CN116212106A - 一种3d打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，属于生物医学工程技术。所述修复体包括致密结构、多孔结构以及内衬；所述致密结构用于仿骨密质，呈管状且表面设有滋养孔道；所述多孔结构用于仿骨松质，包括一种或多种子多孔结构；所述内衬用于放置髓内钉，呈管状且同轴设置在所述致密结构中，所述内衬通过直杆与所述致密结构相连。本发明通过致密结构和髓内钉增强修复体的力学强度，降低陶瓷断裂风险，利用多变的材料组合及多孔结构赋予修复体多重功能，可实现磷酸钙陶瓷多孔修复体在承力骨上的应用。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体。
背景技术
由肿瘤、创伤和骨质疏松等疾病导致的骨缺损已成为人类生活中常见的疾病，较小尺寸的骨缺损问题仅凭借人体自愈能力即可实现完好修复，而较大尺寸，尤其是超过临界尺寸的骨缺损修复仍是亟待解决的医学难题。骨移植成为解决骨缺损问题的主要方式。
骨移植包括自体骨移植、异体骨移植和人工骨移植三种。自体骨与患者具有良好的相容性，无不良反应，一度被认为是骨移植的“金标准”，但自体骨获取过程往往为患者带来二次损伤，对于体质较弱的患者而言有较大风险。相比之下异体骨移植来源更广，但具有免疫排斥和携带病原体的风险。由化学合成等方式合成原料，进一步制备成形的人工骨，具有来源广泛且无疾病传染风险等优点而备受青睐，但在生物相容性和生物功能性等方面仍需进一步提升。
多孔磷酸钙陶瓷因成分与天然骨矿物质相似而具有优异的骨诱导性，其多孔结构赋予陶瓷良好的骨传导性，因此被应用于骨缺损修复中。但传统方法制备的多孔陶瓷的力学性能普遍较差，多孔结构难以精确控制，从而限制其生物学性能和力学性能的提升。
3D打印技术，也称为增材制造技术，是近几年发展的新型制造技术，对成品的几何形状控制具有较强的控制能力，在制备多孔磷酸钙陶瓷方面具有较大优势。当前针对3D打印多孔陶瓷孔结构的生物学性能和力学性能有相当多的研究，但陶瓷本身的脆性使得制备出的多孔陶瓷容易发生断裂，大大限制其在承力骨部位的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，通过将其外部设计为仿骨密质的致密结构，增强修复体整体力学强度，通过将其内部设计为多孔结构，增强修复体的生物学性能，并通过在修复体内部预留髓内钉安装通道，使其与髓内钉配合使用，降低陶瓷断裂风险，解决当前多孔磷酸钙陶瓷在承力骨部位的应用局限性。
本发明的技术方案如下：
一种3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，包括致密结构、多孔结构以及内衬；
所述致密结构用于仿骨密质，呈管状且表面设有滋养孔道；
所述多孔结构用于仿骨松质，包括一种或多种子多孔结构；
所述内衬用于放置髓内钉，呈管状且同轴设置在所述致密结构中，所述内衬通过直杆与所述致密结构相连。
作为优选，所述子多孔结构选自金刚石结构、八面体结构、球形堆积结构和极小曲面结构。
作为优选，所述多孔结构的宏孔孔径为400μm-1000μm。
作为优选，所述多孔结构的孔隙率为40％-70％。
作为优选，所述修复体通过以下步骤制作而成：
S1：设计仿骨密质的管状致密结构，并在所述致密结构上切割出滋养孔道；
S2：设计与髓内钉尺寸匹配的管状结构，与所述致密结构同轴放置，作为髓内钉的内衬；
S3：在所述致密结构和所述内衬之间，设计内径与所述内衬匹配，外径与所述致密结构匹配的柱状结构，并将其重建为多孔结构；
S4：设计直杆，使所述致密结构与所述内衬通过所述直杆相连，获得修复体模型；
S5：将所述修复体模型输出为打印文件，配置陶瓷浆料，进行3D打印、烧结后即可获得所述修复体。
作为优选，步骤S4中，采用三维喷墨打印、选择性激光烧结、立体光固化成型、数字光处理中的任意一种或多种3D打印技术进行3D打印。
作为优选，步骤S4中，配置陶瓷浆料时，所述陶瓷浆料采用羟基磷灰石、磷酸三钙或双相磷酸钙进行配置。
本发明的有益效果是：
本发明通过设置致密结构和多孔结构仿照天然骨，重建骨松质与骨密质结构，通过骨密质结构增强磷酸钙陶瓷修复体的力学强度，并在其上设计滋养孔道，以便植入后营养物质和代谢废物运输；通过可控骨松质结构优化磷酸钙陶瓷修复体的生物学性能，促进磷酸钙陶瓷对骨缺损的修复；通过多结构与多成分的组合应用，赋予修复体多重功能；通过设计髓内钉内衬，使髓内钉和磷酸钙修复体配合使用，降低陶瓷修复体断裂风险，并防止髓内钉对多孔结构的破坏，内衬形状多样，适用于不同髓内钉产品。
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，下面描述中的附图仅仅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为本发明3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体的立体结构示意图；
图2为本发明3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体的剖面结构示意图；
图3为本发明一个具体实施例修复体的剖面结构示意图；
图4为本发明一个具体实施例修复体应用于股骨缺损修复中的结构示意图。
图中标号：1-致密结构、2-多孔结构、3-内衬、4-滋养孔道、5-直杆、6-促血管生成多孔结构、7-修复体、8-髓内钉。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
如图1-4所示，本发明提供一种3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，包括致密结构1、多孔结构2以及内衬3；
所述致密结构1用于仿骨密质，呈管状且表面设有滋养孔道4；
所述多孔结构2用于仿骨松质，包括一种或多种子多孔结构；
所述内衬3用于放置髓内钉8，呈管状且同轴设置在所述致密结构1中，所述内衬3通过直杆5与所述致密结构1相连。
在本实施例中，在致密结构1上设置所述滋养孔道4能够便于营养物质和代谢废物的运输。通过设置所述直杆5使所述致密结构1与所述内衬3相连，能够稳固内衬3位置，并防止安装过程髓内钉8对多孔结构2的破坏。
在一个具体的实施例中，所述子多孔结构选自金刚石结构、八面体结构、球形堆积结构和极小曲面结构，通过选择不同的子多孔结构及其组合，能够实现多重功能。可选地，所述多孔结构1的宏孔孔径为400μm-1000μm，所述多孔结构1的孔隙率为40％-70％。
在一个具体的实施例中，所述修复体7通过以下步骤制作而成：
S1：设计仿骨密质的管状致密结构1，并在所述致密结构1上切割出滋养孔道4；
S2：设计与髓内钉8尺寸匹配的管状结构，与所述致密结构1同轴放置，作为髓内钉8的内衬3；
S3：在所述致密结构1和所述内衬3之间，设计内径与所述内衬3匹配，外径与所述致密结构1匹配的柱状结构，并将其重建为多孔结构2；
S4：设计直杆5，使所述致密结构1与所述内衬3通过所述直杆5相连，获得修复体模型；
S5：将所述修复体模型输出为打印文件，配置陶瓷浆料，进行3D打印、烧结后即可获得所述修复体7。
在上述实施例中，设计各子部件的尺寸时，根据患者缺损部位的尺寸进行设计，所述致密结构1的厚度与自然骨密质厚度一致。步骤S2设计所述管状结构时，根据使用的髓内钉产品进行设计，不同的髓内钉产品其内衬的锥度或弯曲弧度不同，需要两者相互配合，以便髓内钉的安装和拆卸。
在一个具体的实施例中，采用三维喷墨打印、选择性激光烧结、立体光固化成型、数字光处理中的任意一种或多种3D打印技术进行3D打印。
在一个具体的实施例中，配置陶瓷浆料时，所述陶瓷浆料采用羟基磷灰石、磷酸三钙或双相磷酸钙进行配置。在本实施例中，使用不同的成分或多种成分，能够使修复体应用于不同部位，实现不同部位的多重功能。
在一个具体的实施例中，所述修复体7的直径为24mm；所述致密结构1的厚度为3mm，所述滋养孔道5的直径为3mm；所述多孔结构2的孔径为1000μm，所述多孔结构1的孔隙率为60％；所述内衬的直径为10mm，厚度为1mm。在本实施中，所述修复体7的整体力学强度在10MPa-50MPa之间，具有良好的支撑效果。
实施例1
本实施例中，提供一种应用于股骨缺损修复的3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，所述修复体7所使用的磷酸钙粉体为双相磷酸钙(HA:TCP＝2:8)，利用DLP打印技术实现陶瓷成形。其整体直径为24mm，整体高度为20mm，致密层厚度为3mm，表面分布有直径2mm的滋养孔道，髓内钉直径为10mm，髓内钉内衬厚度为1mm，多孔结构为孔径1000μm，孔隙率60％，其与髓内钉相互结合，应用于股骨缺损修复中，其中，髓内钉起辅助固定和分散受力的作用，保证磷酸钙多孔陶瓷不被破坏，多孔磷酸钙陶瓷致密结构用于增强磷酸钙陶瓷强度，其表面滋养孔道用于保障营养物质和代谢废物运输，多孔结构用于提升生物学性能，促进组织长入。
实施例2
本实施例中，提供一种应用于股骨缺损修复的3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，所述修复体所使用的磷酸钙粉体为不同比例的双相磷酸钙，其中，致密结构使用HA:TCP＝2:8的双相磷酸钙，多孔结构使用HA:TCP＝6:4的双相磷酸钙，内衬使用TCP粉体，利用DLP打印技术实现陶瓷成形，其整体直径为24mm，整体高度为20mm，致密层厚度为3mm，表面分布有直径2mm的滋养孔道，髓内钉直径为10mm，髓内钉内衬厚度为1mm，多孔结构为孔径1000μm，孔隙率60％。在本实施中，致密结构的降解速率较快，多孔结构的降解速率较慢，二者相互配合，消除结构带来的降解速度差异，保障新骨生成与材料降解相互匹配；内衬的降解较快，在陶瓷内部起促进血管生成的作用，解决临界骨缺损内部营养问题。
实施例3
本实施例中，提供一种应用于股骨缺损修复的3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，所述修复体所使用的磷酸钙粉体为双相磷酸钙(HA:TCP＝2:8)，用DLP打印技术实现陶瓷成形。其整体直径为24mm，整体高度为20mm，致密层厚度为3mm，表面分布有直径2mm的滋养孔道，髓内钉直径为10mm，髓内钉内衬厚度为1mm，其中，多孔结构在径1000μm，孔隙率60％的基础上，设计出更适合促血管生成的多孔结构穿插其中，形成促血管生成多孔结构6，便于保障血管的分布，保障临界骨缺损修复体内部的营养供给。
综上所述，本发明能够提供一种生物学性能优异，能在承力骨部位应用的修复体。与现有技术相比，本发明具有显著的进步。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，其特征在于，包括致密结构、多孔结构以及内衬；
所述致密结构用于仿骨密质，呈管状且表面设有滋养孔道；
所述多孔结构用于仿骨松质，包括一种或多种子多孔结构；
所述内衬用于放置髓内钉，呈管状且同轴设置在所述致密结构中，所述内衬通过直杆与所述致密结构相连。
2.根据权利要求1所述的3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，其特征在于，所述子多孔结构选自金刚石结构、八面体结构、球形堆积结构和极小曲面结构。
3.根据权利要求1所述的3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，其特征在于，所述多孔结构的宏孔孔径为400μm-1000μm。
4.根据权利要求1所述的3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，其特征在于，所述多孔结构的孔隙率为40％-70％。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，其特征在于，所述修复体通过以下步骤制作而成：
S1：设计仿骨密质的管状致密结构，并在所述致密结构上切割出滋养孔道；
S2：设计与髓内钉尺寸匹配的管状结构，与所述致密结构同轴放置，作为髓内钉的内衬；
S3：在所述致密结构和所述内衬之间，设计内径与所述内衬匹配，外径与所述致密结构匹配的柱状结构，并将其重建为多孔结构；
S4：设计直杆，使所述致密结构与所述内衬通过所述直杆相连，获得修复体模型；
S5：将所述修复体模型输出为打印文件，配置陶瓷浆料，进行3D打印、烧结后即可获得所述修复体。
6.根据权利要求5所述的3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，其特征在于，步骤S4中，采用三维喷墨打印、选择性激光烧结、立体光固化成型、数字光处理中的任意一种或多种3D打印技术进行3D打印。
7.根据权利要求5所述的3D打印仿骨结构磷酸钙陶瓷多孔修复体，其特征在于，步骤S4中，配置陶瓷浆料时，所述陶瓷浆料采用羟基磷灰石、磷酸三钙或双相磷酸钙进行配置。
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