CN1994243A - 一种双尺度微结构人工骨支架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双尺度微结构人工骨支架及其制备方法，该支架微结构包括微观尺度的球连孔和宏观尺度的管道系统，微尺度管道是一些相互连通的球形孔组成，宏观尺度的管道系统是相互导通的直管道，球形孔与管道之间亦相互连通，球形孔是随机分布的，管道系统结构是可控的。首先以计算机辅助设计CAD和光固化快速成形技术为基础，精确设计和控制宏观尺度管道系统结构，制备得到该人工骨负型的树脂模具，在模具中填充一定直径的石蜡小球适当加压，再填充生物材料浆体，待其固化真空烘干后，通过热分解去除树脂模具及石蜡小球，形成具有微尺度的球形孔及宏观尺度的管道系统的人工骨支架。该支架具有更理想的成骨转化效果。

Description

一种双尺度微结构人工骨支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及医疗行业用于骨修复的人工骨支架，特别涉及一种双尺度微结构人工骨支架的制备方法。

背景技术

对于大段骨缺损，直接使用生物材料进行填充修补时，由于生物活性物质(生长因子、骨细胞)、组织液难以渗透入这一大块材料的内部，血管长入的速度也相当慢，还难以直接应用。医学上对自然骨的解剖学研究表明，骨骼内部存在复杂的微结构系统，靠这一套系统保证了骨内的血液循环及营养物质的代谢和交换，维持了骨的活性，支持了骨的生长和再生。对于用于修复大段骨缺损的人工骨支架而言，多孔结构体系是新骨长入和创伤修复必备的条件，没有这些多孔结构，所植入的人工骨将不能完成细胞爬行和成骨替代过程而成为永久的死骨。因此，人工骨支架必须是具有一定孔隙率的三维多孔体系结构，以提供足够的面积供细胞附着，便于血管长入和以后的降解。骨组织只能在那些能保护成骨细胞免受其他组织侵袭的孔隙中形成。另外，孔的大小也会影响成骨活动，过小的孔径没有足够的空间供细胞生长和营养血管的长入，影响细胞分泌基质和营养物质的渗入。多数研究结果表明孔径应大于100μm，最好在200～600μm之间，过大的孔径则会影响人工骨支架的力学性能。目前的多孔生物陶瓷材料已经能够完全满足这两个条件，并可观察到血管长入和新骨形成。但是，孔隙不相通使得新骨之间不能相互连接，而缺乏连续性和整合性，血管常不能进入到这些孔的盲端，因而在这个部位只能形成软骨样组织。另一方面，细胞在支架内的均匀分布有利于支架内部均匀一致的组织的形成。现有的人工骨支架微结构主要有孔状和管状等，孔状孔隙养分运输功能比较差，管状孔隙制备过程中难以形成很高孔隙率。保证细胞能得到一个稳定的生长环境，其营养供应途径又能得以有效控制，因此提出了含球形孔及微管系统的新型人工骨支架。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提出一种双尺度微结构人工骨支架及其制备方法，该结构的人工骨支架具有更理想的成骨转化效果。

支架微结构

一种双尺度微结构人工骨支架，该支架微结构包括微观尺度管道的球形连通孔和宏观尺度的管状管道系统，微尺度管道是一些相互连通的球形连通孔，宏观尺度的管道系统是相互导通的直管道，球形连通孔与直管道之间亦相互连通，球形连通孔是随机分布的。管状管道系统结构和尺寸可根据应用需要设计，是可控制的，球连孔尺寸可以控制，在用于体外构建组织工程过程中，管状管道系统内流体速度较高，主要为细胞生长提供营养，球连孔主要起固定细胞并维持细胞生长的环境。

支架的制备方案

该支架采用光固化快速成形设备制备人工骨支架负型，然后填充石蜡小球及生物材料浆体固化后，烧结成形，气化，获得需要的人工骨支架，具体包括以下步骤：

1)通过CT扫描获取支架外形数据或通过CAD软件直接设计支架外形，采用CAD软件设计支架内部微结构，再将支架外形和内部微结构数据复合，形成含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型；

2)将含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型数据转换成STL文件格式，通过快速成形分层软件Rpdata作分层切片处理，生成光固化快速成型设备默认的格式文件，格式文件输入到光固化快速成型设备中，由光固化快速成型设备制备出含宏观尺度管道支架的树脂模具；

3)制备石蜡小球：将质量比为1∶18～1∶22的凝胶与石蜡溶于300～500ml蒸馏水，加热到80～90℃搅拌并保温1～3小时，再加入200～400ml冰水同时冰水浴3～10分钟，取出石蜡小球过滤，在20℃～40℃环境中真空烘干，得到需要的石蜡小球；

4)将上述得到的石蜡小球填入树脂模具中，填实后注入生物材料浆体，生物材料浆体成分为β-TCP 10g，去离子水8.5ml，丙稀酰铵2g，N，N-二甲基二丙稀酰铵0.1g，聚丙稀酸铵0.2g，过硫酸铵0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰铵0.05g；待生物材料浆体固化后热分解去模，并烧结成型，烧结温度1000℃～1200℃，保温2～4小时，即可获得双尺度管道系统支架，其结构为相互连通的管状微管系统和球形连通孔。

所述的宏观尺度管道为相互连通的管状管道系统，尺寸根据需要设计。

本发明与以往的支架相比，同时解决了内部孔隙导通、孔隙率与拓扑结构的控制等问题，微尺度连通孔结构的作用在于固定、容纳细胞，宏观尺度连通管道系统的作用在于提供流体动力，保证营养的连续供给，并使流场分布更均匀，解决了单纯球形孔结构出现堵塞及细胞分布不均匀的问题。该结构将取得理想的成骨性能及细胞生物学性能。

本发明结合了可控孔隙率与可控结构支架制备工艺，能制备更大范围的管道系统，同时保证制备支架的完整性。

附图说明

图1是本发明支架微结构示意图；

图2是本发明的制备流程图；

图3是石蜡制备工艺示意图；

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，支架微结构由相互连通的宏观尺度管状管道系统和微管尺度的球形连通孔构成，管状管道系统和部分球连孔也是相互连通的，管状管道系统结构和尺寸可根据应用需要设计，是可控制的，球连孔尺寸可以控制，但结构是随机的。在用于体外构建组织工程过程中，管状管道系统内流体速度较高，主要为细胞生长提供营养，球连孔主要起固定细胞并维持细胞生长的环境。

参照图2所示，具体步骤如下：

1)通过CT扫描获取支架外形数据或通过CAD软件直接设计支架外形，采用CAD软件设计支架内部微结构，再将支架外形和内部微结构数据复合，形成含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型；

2)将含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型数据转换成STL文件格式，通过快速成形分层软件Rpdata作分层切片处理，生成光固化快速成型设备默认的格式文件，格式文件输入到光固化快速成型设备中，由光固化快速成型设备制备出含宏观尺度管道支架的树脂模具；

3)制备石蜡小球：将质量比为1∶18～1∶22的凝胶与石蜡溶于300～500ml蒸馏水，加热到80～90℃搅拌并保温1～3小时，再加入200～400ml冰水同时冰水浴3～10分钟，取出石蜡小球过滤，在20℃～40℃环境中真空烘干，得到需要的石蜡小球；

4)将上述得到的石蜡小球填入树脂模具中，填实后注入生物材料浆体，生物材料浆体成分为β-TCP 10g，去离子水8.5ml，丙稀酰铵2g，N，N-二甲基二丙稀酰铵0.1g，聚丙稀酸铵0.2g，过硫酸铵0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰铵0.05g；待生物材料浆体固化后热分解去模，并烧结成型，烧结温度1000℃～1200℃，保温2～4小时，即可获得含球形连通孔及管状连通孔的支架。

参照图3所示，制备石蜡小球：将质量比为1∶1 8～1∶22的凝胶与石蜡溶于300～500ml蒸馏水，加热到80～90℃搅拌并保温1～3小时，再加入200～400ml冰水同时冰水浴3～10分钟，取出石蜡小球过滤，在20℃～40℃环境中真空烘干，得到需要的石蜡小球；

实施例一：本发明具体步骤如下：

1)通过CT扫描获取支架外形数据或通过CAD软件直接设计支架外形，采用CAD软件设计支架内部微结构，再将支架外形和内部微结构数据复合，形成含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型；

2)将含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型数据转换成STL文件格式，通过快速成形分层软件Rpdata作分层切片处理，生成光固化快速成型设备默认的格式文件，格式文件输入到光固化快速成型设备中，由光固化快速成型设备制备出含宏观尺度管道支架的树脂模具；

3)制备石蜡小球：将质量比为1∶18的凝胶与石蜡溶于300ml蒸馏水，加热到80℃搅拌并保温2小时，再加入250ml冰水同时冰水浴6分钟，取出石蜡小球过滤，在25℃环境中真空烘干，得到需要的石蜡小球；

4)将上述得到的石蜡小球填入树脂模具中，填实后注入生物材料浆体，生物材料浆体成分为β-TCP 10g，去离子水8.5ml，丙稀酰铵2g，N，N-二甲基二丙稀酰铵0.1g，聚丙稀酸铵0.2g，过硫酸铵0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰铵0.05g；待生物材料浆体固化后热分解去模，并烧结成型，烧结温度1000℃，保温2.5小时，即可获得含球形连通孔及管状连通孔的支架。

实施例二：本发明具体步骤如下：

1)通过CT扫描获取支架外形数据或通过CAD软件直接设计支架外形，采用CAD软件设计支架内部微结构，再将支架外形和内部微结构数据复合，形成含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型；

2)将含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型数据转换成STL文件格式，通过快速成形分层软件Rpdata作分层切片处理，生成光固化快速成型设备默认的格式文件，格式文件输入到光固化快速成型设备中，由光固化快速成型设备制备出含宏观尺度管道支架的树脂模具；

3)制备石蜡小球：将质量比为1∶20的凝胶与石蜡溶于350ml蒸馏水，加热到85℃搅拌并保温3小时，再加入350ml冰水同时冰水浴8分钟，取出石蜡小球过滤，在25℃环境中真空烘干，得到需要的石蜡小球；

4)将上述得到的石蜡小球填入树脂模具中，填实后注入生物材料浆体，生物材料浆体成分为β-TCP 10g，去离子水8.5ml，丙稀酰铵2g，N，N-二甲基二丙稀酰铵0.1g，聚丙稀酸铵0.2g，过硫酸铵0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰铵0.05g；待生物材料浆体固化后热分解去模，并烧结成型，烧结温度1050℃，保温3小时，即可获得含球形连通孔及管状连通孔的支架。

实施例三：本发明具体步骤如下：

1)通过CT扫描获取支架外形数据或通过CAD软件直接设计支架外形，采用CAD软件设计支架内部微结构，再将支架外形和内部微结构数据复合，形成含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型；

2)将含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型数据转换成STL文件格式，通过快速成形分层软件Rpdata作分层切片处理，生成光固化快速成型设备默认的格式文件，格式文件输入到光固化快速成型设备中，由光固化快速成型设备制备出含宏观尺度管道支架的树脂模具；

3)制备石蜡小球：将质量比为1∶22的凝胶与石蜡溶于400ml蒸馏水，加热到90℃搅拌并保温3.5小时，再加入400ml冰水同时冰水浴10分钟，取出石蜡小球过滤，在25℃环境中真空烘干，得到需要的石蜡小球；

4)将上述得到的石蜡小球填入树脂模具中，填实后注入生物材料浆体，生物材料浆体成分为β-TCP 10g，去离子水8.5ml，丙稀酰铵2g，N，N-二甲基二丙稀酰铵0.1g，聚丙稀酸铵0.2g，过硫酸铵0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰铵0.05g；待生物材料浆体固化后热分解去模，并烧结成型，烧结温度1100℃，保温3.5小时，即可获得含球形连通孔及管状连通孔的支架。

制备的内部微结构与设计结构一致，支架设计尺寸和获得尺寸有一定的偏差，经测量，外形尺寸的收缩率一般在7％以内，而微管尺寸和微球孔尺寸收缩率一般在10％以内，制备后的支架内部球形孔是相互连通的，管道与球形孔之间亦相交。

Claims (2)

1.一种双尺度微结构人工骨支架，其特征在于，该支架微结构包括微观尺度管道的球形连通孔和宏观尺度的管状管道系统，微尺度管道是一些相互连通的球形连通孔，宏观尺度的管道系统是相互导通的直管道，球形连通孔与直管道之间亦相互连通，球形连通孔是随机分布。

2、一种双尺度微结构人工骨支架的制备方法，其特征在于，采用光固化快速成形设备制备人工骨支架负型，然后填充石蜡小球及生物材料浆体固化后，烧结成形，气化，获得需要的人工骨支架，具体包括以下步骤：

1)通过CT扫描获取支架外形数据或通过CAD软件直接设计支架外形，采用CAD软件设计支架内部微结构，再将支架外形和内部微结构数据复合，形成含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型；

2)将含宏观尺度管道人工骨支架负型的CAD模型数据转换成STL文件格式，通过快速成形分层软件Rpdata作分层切片处理，生成光固化快速成型设备默认的格式文件，格式文件输入到光固化快速成型设备中，由光固化快速成型设备制备出含宏观尺度管道支架的树脂模具；

3)制备石蜡小球：将质量比为1∶18～1∶22的凝胶与石蜡溶于300～500ml蒸馏水，加热到80～90℃搅拌并保温1～3小时，再加入200～400ml冰水同时冰水浴3～10分钟，取出石蜡小球过滤，在20℃～40℃环境中真空烘干，得到需要的石蜡小球；

4)将上述得到的石蜡小球填入树脂模具中，填实后注入生物材料浆体，生物材料浆体成分为β-TCP10g，去离子水8.5ml，丙稀酰铵2g，N，N-二甲基二丙稀酰铵0.1g，聚丙稀酸铵0.2g，过硫酸铵0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰铵0.05g；待生物材料浆体固化后热分解去模，并烧结成型，烧结温度1000℃～1200℃，保温2～4小时，即可获得双尺度管道系统支架，其结构为相互连通的管状微管系统和球形连通孔。