專利名稱：一種多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制備方法
一種多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制備方法所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種基于生物陶瓷微球人工骨支架的制備方法。特別涉及利用改良生物膠黏劑通過(guò)快速成型的方法制備力學(xué)性能可控的活性生物陶瓷微球人工骨支架。
背景技術(shù)：
人體骨骼具有一定的再生和自修復(fù)能力，但對(duì)于因創(chuàng)傷、感染、腫瘤及發(fā)育畸形等原因造成的大的骨缺損，單純依靠骨的自修復(fù)無(wú)法愈合，需采用骨移植手術(shù)治療。移植材料主要有自體骨、異體骨和合成材料，自體骨組織移植效果很好，但存在數(shù)量十分有限、需要二次手術(shù)及取骨區(qū)有一定的并發(fā)癥等缺點(diǎn)。而異體移植雖不需兩次手術(shù)，且具有自體骨的一些優(yōu)越的組織特點(diǎn)，但移植骨在經(jīng)消毒處理后會(huì)失去強(qiáng)度，部分或完全損失骨誘導(dǎo)因子， 并有感染病毒的可能。為了克服這些局限，人們開(kāi)始研究可用作骨修復(fù)與重建用的人工合成材料，要求它們具有與人體骨骼相匹配的力學(xué)性能和骨傳導(dǎo)、骨誘導(dǎo)作用。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)水平飛速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)醫(yī)用的金屬或合金材料、陶瓷及有機(jī)填充物等已越來(lái)越不能滿足當(dāng)前臨床醫(yī)療工作的需要。生物陶瓷復(fù)合材料由于兼具生物陶瓷優(yōu)良的生物性能和高分子材料良好的力學(xué)性能、加工性能，已成為骨損傷修復(fù)重建材料研究的熱點(diǎn)。理論上，高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)需要而設(shè)計(jì)成在一定的時(shí)間內(nèi)顯示生物惰性或生物降解性。生物降解高分子材料代替金屬材料作為骨替代材料有許多優(yōu)點(diǎn)不需要二次手術(shù)；其力學(xué)性能逐漸衰減，不會(huì)限制骨骼的生長(zhǎng)；和金屬材料(高強(qiáng)度、高模量) 相比，發(fā)生骨質(zhì)疏松的危險(xiǎn)較?。豢朔艘蚪饘俑g所帶來(lái)的組織反應(yīng)；在計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描過(guò)程中，不會(huì)顯示出人工制品的影像。許多可生物吸收高分子材料已逐漸應(yīng)用于臨床，如整形外科、顱面、上頌面等外科手術(shù)。為了促進(jìn)人工骨體內(nèi)生物相容性，保證骨細(xì)胞和營(yíng)養(yǎng)液物質(zhì)在支架內(nèi)的流動(dòng)，人工骨往往需要制成多孔結(jié)構(gòu)。但是，人工骨的承載功能(彈性模量)也不容小覷，如果植入體內(nèi)的人工骨支架跟人體原有的骨組織不匹配，會(huì)導(dǎo)致磨損、松動(dòng)及植入體結(jié)合不牢固，特別是在承力情況下，恢復(fù)期較長(zhǎng)，而且可能需要二次手術(shù)。本發(fā)明的人工骨支架是由生物陶瓷微球用生物膠粘結(jié)而成的復(fù)合材料。該方法不僅可以保證所得人工骨支架的孔隙率，還可通過(guò)調(diào)節(jié)生物膠黏劑的性能改變?nèi)斯す侵Ъ艿挠行椥阅Ａ?，做到根?jù)個(gè)體差異制作不同彈性模量的人工骨支架。具有合適的微孔結(jié)構(gòu)使得多孔人工骨支架可發(fā)揮最優(yōu)成骨效果添加制孔劑法是一種常用的制備多孔陶瓷支架的方法。文獻(xiàn)“公開(kāi)號(hào)為 CN101011602A的中國(guó)發(fā)明專禾lj”公開(kāi)了一種多孔生物陶瓷制備方法，該方法采用擠出滾圓法制備生物陶瓷球形顆粒，然后采用模壓成型工藝將該球直接堆積形成多孔結(jié)構(gòu)，最后在高溫下燒除有機(jī)粘結(jié)劑形成多孔支架。該方法實(shí)現(xiàn)了孔徑、孔內(nèi)連接徑和孔形狀的調(diào)控，但是該方法仍然存在如下問(wèn)題該方法制備多孔陶瓷支架，需要利用模具約束成型，難以按照病人的實(shí)際情況調(diào)控支架外形，且制備支架的有機(jī)粘結(jié)劑需要在高溫下燒除，延長(zhǎng)了支架制作時(shí)間，提高了制備成本，并增加生物陶瓷顆粒被污染的幾率。
公開(kāi)號(hào)為CN101690828A的中國(guó)專利公開(kāi)了一種多孔生物陶瓷制備方法，該方法通過(guò)澆注生物陶瓷漿料制造三維殼體，澆注生物陶瓷漿料制造三維殼體，通過(guò)冷凍、干燥、 燒結(jié)，制備出外面相對(duì)致密，內(nèi)部相對(duì)疏松的生物陶瓷支架，但是該方法仍存在如下問(wèn)題制備支架的有機(jī)粘結(jié)劑需要在高溫下燒除，也會(huì)延長(zhǎng)支架制作時(shí)間，提高成本，并增加生物陶瓷顆粒被污染的幾率。且制備的多孔生物陶瓷支架外部致密的結(jié)構(gòu)，營(yíng)養(yǎng)液很難在其中輸送。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)人工骨支架承載能力弱，且難以滿足病人個(gè)體差異需求，本發(fā)明提出一種多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制備方法，該方法首先將根據(jù)個(gè)體特性所建立的三維CAD模型導(dǎo)入三維打印機(jī)，然后通過(guò)三維打印機(jī)噴灑生物膠黏劑粘結(jié)生物陶瓷微球，來(lái)實(shí)現(xiàn)人工骨支架的制備。為了克服現(xiàn)有技術(shù)多孔陶瓷支架制備過(guò)程中由于燒結(jié)而可能導(dǎo)致污染的弱點(diǎn)，本發(fā)明提供了改良生物膠黏劑，該膠黏劑具有粘結(jié)強(qiáng)度高、韌性大且和人體體液具有良好的相容性的優(yōu)點(diǎn)，避免了制備過(guò)程中的燒結(jié)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于生物陶瓷微球的人工骨支架的制備方法，具體包括以下步驟步驟1、計(jì)算機(jī)處理人工骨支架三維CAD模型，將其從下至上順序分割成間距為 Ah的二維截面圖形N份，第i份截面圖形面積為Ai,其中Ah的大小為生物陶瓷微球的直徑；步驟2、將步驟1中輸出的N份二維截面圖形導(dǎo)入三維打印機(jī)；分別將生物膠黏劑裝入三維打印機(jī)的儲(chǔ)液腔A，增稠增韌改性劑裝入儲(chǔ)液腔B，固化促進(jìn)劑裝入儲(chǔ)液腔C ；步驟3、i = l;步驟4、在成型工作臺(tái)上均勻的鋪上第i層生物陶瓷微球；步驟5、啟動(dòng)三維打印機(jī)，噴灑不同劑量的固化促進(jìn)劑、增塑劑、生物膠黏劑，在霧化噴灑過(guò)程中將三者完全混合，形成第i層改良后的膠黏劑；然后再均勻鋪上一層生物陶瓷微球，形成第i+Ι層；步驟6、判斷i值，如果i < N-l，i = i+Ι，進(jìn)入步驟4 ；否則，進(jìn)入下一步；步驟7、支架制作完畢，取出支架，對(duì)支架進(jìn)行后處理。本發(fā)明的有益效果是1)本發(fā)明采用生物膠黏劑，生物膠黏劑具有生物活性且在人體中可分解、吸收，而且和人體體液有良好的相容性，無(wú)需燒除，保證了生物陶瓷材料的純凈，減少了生物陶瓷被污染的幾率。2) 一般的生物膠黏劑均有黏度低，填隙性能差等缺點(diǎn)，往往因流淌的原因而不能對(duì)多孔表明進(jìn)行粘結(jié)，且固化后脆性較大。針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明分別在物體表面霧化噴灑固化促進(jìn)劑、生物膠黏劑和增稠增韌改性劑使其充分混合，通過(guò)控制固化促進(jìn)劑的噴灑量調(diào)整生物膠黏劑的固化時(shí)間，同時(shí)通過(guò)控制增稠增韌改性劑的相對(duì)分子質(zhì)量和噴灑量控制生物膠黏劑的剪切沖擊性能，從而達(dá)到了對(duì)生物膠黏劑增稠增韌且瞬干的效果，進(jìn)而增加了生物陶瓷支架的強(qiáng)度和可靠性。3)本發(fā)明利用快速成型方法制作，減少了制作模具的成本和時(shí)間，提高了制造的效率和降低了制作成本。


圖1為采用本發(fā)明所述制備方法制作出的人工骨支架樣本具體實(shí)施實(shí)例本實(shí)施例中多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制備方法，具體步驟如下步驟1、計(jì)算機(jī)處理人工骨支架三維CAD模型，將其從下至上順序分割成間距為 0. 5mm的二維截面圖形5份，其中0. 5mm的大小為生物陶瓷微球的直徑；步驟2、將步驟1中輸出的5份二維截面圖形導(dǎo)入三維打印機(jī)；將生物膠黏劑 α-氰基丙烯酸酯裝入三維打印機(jī)的儲(chǔ)液腔A，將相對(duì)分子質(zhì)量為3. 3萬(wàn)的增稠增韌改性劑聚甲基丙烯酸正丁酯(PBMA)裝入儲(chǔ)液腔B，固化促進(jìn)劑聚酰胺裝入儲(chǔ)液腔C;步驟3、i = l;步驟4、在成型工作臺(tái)上均勻的鋪上第i層生物陶瓷微球；步驟5、啟動(dòng)三維打印機(jī)，調(diào)整各種材料噴頭的噴出量。通過(guò)XAAR256噴頭噴灑生物膠黏劑α-氰基丙烯酸酯膠黏劑平均用量為0.00(Mml/mm2。通過(guò)XAARU8噴頭噴灑固化促進(jìn)劑聚酰胺，控制其噴出量為α-氰基丙烯酸酯噴出體積的4.0%。通過(guò)XAARU8噴頭噴灑相對(duì)分子質(zhì)量為3. 3萬(wàn)的增塑劑ΡΒΜΑ，控制其噴出量為α -氰基丙烯酸酯噴出體積的 6.0%，三個(gè)噴頭按照以上劑量同時(shí)噴出霧化液滴，使三種成份充分混合，形成第i層改良后的膠黏劑，然后再均勻鋪上一層生物陶瓷微球，形成第i+Ι層；步驟6、判斷i值，如果i < N-l，i = i+Ι，進(jìn)入步驟4 ；否則，進(jìn)入下一步；步驟7、支架制作完畢，取出支架，對(duì)支架進(jìn)行后處理。本實(shí)施實(shí)例制作的人工骨支架樣本的有效彈性模量為35MPa，膠黏劑的固化時(shí)間為 73s。為了驗(yàn)證不同噴灑混合比例制作出的不同力學(xué)性能人工骨支架，還使用本發(fā)明提出的方法，在使用以上實(shí)例的三種材料在不同混合比例的條件下制作出多種人工骨支架， 其相應(yīng)的有效彈性模量和固化時(shí)間如表1所示。表1不同混合比例下制作的人工骨支架的有效彈性模量和膠黏劑的固化時(shí)間
權(quán)利要求
1. 一種基于生物陶瓷微球的人工骨支架的制備方法，具體包括以下步驟 步驟1、計(jì)算機(jī)處理人工骨支架三維CAD模型，將其從下至上順序分割成間距為Ah的二維截面圖形N份，第i份截面圖形面積為Ai,其中Ah的大小為生物陶瓷微球的直徑；步驟2、將步驟1中輸出的N份二維截面圖形導(dǎo)入三維打印機(jī)；分別將生物膠黏劑裝入三維打印機(jī)的儲(chǔ)液腔A，增稠增韌改性劑裝入儲(chǔ)液腔B，固化促進(jìn)劑裝入儲(chǔ)液腔C ； 步驟3、i = 1 ；步驟4、在成型工作臺(tái)上均勻的鋪上第i層生物陶瓷微球；步驟5、啟動(dòng)三維打印機(jī)，噴灑不同劑量的固化促進(jìn)劑、增塑劑、生物膠黏劑，在霧化噴灑過(guò)程中將三者完全混合，形成第i層改良后的膠黏劑；然后再均勻鋪上一層生物陶瓷微球，形成第i+Ι層；步驟6、判斷i值，如果i < N-l，i = i+Ι，進(jìn)入步驟4 ；否則，進(jìn)入下一步； 步驟7、支架制作完畢，取出支架，對(duì)支架進(jìn)行后處理。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多孔生物陶瓷微球的人工骨支架制備方法，根據(jù)個(gè)體特性建立的三維CAD模型導(dǎo)入三維打印機(jī)，通過(guò)三維打印機(jī)噴灑生物膠黏劑的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)生物陶瓷的制備。為了克服現(xiàn)有技術(shù)多孔陶瓷支架制備過(guò)程中由于燒結(jié)而可能導(dǎo)致污染和力學(xué)性能差的弱點(diǎn)，本發(fā)明提供了改良生物膠黏劑，通過(guò)控制霧化噴灑參數(shù)，使不同比例的生物膠黏劑、固化促進(jìn)劑和增稠增韌改進(jìn)劑充分混合，從而達(dá)到力學(xué)性能可控和固化時(shí)間可控的效果。改良膠黏劑具有粘結(jié)強(qiáng)度高、韌性大且和人體體液具有良好的相容性的優(yōu)點(diǎn)，避免了制備過(guò)程中的燒結(jié)。本發(fā)明利用快速成型方法制作，減少了制作模具的成本和時(shí)間，提高了制造的效率和降低了制作成本。
文檔編號(hào)A61L27/56GK102274544SQ20111015493
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者周金華, 李鵬林, 楊明明, 汪焰恩, 王月波, 秦琰磊, 韓琴, 魏生民 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)