CN118320174A - 一种3d打印仿生多孔微球骨修复支架及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印仿生多孔微球骨修复支架及其制备方法，所述骨修复支架为仿生多孔结构，采用陶瓷材质，其外部轮廓为圆球形。本发明的骨修复支架具备可注射性能、优异的骨修复性能，并且结构参数可根据骨缺损情况进行定制，可用于临床微创骨缺损修复。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械、骨修复材料、3D打印的技术领域，尤其是指一种3D打印仿生多孔微球骨修复支架及其制备方法。
背景技术
目前针对骨缺损的常用治疗方法为骨移植术，常见的骨移植手术由于传统骨修复支架与骨缺损处尺寸一致，导致传统骨修复支架具有较大的尺寸，通常需要通过手术开启较大的创面放入骨修复支架，手术带来的二次创伤不仅会进一步伤害患者，还有术后感染的风险；此外，传统骨修复支架难以完全填充形状不规则的骨缺损部位，可能导致支架的破损，支架破损形成的碎片大小不一，较小的碎片可能随体液流向身体其他部位，产生不良后果。受限于制备工艺，传统制造方法制造的颗粒状或微球状的生物陶瓷骨修复支架大多为不规则实心或多孔微球，微球的外部尺寸和内部多孔结构无法精准调控，随机的外部尺寸和内部多孔结构极大影响了骨修复支架的性能，并且不同操作者制备的不同批次的骨修复支架均有所差异，难以保证骨修复支架的性能统一，因此骨修复支架的骨修复效率仍有提高的空间。
光固化3D打印技术，是近年快速发展的新型材料成型技术，常见的光固化3D打印技术有立体光刻打印，数字光处理打印，液晶显示打印，双光子打印。相比传统制造技术，光固化3D打印技术最大优点是可以稳定地制造出具有高精度的复杂三维结构，并且精准控制结构的宏观结构参数，从而提高骨修复物的性能和稳定性。近年来，仿生结构设计已经受到了广泛的研究，并且在多个领域提高了材料的性能。骨修复材料领域中，接近天然骨小梁表面曲率的负高斯曲率仿生设计已被证明可以有效促进骨髓间充质干细胞的增值和分化。本发明根据天然骨小梁的结构特点，设计了一种仿生多孔微球骨修复支架，通过光固化3D打印技术制备得到。该骨修复支架同时具备可注射性和优异的骨修复性能，在骨修复领域具有巨大的应用潜力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供了一种3D打印仿生多孔微球骨修复支架及其制备方法，该骨修复支架具有可注射性能、优异的骨修复性能，并且结构参数可根据骨缺损情况进行定制，满足不同骨缺损处的骨修复需求。3D打印仿生多孔微球骨修复支架可以作为新型人造骨移植物，用于临床上股骨、颅骨、颌骨、胫骨、牙槽骨等部位骨缺损的修复。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种3D打印仿生多孔微球骨修复支架，所述骨修复支架为仿生多孔结构，采用陶瓷材质，其外部轮廓为圆球形。
优选的，所述骨修复支架的直径为1-3mm。
优选的，所述仿生多孔结构使用双曲面结构。
优选的，所述仿生多孔结构的孔隙率为20％-80％。
优选的，所述仿生多孔结构的宏观平均孔径为100-1200μm。
优选的，所述仿生多孔结构的孔壁厚度为100-500μm。
本发明也提供了上述3D打印仿生多孔微球骨修复支架的制备方法，包括以下步骤：
S1：根据骨缺损处的部位和骨小梁的孔隙率、平均孔径参数确定骨修复支架的直径、孔隙率和平均孔径；
S2：绘制出具有相应孔隙率和平均孔径的双曲面模型，并根据直径绘制出骨修复支架的三维模型；
S3：将三维模型导出为打印文件，配置光固化陶瓷浆料，经过光固化3D打印、脱脂、烧结后得到所需的骨修复支架。
优选的，在步骤S3中，采用三维喷墨打印、选择性激光烧结、立体光固化、数字光处理和双光子打印中的任意一种或多种光固化3D打印技术进行制备。
优选的，在步骤S3中，所述陶瓷浆料中的陶瓷粉末为羟基磷灰石、磷酸三钙和双相磷酸钙中的一种。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明的骨修复支架具有较小且可控的外部尺寸，可通过注射的方式填充骨缺损部位，可以很好地适配骨缺损的形状，有利于减小手术创面，相比与形状不规则的颗粒状骨修复材料，3D打印的微球状骨修复支架由引发免疫排斥反应的可能性更低，加快骨缺损修复速度。
2、仿生多孔结构使用双曲面结构，具有与天然松质骨结构相近的优点，包括高度连通的孔结构、高比表面积、与天然松质骨相似的平均曲率和孔隙率，并且该多孔结构同时具有负高斯曲率的特点，有利于引导新生骨组织长入，提高骨修复支架的骨修复性能。
3、与传统制造技术相比，光固化3D打印技术制造的骨修复支架，结构参数可调范围大、可精准调节、重复性好、不依赖操作者熟练度，可以根据实际需要针对不同的骨缺损部位进行定制。
附图说明
图1为实施例1的骨修复支架模型图。
图2为实施例1的micro-CT照片；图中，白色部分为支架，与支架接触的灰色部分为新生骨。
图3为实施例2的骨修复支架模型图。
图4为实施例3的骨修复支架模型图。
图5为实施例4的骨修复支架模型图。
图6为实施例5的骨修复支架模型图。
图7为对比例1的骨修复支架模型图。
图8为对比例2的骨修复支架模型图。
图中标号：1-骨修复支架、2-双曲面结构。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例公开了一种3D打印仿生多孔微球骨修复支架，所述骨修复支架1为仿生多孔结构，在本实施例具体双曲面结构2，其外部轮廓为圆球形，所使用的材料为磷酸三钙陶瓷。构建双曲面结构2，由表2中的公式确定。使用立体光刻打印技术制备出骨修复支架的生坯，经过脱脂、烧结后得到所需的骨修复支架。骨修复支架的直径为1.5mm，孔隙率为60％，平均孔径为550μm，孔壁厚度为200μm。将骨修复支架植入到兔子的股骨缺损12周后，成骨量达到25％。
实施例2
如图3所示，本实施例中，所述骨修复支架所使用的材料为磷酸三钙陶瓷。构建骨修复支架的双曲面结构，由表2中的公式确定。使用立体光刻打印技术制备出骨修复支架的生坯，经过脱脂、烧结后得到所述的骨修复支架。骨修复支架直径为1mm，孔隙率为20％，平均孔径为100μm，孔壁厚度为200μm。将骨修复支架植入到兔子的股骨缺损12周后，成骨量达到15％。
实施例3
如图4所示，本实施例中，所述骨修复支架所使用的材料为磷酸三钙陶瓷。构建骨修复支架的双曲面结构，由表2中的公式确定。使用立体光刻打印技术制备出骨修复支架的生坯，经过脱脂、烧结后得到所述的骨修复支架。骨修复支架直径为3mm，孔隙率为50％，平均孔径为1000μm，孔壁厚度为500μm。将骨修复支架植入到兔子的股骨髁处12周后，成骨量达到22％。
实施例4
如图5所示，本实施例中，所述骨修复支架所使用的材料为磷酸三钙陶瓷。构建骨修复支架的双曲面结构，由表2中的公式确定。使用立体光刻打印技术制备出骨修复支架的生坯，经过脱脂、烧结后得到所述的骨修复支架。骨修复支架直径为1.5mm，孔隙率为75％，平均孔径为500μm，孔壁厚度为100μm。将骨修复支架植入到兔子的股骨髁处12周后，成骨量达到28％。
实施例5
如图6所示，本实施例中，所述骨修复支架所使用的材料为磷酸三钙陶瓷。构建骨修复支架的双曲面结构，由表2中的公式确定。使用立体光刻打印技术制备出骨修复支架的生坯，经过脱脂、烧结后得到所述的骨修复支架。骨修复支架直径为3mm，孔隙率为80％，平均孔径为1200μm，孔壁厚度为200μm。将骨修复支架植入到兔子的股骨髁处12周后，成骨量达到30％。
对比例1
本对比例中，提供一种3D打印多孔微球骨修复支架，如图7所示，所述骨修复支架所使用的材料为磷酸三钙陶瓷。多孔结构由圆柱状纤维堆叠后形成。使用立体光刻打印技术制备出骨修复支架的生坯，经过脱脂、烧结后得到所述的骨修复支架。骨修复支架直径为2mm，孔隙率为60％，，平均孔径由圆柱状纤维的间距确定，为550μm，孔壁厚度由圆柱状纤维的直径确定，为300μm。将骨修复支架植入到兔子的股骨髁处12周后，成骨量达到11％。
对比例2
本对比例中，提供一种3D打印微球骨修复支架，如图8所示，所述骨修复支架所使用的材料为磷酸三钙陶瓷。微球为实心结构。使用立体光刻打印技术制备出骨修复支架的生坯，经过脱脂、烧结后得到所述的骨修复支架。孔壁厚度由支架的直径确定，为1.5mm。将骨修复支架植入到兔子的股骨髁处12周后，成骨量达到5％。
表1
表2
表2中的x、y、z分别表示曲面上每个点的x、y、z坐标。
根据表1中实施例和对比例的对比可知，具有仿生多孔的微球骨修复支架相比多孔微球骨修复支架和实心微球骨修复支架，具有更高的骨修复性能。其中，实施例1和对比例1在相同孔隙率的条件下，植入兔子体内12周后，实施例1具有更高的成骨量；实施例1和对比例2在相同直径的条件下，植入兔子体内12周后，实施例1具有更高的成骨量。以上结果表明，仿生多孔结构有利于提高微球骨修复支架的骨修复性能。
综上所述，本发明的骨修复支架具备可注射性、优异的骨修复性能，并且结构参数可根据骨缺损情况进行定制。与现有技术相比，本发明具有显著的进步。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种3D打印仿生多孔微球骨修复支架，其特征在于，所述骨修复支架为仿生多孔结构，采用陶瓷材质，其外部轮廓为圆球形。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印仿生多孔微球骨修复支架，其特征在于，所述骨修复支架的直径为1-3mm。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印仿生多孔微球骨修复支架，其特征在于，所述仿生多孔结构使用双曲面结构。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印仿生多孔微球骨修复支架，其特征在于，所述仿生多孔结构的孔隙率为20％-80％。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印仿生多孔微球骨修复支架，其特征在于，所述仿生多孔结构的宏观平均孔径为100-1200μm。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印仿生多孔微球骨修复支架，其特征在于，所述仿生多孔结构的孔壁厚度为100-500μm。
7.权利要求1-6任意一项所述的3D打印仿生多孔微球骨修复支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据骨缺损处的部位和骨小梁的孔隙率、平均孔径参数确定骨修复支架的直径、孔隙率和平均孔径；
S2：绘制出具有相应孔隙率和平均孔径的双曲面模型，并根据直径绘制出骨修复支架的三维模型；
S3：将三维模型导出为打印文件，配置光固化陶瓷浆料，经过光固化3D打印、脱脂、烧结后得到所需的骨修复支架。
8.根据权利要求7所述的3D打印仿生多孔微球骨修复支架的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，采用三维喷墨打印、选择性激光烧结、立体光固化、数字光处理和双光子打印中的任意一种或多种光固化3D打印技术进行制备。
9.根据权利要求7所述的3D打印仿生多孔微球骨修复支架的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述陶瓷浆料中的陶瓷粉末为羟基磷灰石、磷酸三钙和双相磷酸钙中的一种。
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