一種具有橫向力學結構人工骨支架的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有橫向力學結構人工骨支架的制備方法。該方法首先將人工骨支架CAD模型由下至上均勻分割成N份截面并將每層截面由里到外分為四部分，然后將羥基磷灰石、殼聚糖等按四種不同質量比例混合成打印原材料。最后將四種不同比例的混合材料依次打印到每層截面的四部分中并在每層混合材料上面分別噴灑不同劑量的生物黏結劑。在本發明中，由于每層截面各部分使用的打印原材料比例和各層生物黏結劑的劑量不同，從而使得每層截面各部分具有不同的力學性能，進而真正實現具有橫向力學結構的人工骨支架的制備。
【專利說明】
一種具有橫向力學結構人工骨支架的制備方法
技術領域
[0001]本發明提出一種具有橫向力學結構人工骨支架的制備方法。主要涉及到現有人工骨支架制備工藝的研究、3D打印技術的研究、人工骨支架復合材料等幾方面的研究。
【背景技術】
[0002]骨骼損傷已經成為影響人體健康的重大疾病之一。骨缺損是骨骼損傷常見的病征之一。醫療科研人員經過多年研究提出并應用了骨移植方法治療骨缺損。目前，骨移植已經成為僅次于輸血的人體組織移植，其廣泛分布于矯形、口腔及顱面等多個領域。
[0003]現有技術中，臨床上進行骨移植選用的骨骼主要有自體骨、異體骨、人工骨等。采用自體骨，優點是無免疫排異反應，但是存在來源有限、取骨部位常遺留慢性疼痛等并發癥的缺點。采用異體骨，優點是來源充足，卻存在容易引起免疫反應、易傳染病毒疾病的缺點。因此，在傳統骨移植的基礎上，研究人員提出采用人工骨替代天然骨進行骨移植。經過研究發現，作為理想的骨替代物，應該滿足如下要求:具有良好生物相容性和一定的強度，具有一定的力學和機械性能，保證培養液及血液能夠進入骨支架內部，具有良好的骨誘導性，具有合適的表面理化性質，且能被宿主骨組織吸收替代。因此，制作人工骨支架時，除了考慮其生物相容性、三維幾何結構、表面理化性質之外，很重要的一點，就是考慮其力學性能是否能滿足與患者人體骨力學性能相近的要求。
[0004]人體骨組織的基本結構包括骨膜、骨質、骨髓，由有機物和無機物兩大部分組成。其中無機物主要是羥基磷灰石，有機物主要是膠原。羥基磷灰石具有良好生物相容性和生物活性，植入骨組織后能在界面上和骨形成很強的化學性鍵合，具有骨傳導和骨誘導性，羥基磷灰石生物陶瓷已經用于臨床上骨的修復替換，但其脆性、生物降解性低的缺點制約了其應用范圍。
[0005]為彌補羥基磷灰石生物降解性低的缺點，本發明在打印材料中加入一種具有良好生物降解性的材料一一殼聚糖。這種天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等優良性能被各行各業廣泛關注，在醫藥、食品、化工、化妝品、水處理、金屬提取及回收、生化和生物醫學工程等諸多領域的應用研究取得了重大進展。
[0006]3D打印，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印人工骨支架是人工骨支架的一種重要制備技術。目前，人工骨支架的快速成型方法主要有光固化成型工藝、疊層制造、選擇性激光燒結、熔融沉積制造等。基于噴射技術的人工骨支架的快速成型技術有螺桿擠壓噴射、活塞擠壓噴射、氣動擠壓噴射、微滴噴射技術、激光引導直寫技術、電紡絲技術、蘸筆納米刻蝕技術等。雖然當前制備骨支架的研究有很多種，但這些研究大多只是集中于人工骨支架三維結構、制備骨支架材料、骨支架生物相容性等方面，目前，人工制備骨支架在這些方面取得一定的研究成果，但在實現與天然骨類似力學性能這一方面還缺少一定的研究。
[0007]公開號為CN102283723A的發明專利提出了一種可控力學性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法。該方法首先將人工骨支架CAD模型分割成等間距的二維截面，然后通過控制瞬干黏結劑的噴灑量來控制生物陶瓷微球層之間的粘結強度，進而控制整個人工骨支架的力學性能。但本方法還存在以下問題:
該方法僅僅選用羥基磷灰石生物陶瓷作為打印材料，沒有考慮到羥基磷灰石在制備人工骨支架過程中存在的生物降解性差等缺點。并且該發明采用控制每層瞬干粘結劑的噴灑量的方法并不能真正得到與天然骨類似的橫向力學梯度的結構。
[0008]公開號為CN102274544A發明專利提出了一種多空生物陶瓷微球的人工骨支架制備方法。該方法的特點是通過控制霧化噴灑參數，是不同比例的生物膠黏劑、固化促進劑和增稠增韌改進劑充分混合實現了固化時間可控和提高了制造的效率。但同樣，本發明方法不能得到具有優良力學性能的人工骨支架。
[0009]綜合當前關于人工骨支架的制備工藝，研究人員大多側重于考慮骨支架三維結構的設計，對于實現人工骨支架力學性能的研究較少。基于此原因，本發明在原有骨支架的制備工藝基礎上提出了一種新的具有力學梯度的仿生人工骨支架的制備方法。
【發明內容】
[0010]本發明采用的技術方案是:一種具有力學梯度仿生人工骨支架的制備方法。
[0011]具體包括如下步驟:
步驟一、在計算機中建立要打印的人工骨支架的CAD模型然后將已建立的人工骨支架CAD模型進行分層，分為間距相同的N個二維截面。
[0012]步驟二、將步驟一中分割好的各層二維截面都由里到外分成四部分，并由里到外分別編號為a、b、c、d這四個區，其中a區是具有一定半徑的類圓形，b、c、d是具有一定寬度的類圓環形。
[0013]步驟三、將羥基磷灰石、殼聚糖分別按照四種不同的質量比例10%:90% (1),15%:85%(2)、20%: 80%(3)、25%: 75%(4)進行混合。
[0014]步驟四、將步驟三中制備的(1)、(2)、(3)、(4)四種混合粉末材料分別放入自制快速成型機的鋪粉噴頭(i)、(n)、(m)、(iv)中。
[0015]步驟五、令i=l，將噴頭(I)、(n)、(m)、(IV沖的粉末分別鋪灑到二維截面的a、b、c、d四部分中并用鋪粉輥壓實，形成骨支架的第一層。
[0016]步驟六、調節自制成型機的噴灑生物黏結劑的噴頭的參數，控制生物黏結劑的噴灑量。控制噴頭按照每層截面的二維軌跡將生物黏結劑噴灑到第i層粉末上，形成第i+Ι層。
[0017]步驟七、判斷i值，如果i〈N-l，i=i+l，重復步驟4;否則，進入下一步。直到骨支架模型的最后一層打印完畢。
[0018]步驟八、待最后一層打印完畢，取出打印好的骨支架，進行后續的干燥處理。
[0019]進一步的優選:
1、購買羥基磷灰石粉末時選擇較小半徑的，一般選擇30-50nm，這樣可以打印出的人工骨支架具備更良好的性能。
[0020]2、將殼聚糖和羥基磷灰石進行混合之前，先要將殼聚糖利用粉碎技術將它粉碎為粒徑較小的粉末。
[0021]本發明的創新點是: 1、提出將每層截面按照骨支架所需不同力學性能重新劃分為幾部分，進行分區打印的新型打印方法。
[0022]2、進行分區打印時，每一部分的復合材料中各組分的比例不相同，這樣能真正意義上實現人工骨支架橫向力學梯度的分布。
[0023]具體實施實例:
本案例選用自制生物快速成型機，該成型機包括鋪粉噴頭、鋪粉輥、粘結劑噴頭、成型工作臺等幾部分組成。本次實施實例打印一個底面直徑為10mm，高度為30mm的圓柱形人工骨支架，在計算機利用三維軟件建立起該骨支架的CAD模型。
[0024]步驟一、將已建立的人工骨支架CAD模型由下至上均勻分割成300層二維截面，每層的厚度為0.1mm0
[0025]步驟二、將步驟一中分割好的每層二維截面由里到外都分成四部分，并由里到外分別編號為a、b、c、d這四個區，其中a區是直徑為4mm的圓，b、c、d是寬度為Imm的圓環。
[0026]步驟三、將粒徑為35mm的羥基磷灰石、粉末狀的殼聚糖分別按照質量比為10%: 90%(I)、15%:85%(2)、20%:80%(3),25%:75%(4)四種不同的質量比例進行充分混合，得到打印原材料。
[0027]步驟四、將步驟三中制備的(1)、(2)、(3)、(4)四種混合材料分別放入自制快速成型機的鋪粉噴頭(i)、(n)、(m)、(iv)中。
[0028]步驟五、i=l，將噴頭(I)、(Π )、(m)、(IV)中的粉末材料分別鋪灑到第一層二維截面的a、b、c、d四部分中并用鋪粉輥壓實，形成第一層。
[0029]步驟五、調節噴灑生物粘結劑的噴頭參數，控制生物黏結劑的噴灑量。控制噴頭按軌跡將生物黏結劑噴灑到第i層粉末上，形成第i+Ι層。
[°03°] 步驟六、判斷i值，如果i〈299，i=i+l，重復步驟4 ；否則，進入下一步。直到最后一層材料鋪灑完畢。
[0031]步驟七、待最后一層打印完畢，取出打印好的骨支架，進行后續的干燥處理。
[0032]本次實施實例制備的人工骨支架各部分具有的力學性能(抗壓強度MPa)a區:4.21、b區4.92、c區5.43、d區6.15。
【主權項】
1.一種具有橫向力學結構人工骨支架的制備方法包括以下步驟: 步驟一、在計算機中建立要打印的人工骨支架的CAD模型然后將已建立的人工骨支架CAD模型進行分層，分為間距相同的N個二維截面； 步驟二、將步驟一中分割好的各層二維截面都由里到外分成四部分，并由里到外分別編號為a、b、c、d這四個區，其中a區是具有一定半徑的類圓形，b、c、d是具有一定寬度的類圓環形； 步驟三、將羥基磷灰石、殼聚糖分別按照四種不同的質量比例10%:90% (1),15%:85%(2)、20%: 80%(3)、25%: 75%(4)進行混合； 步驟四、將步驟三中制備的(I)、( 2)、(3)、(4)四種混合粉末材料分別放入自制快速成型機的鋪粉噴頭(i)、(n)、(m)、(iv)中； 步驟五、令i=l，將噴頭(I)、(n)、(m)、(IV)中的粉末分別鋪灑到二維截面的a、b、c、d四部分中并用鋪粉輥壓實，形成骨支架的第一層； 步驟六、調節自制成型機的噴灑生物黏結劑的噴頭的參數，控制生物黏結劑的噴灑量；控制噴頭按照每層截面的二維軌跡將生物黏結劑噴灑到第i層粉末上，形成第i+Ι層；步驟七、判斷1值，如果1〈^1，^+1，重復步驟4;否則，進入下一步;直到骨支架模型的最后一層打印完畢； 步驟八、待最后一層打印完畢，取出打印好的骨支架，進行后續的干燥處理。
【文檔編號】A61L27/50GK105833341SQ201610393629
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月6日
【發明人】侯祎波, 李欣培, 毛海榮, 王淑志, 汪焰恩
【申請人】西安博恩生物科技有限公司