构或致密结构(图2从左至右显示的第一个为完全多孔陶瓷棒，第二个为加有3个密质小圆柱(黑色)的多孔陶瓷棒，第三个为带有1个中空管(白色)的多孔陶瓷棒。有机构架有中空管时，灌入浆液烧结即可形成密质陶瓷。有机构架有中空管填入可气化物再灌浆，烧结即可形成中空管)。
在本发明中，所述陶瓷棒的中空管为部分或/和完全贯通的管道，所述中空管的直径和长宽独立优选为0.1～10mm。
在本发明中，所述陶瓷棒的孔隙率优选为0～90％，孔径优选为50～1000μm，内连接径优选为5～300μm；所述内连接径为孔与孔之间的连接径的尺寸。
图3为本发明的股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒制备示意图，本发明筛分所需直径的有机微球和表面预处理，通过3D打印将有机微球粘结形成有机构架，将陶瓷浆料灌入有机构架的缝隙中形成陶瓷坯体，经过排胶和烧结得到多孔生物陶瓷棒。
本发明提供了上述技术方案所述股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒在制备股骨头坏死功能重建材料中的应用。
本发明开发陶瓷棒架桥引血技术治疗股骨头坏死(图4)，通过潜行刮刀有效清除股骨头内死骨，打破阻碍血管长入的硬化骨屏障，为血管长入和骨再生提供三维修复空间。手术中回收的自体骨泥和骨髓液与固定配比的额外填入的多孔陶瓷颗粒和密质陶瓷颗粒混合打压填充清除腔，充分发挥内源活性物的骨诱导、多孔陶瓷的骨引导及密质陶瓷的骨支撑所形成的叠加效应，实现促进骨再生和防止股骨头塌陷，通过本发明所述多孔生物陶瓷棒将股骨粗隆丰富的血运引入股骨头坏死区重建血运和形成新骨，随新骨增加而逐步完善生物支撑，达到救头目标。在本发明中，所述多孔陶瓷颗粒与密质陶瓷颗粒的质量比优选为1：2，粒径独立优选为1～3mm，成分与所述多孔生物陶瓷棒相同。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
实施例1
本实施例制备磷酸三钙多孔生物陶瓷棒，直径为10mm和高度为80mm的圆柱体。
步骤S1，有机构架制备原料和预处理：通过震筛法选择100g直径为400～500μm的聚甲基丙烯酸甲酯微球，装入3D打印机的储料罐，以1℃/秒的升温速率加温至160℃，使所述微球表面形成厚度4μm的熔融层；
所述熔融层的形成损失2％所述微球直径，磷酸三钙粉体烧结收缩率为18％，共计所需增加余量为20％，实际有机构架的直径为12.5mm，高度为100mm；
有机构架高度(mm)＝陶瓷棒高度/(1-增加余量)；
步骤S2，3D打印有机多孔构架；设置3D打印机的输物管道和喷头的温度为160℃，每个喷头的微球喷出量为10个/秒，喷出速度为1m/s，3D打印机的载物台纵向和横向位移速度为0.5μm/秒。采用单喷头垂直喷射分层叠加所述微球的增材制造方法制备有机构架，所述载物台纵向和横向位移幅度为400～12mm，所述微球的叠加层数为200～250层。采用-25℃冷风吹入使得落入所述载物台的微球的熔融层快速凝固，实现微球间粘结，直至形成所述有机构架。
微球叠加层数＝有机构架高度/微球直径；
步骤S3，有机构架灌浆制备陶瓷坯体：采用100g磷酸三钙粉体和40g无水乙醇，通过碾磨混合4h得到陶瓷浆料；将所述有机构架放置于与其匹配的石膏模具中注入所述陶瓷浆料，待所述陶瓷浆料中的粉体完全填满所述有机构架的缝隙，所述陶瓷浆料完全凝固后脱模，经70℃烘干24h，得到陶瓷坯体。
步骤S4，坯体排胶和烧结形成陶瓷棒：将所述陶瓷坯体在排胶炉中经升温到300℃气化排胶12h，然后经1100℃烧结4h，得到所述陶瓷棒。
测试例1
采用实施例1制作的磷酸三钙多孔陶瓷棒进行尺寸和微结构的检测：
结果表明，所制备的陶瓷棒为圆柱形、无缺损、无杂质、呈白色，直径为10±0.1mm，高为80±0.5mm；孔隙率为64％±5％，孔径为400±50μm，内连接径为100±20μm，完全达到预期目标。
测试例2
采用实施例1制作的磷酸三钙多孔陶瓷棒进行材料微结构的生物学研究：
通过动态高速摄影示踪技术对人体骨髓干细胞在多孔结构内运动轨迹研究，发现材料的球孔曲面为细胞提供更大更适宜的栖宿环境，材料内连接迫使细胞即时减速有利于细胞贴附，形成的流体剪切力促进细胞增殖和分化。
通过陶瓷微结构对理化性能、细胞行为和生物效应的研究，证实了材料的孔隙率影响力学强度，微孔(<10μm)影响蛋白吸附和材料降解，内连接影响血管化和组织再生。
通过植入家兔4周后陶瓷内血管完全长入，24周成骨率达61％±12％和材料降解57％±17％。发现内连接径50μm仅形成不具备正常结构和功能的类骨样组织和类软骨样组织或纤维骨，只有内连接径50μm才形成具有完善功能的矿化板层骨，完成骨修复，证明材料内连接对成骨发挥着重要作用。
通过材料血管化研究发现了多孔结构内血管非均性生长规律，种植后首个4周血管根数增加为主，后4周管径变粗为主，再4周根数再次增加，而且血管能潜行生长直至盲端，平均生长60μm/天。材料微结构能直接影响新生血管根数、管径及分布，内连接发挥着决定性作用(图5)。
上述结果证实了互通性球形立体空间能够促进血管和骨再生，确立了孔径400±50μm、内连接径100±20μm和孔隙率64％±5％为陶瓷微结构的优化组合，既确保所需力学强度又充分发挥生物效应，为股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒的临床应用奠定了基础。
实际病例
17岁女性由于外伤造成股骨头坏死，采用实施例1制备的陶瓷棒通过手术方法植入治疗部位，实现治疗目标，手术步骤示意图如图6所示。
患者在硬膜外麻醉下仰卧位，髋部常规消毒和铺巾。从股骨大粗隆下20mm向耻骨联合与髂前上棘的中点进针，直至股骨头的骨软骨下5mm。沿导针横向切开12mm至骨，依次插入保护套芯及套筒，撤出套芯。沿导针转入φ12mm空芯钻至骨软骨下5mm，每进20mm正转慢速回撤收集骨泥和骨髓液，透视确认位置后撤出钻头和导针。将潜行刮刀送达通道底部，推压下顺时旋动控刀柄逐步展开刀片，随后顺时转动旋刀柄刮除死骨，透视确认达标后，收拢刀片，撤出刮刀。插入植骨器至清除腔口，插入导尿管加压冲洗清除死骨屑。骨泥加入10mL骨髓液搅拌成浆，再与陶瓷颗粒混匀，通过植骨器的漏斗将混匀的陶瓷颗粒分批植入清除腔，全部植入后打压之实音为止。最后通过植骨器植入陶瓷棒，透视确认位置后撤出植骨器，清洗和缝合切口。
该手术的切口为1.2厘米，出血60毫升左右，手术时间35分钟。术后次日患者下地活动，1年后关节完全恢复正常功能，并能参加体育活动。随访7年未出现临床症状和股骨头塌陷，关节功能满意完全达到了股骨头坏死的治愈目标。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将有机微球进行粘结预处理，得到含粘结层的有机微球；
将所述含粘结层的有机微球进行3D打印，得到所需特定结构的有机构架；
将陶瓷粉料和液体介质配制成陶瓷浆液，将所述陶瓷浆液灌注于所述有机构架中，依次进行脱模和干燥后，得到陶瓷坯体；
将所述陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒；
所述粘结预处理的方法为加热熔融；
所述加热的目标温度为160℃，所述加热的升温速率为1℃/s~1℃/h，所述加热的时间为1s~24 h，达到所述目标温度后进行降温，所述降温的速率为0.1~100℃/s；所述加热所形成的熔融层厚度为所述有机微球直径的1%；
所述有机微球直径为400~500μm；
所述3D打印的方法为将所述含粘结层的有机微球通过分层叠加增材制造，每叠加层的厚度至少为一个所述有机微球的直径，所述有机微球的叠加层数＝有机构架高度/有机微球直径，包括如下步骤：
将所述含粘结层未固化的有机微球定量、定速和定向分层堆积喷入3D打印设备的载物台，使所述有机微球粘结固定成3D结构的有机构架；
所述定量的速率为1~100个微球/s，定速为1mm/s~1000m/s；所述定向包括垂直、平射和斜射中的至少一种，载物台纵向和横向位移速度均为0.5μm/s，载物台纵向和横向位移幅度为400~12 mm；
采用-25℃冷风吹入使得落入所述载物台的微球的熔融层快速凝固，实现微球间粘结；
所述有机微球为聚甲基丙烯酸甲酯；
在3D打印所用设备的储物器或喷头内进行预处理，保证所述有机微球落入所述3D打印设备的载物台时，有机微球表层处于可粘结状态。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉料包括羟基磷灰石、磷酸三钙、硅酸钙、碳酸钙、氧化铝、氧化锆、二氧化钛和铝镁尖晶石中的至少一种；所述陶瓷粉料占所述陶瓷浆液的40~90wt%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液体介质包括纯水、蒸馏水和酒精中的至少一种，所述液体介质占所述陶瓷浆液的10~60wt%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述排胶的温度为200~600℃，时间为12~48h；所述烧结的温度为600~1600℃，时间为2~10h。
5.权利要求1~4任一项所述制备方法制备得到的股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒。
6.权利要求5所述股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒在制备股骨头坏死功能重建材料中的应用。
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|---|---|---|---|
| CN202310051056.9A CN115959928B (zh) | 2023-02-02 | 2023-02-02 | 一种股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒及其制备方法和应用 |
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| CN202310051056.9A CN115959928B (zh) | 2023-02-02 | 2023-02-02 | 一种股骨头坏死功能重建多孔生物陶瓷棒及其制备方法和应用 |
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| 宋健.磷酸三钙多孔生物陶瓷棒在早期股骨头无菌性坏死中的应用.《牡丹江医学院学报》.2017,第38卷(第1期),第85-86页. * |
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