一種多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種增材制造方法，具體涉及一種生物醫(yī)學(xué)骨組織工程領(lǐng)域的多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]健康生存是人類發(fā)展的第一要?jiǎng)?wù)，當(dāng)前，硬組織骨骼移植物的極度短缺導(dǎo)致大量病人致殘甚至死亡。因此，迫切需要發(fā)展具有在材料成分、顯微結(jié)構(gòu)和幾何外形上具有仿生特征的可降解人造骨骼支架，這已成為大段骨替換的黃金定律。人工骨是指用人工材料制造的人骨替代品或者骨折固定材料，人工骨是傳統(tǒng)骨損傷修復(fù)材料的替代品，它具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和生理活性，能極大地減輕患者痛苦，具有非常重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，獲得臨床應(yīng)用的人工骨替換或修復(fù)材料主要包括:金屬(包括醫(yī)用鈦合金和不銹鋼等)，高分子聚合物(包括聚乳酸、聚乙烯、尼龍和膠原等)，陶瓷(包括羥基磷灰石、氧化鋁、氧化鋯和氮化硅等)，以及它們的復(fù)合材料。理想的骨組織工程材料應(yīng)具有生物相容性、可降解性和多孔性等特點(diǎn)，以利于細(xì)胞粘附、生長、增殖和分化，并形成功能性組織。為此，人們提出了很多制造人工骨支架的方法。
[0003]專利CN102796909A提出了一種采用三維打印成型制備多孔鉭醫(yī)用植入材料的方法，首先將金屬鉭粉和硬脂酸成型劑混合，然后利用三維鋪粉打印技術(shù)制造幾何模型，最后通過高溫?zé)Y(jié)形成多孔人工骨支架。這種方法能夠在宏觀外形和多孔結(jié)構(gòu)方面滿足人工骨的需求，但是其原材料不具有可降解性，不能適用于處于生長期的兒童和青少年的骨缺損修復(fù)。如果選用可降解的生物陶瓷和膠原材料進(jìn)行打印，則需要預(yù)先制備大量粉體，這對(duì)于材料的消毒和保存不利。
[0004]專利CN1613514A公開了一種三維多孔組織工程支架材料及其制備方法，其原料成分為殼聚糖、明膠、GPSM和硝酸鈣，通過冷凍干燥技術(shù)實(shí)現(xiàn)孔隙制造。該方法不需要高溫?zé)辰Y(jié)劑，保證了材料的生物活性。但是這種制備方法獲得的孔隙往往受熱傳導(dǎo)溫度梯度的限制，不能定量控制孔隙率和孔隙分布，也不能制造出骨骼的宏觀外形結(jié)構(gòu)。
[0005]專利CN102274544A公開了一種多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制備方法，利用鋪層打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)人工骨的宏觀幾何外形和多孔結(jié)構(gòu)。該方法的優(yōu)勢(shì)是不需要高溫消除生物粘結(jié)劑。但是，通過微球堆積形成的多孔結(jié)構(gòu)的孔隙尺寸和孔隙率都很難定量控制，處于封閉幾何結(jié)構(gòu)中的微球也很難通過微球之間的孔隙取出，對(duì)打印剩余的微球進(jìn)行二次消毒和保存也存在困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，采用精確配制的復(fù)合材料漿料，通過螺桿泵定量擠出方式，在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行逐層打印成型，具有打印材料用量精準(zhǔn)、材料適用范圍廣、孔隙結(jié)構(gòu)精確可調(diào)，以及宏觀幾何外形可自由成型等特點(diǎn)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
一種多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，包括以下步驟:
1)以可降解的生物高分子材料和生物陶瓷材料為人工骨基質(zhì)材料，將質(zhì)量比為10~50%的生物高分子材料與50~90%的生物陶瓷材料混合；
2)將步驟I的混合物與去離子水或有機(jī)溶劑混合成均勻漿料，去離子水或有機(jī)溶劑的質(zhì)量為步驟I混合物質(zhì)量的3~10倍；
3)將步驟2獲得的漿料進(jìn)行冷凍干燥，獲得均質(zhì)粉體；
4)將步驟3獲得的粉體與去離子水或有機(jī)溶劑混合攪拌為粘度20~50萬厘泊的流質(zhì)漿料，并真空排氣；
5)螺桿泵外部設(shè)有連續(xù)供料器，通過高壓氣體將流質(zhì)漿料持續(xù)輸入到螺桿泵中，將步驟4所得的流質(zhì)漿料通過螺桿泵定量擠出；
6)采用XYZ運(yùn)動(dòng)裝置，按照從CT掃描獲取的骨缺損三維幾何模型，通過計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)該幾何模型內(nèi)部的孔隙形狀、尺寸和孔隙率，控制所述步驟5中擠出材料的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成增材制造。
[0008]所述的生物高分子材料可采用膠原或殼聚糖或纖維蛋白或明膠或透明質(zhì)酸或海藻酸鹽或聚乳酸或聚已內(nèi)酯或聚乳酸甘醇酸中任意一種或任意幾種的混合物。
[0009]所述的生物陶瓷材料可采用羥基磷灰石或鈣磷陶瓷或生物活性玻璃陶瓷中任意一種或任意幾種的混合物。
[0010]所述的骨基質(zhì)材料中可在質(zhì)量比為10~50%的生物高分子材料與50~90%的生物陶瓷材料混合中添加1~10%骨形成蛋白。
[0011]本發(fā)明具有以下有益效果:
人工骨基質(zhì)材料采用可降解生物復(fù)合材料，骨缺損部位最終被人體自體組織替換，滿足人體終身生長要求，直接用螺桿泵定量擠出所需生物材料，用量精準(zhǔn)可控，并顯著降低人工骨的臨床應(yīng)用成本，采用增材制造方法，無需模具實(shí)現(xiàn)人工骨支架的宏觀幾何外形，實(shí)現(xiàn)按需定制，其孔隙結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和孔隙率也可定量定點(diǎn)控制，最終實(shí)現(xiàn)從材料成分、孔隙結(jié)構(gòu)和幾何外形上具有多尺度仿生特征的可降解人工骨支架。該方法具有打印材料用量精準(zhǔn)、材料適用范圍廣、孔隙結(jié)構(gòu)精確可調(diào)，以及宏觀幾何外形可自由成型等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法流程圖。
[0013]圖2為實(shí)施例1中納米羥基磷灰石的X射線衍射圖。
[0014]圖3為實(shí)施例1中納米羥基磷灰石的透射電子顯微鏡照片。
[0015]圖4為仿生人工骨的宏觀結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)照片。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0017]實(shí)施例1
人體骨骼的無機(jī)材料和有機(jī)質(zhì)材料主要分別為羥基磷灰石和膠原，實(shí)現(xiàn)該類可降解復(fù)合材料的增材制造能夠?yàn)楣墙M織修復(fù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
[0018]I)以質(zhì)量百分比30%的膠原和質(zhì)量百分比70%的納米羥基磷灰石為人工骨基質(zhì)材料，與6倍的去離子水混合均勻，并冷凍干燥獲得均質(zhì)粉體；
2)將步驟I獲得的粉體與5倍的去離子水混合，獲得粘度為32萬厘泊的漿料，并真空排氣;
3)通過螺桿泵定量擠出方式將步驟2所得的流質(zhì)漿料擠出；
4)采用XYZ運(yùn)動(dòng)裝置，按照從CT掃描獲取的骨缺損三維幾何模型，通過計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)該幾何模型內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù):正方形孔隙，孔邊長0.8mm、孔隙率70%，控制所述步驟3中擠出材料的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成增材制造過程。
[0019]實(shí)施例2
在骨基質(zhì)材料中添加骨形成蛋白(Bone Morphogenetic Protein，BMP)，能夠更好地促進(jìn)骨骼修復(fù)。
[0020]I)以質(zhì)量百分比8%的BMP，質(zhì)量百分比32%的膠原和質(zhì)量百分比60%的納米缺鈣羥基磷灰石為人工骨基質(zhì)材料，與8倍的去離子水混合均勻，并冷凍干燥獲得均質(zhì)粉體；
2)將步驟I獲得的粉體與6倍的去離子水混合，獲得粘度為25萬厘泊的漿料，并真空排氣;
3)通過螺桿泵定量擠出方式將步驟2所得的流質(zhì)漿料擠出；
4)采用XYZ運(yùn)動(dòng)裝置，按照從CT掃描獲取的骨缺損三維幾何模型，通過計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)該幾何模型內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù):六邊蜂窩型孔隙、孔邊長1mm、孔隙率80%，控制所述步驟3中擠出材料的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成增材制造過程。
[0021]綜上所述，本具體實(shí)施能夠?qū)崿F(xiàn)生物可降解材料的自由復(fù)合，用量精確可控，從而降低打印耗材的應(yīng)用成本，人工骨宏觀幾何外形由計(jì)算機(jī)打印控制，無需模具約束，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療定制，其孔隙結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和孔隙率也可定量定點(diǎn)控制，最終實(shí)現(xiàn)從材料成分、孔隙結(jié)構(gòu)和幾何外形上具有多尺度仿生特征的可降解人工骨支架。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)以可降解的生物高分子材料和生物陶瓷材料為人工骨基質(zhì)材料，將質(zhì)量比為10~50%的生物高分子材料與50~90%的生物陶瓷材料混合； 2)將步驟I的混合物與去離子水或有機(jī)溶劑混合成均勻漿料，去離子水或有機(jī)溶劑的質(zhì)量為步驟I混合物質(zhì)量的3~10倍； 3)將步驟2獲得的漿料進(jìn)行冷凍干燥，獲得均質(zhì)粉體； 4)將步驟3獲得的粉體與去離子水或有機(jī)溶劑混合攪拌為粘度20~50萬厘泊的流質(zhì)漿料，并真空排氣； 5)螺桿泵外部設(shè)有連續(xù)供料器，通過高壓氣體將流質(zhì)漿料持續(xù)輸入到螺桿泵中，將步驟4所得的流質(zhì)漿料通過螺桿泵定量擠出； 6)采用XYZ運(yùn)動(dòng)裝置，按照從CT掃描獲取的骨缺損三維幾何模型，通過計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)該幾何模型內(nèi)部的孔隙形狀、尺寸和孔隙率，控制所述步驟5中擠出材料的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成增材制造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，其特征在于，所述的生物高分子材料可采用膠原或殼聚糖或纖維蛋白或明膠或透明質(zhì)酸或海藻酸鹽或聚乳酸或聚已內(nèi)酯或聚乳酸甘醇酸中任意一種或任意幾種的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，其特征在于，所述的生物陶瓷材料可采用羥基磷灰石或鈣磷陶瓷或生物活性玻璃陶瓷中任意一種或任意幾種的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，其特征在于，所述的骨基質(zhì)材料中可在質(zhì)量比為10~50%的生物高分子材料與50~90%的生物陶瓷材料混合中添加1~10%的骨形成蛋白。
【專利摘要】一種多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法，將生物高分子材料和生物陶瓷材料混合后與去離子水或有機(jī)溶劑混合成均勻漿料，再進(jìn)行冷凍干燥，獲得均質(zhì)粉體，再與去離子水或有機(jī)溶劑混合攪拌，真空排氣后，通過螺桿泵定量擠出，采用XYZ運(yùn)動(dòng)裝置，按照從CT掃描獲取的骨缺損三維幾何模型，通過計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)該幾何模型內(nèi)部的孔隙形狀、尺寸和孔隙率，擠出材料的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成增材制造。采用可降解生物復(fù)合材料，骨缺損部位最終被人體自體組織替換，滿足人體終身生長要求。直接用螺桿泵定量擠出所需生物材料，用量精準(zhǔn)可控，并顯著降低人工骨的臨床應(yīng)用成本。該方法具有打印材料用量精準(zhǔn)、材料適用范圍廣、孔隙結(jié)構(gòu)精確可調(diào)，以及宏觀幾何外形可自由成型等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】A61L27-10, A61L27-22, A61L27-50
【公開號(hào)】CN104826171
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510194743
【發(fā)明人】曾慶豐, 張鑫
【申請(qǐng)人】西安點(diǎn)云先進(jìn)材料科技有限公司
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年4月23日