專利名稱：一種利用激光技術(shù)進(jìn)行軟骨打孔的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光打孔技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，特別涉及一種利用激光在軟骨上進(jìn)行打孔制作微孔陣列的方法。有望用于骨缺損的治療，并為體外軟骨支架的制作提供新的思路和技術(shù)支持。
背景技術(shù)：
激光打孔技術(shù)在現(xiàn)代制造領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其基本原理是將高功率密度的激光束聚焦在工件表面，使材料汽化，或通過氣體吹出熔化材料來形成孔洞。由于激光能量高、光斑小、方向性好等的優(yōu)點(diǎn)，可在不同材料上加工任意形狀、各種尺寸的微孔以及盲孔。例如激光打孔可應(yīng)用在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機(jī)葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。而激光打孔技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有應(yīng)用，利用激光進(jìn)行鐙骨打孔實(shí)現(xiàn)對(duì)耳硬化癥的治療是這一技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的典型代表。激光技術(shù)與骨骼的關(guān)系可以通過骨骼支架來聯(lián)系。運(yùn)用激光技術(shù)進(jìn)行骨骼支架的制作已有很多研究。如已進(jìn)行過長(zhǎng)脈沖激光與飛秒脈沖激光在材料可加工性與加工精度的研究；采用飛秒激光在熱塑料聚酯聚合物材料制作的血管支架上加工尺寸為200μπι至500 μ m的孔洞，以用來增強(qiáng)特定部位的滲透性的研究，所打的孔既可能是通孔也可能是盲孔，這種孔洞產(chǎn)生過程避免了有機(jī)溶劑的使用。然而目前仍沒有在軟骨組織上直接進(jìn)行打孔，尤其是應(yīng)用激光進(jìn)行打孔的相關(guān)報(bào)道。本發(fā)明采用激光打孔技術(shù)，在天然軟骨組織上進(jìn)行微孔加工，形成微孔陣列，實(shí)現(xiàn)孔間相通，同時(shí)保證微孔燒蝕輕微，表面光滑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于利用激光打孔技術(shù)在軟骨組織上加工孔間相通的微孔陣列。本發(fā)明目的通過如下措施來達(dá)到的，其具體工藝流程為:一種利用激光技術(shù)進(jìn)行軟骨打孔的方法，其特征在于，步驟包括:( I)將軟骨組織在打孔前進(jìn)行清潔，冷凍處理。
(2)利用圖形設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行微孔設(shè)計(jì)，制作所需要的微孔陣列圖形文件。為加工出孔徑為250 μ m-300 μ m,孔間距400-500 μ m,孔深為1.3_2mm的微孔陣列，微孔的圖形設(shè)計(jì)孔徑應(yīng)為80-100 μ m,孔間隔為300-350 μ m,線寬為10 μ m,生成相應(yīng)文件。(3)打開CO2激光器，將其與控制電腦相連。將處理好的軟骨組織置于工作臺(tái)，調(diào)整焦距于軟骨組織表面，導(dǎo)入步驟(2)生成的文件。為加工出步驟(2)所要求的微孔，采用的激光功率為30-50W，打孔速率為linch/min-50inch/min。進(jìn)一步，軟骨組織首先要去除骨髓，然后在生理鹽水中浸泡3_5h，最后在_20°C條件下冷凍4-6h，冷凍方式為冰箱冷凍。進(jìn)一步，最佳參數(shù)選擇為:功率為50W，掃描速率為25inch/min。進(jìn)一步，該激光打孔的過程采用激光光斑在軟骨組織表面按照?qǐng)A孔軌跡掃描實(shí)現(xiàn)組織揮發(fā)的方式造成微孔實(shí)現(xiàn)，而非沖擊打孔。這樣的方式有利于控制微孔陣列的孔徑和孔間隔。由于激光加工熱影響的存在，選擇的參數(shù)不同，所加工的微孔的質(zhì)量有明顯變化。在該發(fā)明中，選取的最佳參數(shù)為功率50W，掃描速率為25inch/min。(4)將加工好的軟骨組織經(jīng)滅菌等生物學(xué)處理，用于細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)。所述的軟骨組織取自豬的關(guān)節(jié)軟骨，結(jié)合功率參數(shù)及醫(yī)學(xué)要求于光學(xué)顯微鏡下觀察分析，采用50W功率，25inch/min的打孔速度所加工的微孔質(zhì)量最佳。最佳加工微孔尺寸為 250-300 μ m,孔間距 400-500 μ m,孔深為 1.3_2臟。所述激光器為CO2激光器，也可以是Nd =YAG激光器。與加工之前的軟骨相比:采用激光在軟骨上加工微孔陣列，可以滿足細(xì)胞長(zhǎng)入以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流通的基本條件，同時(shí)軟骨組織的韌性及強(qiáng)度較高。具有與其他生物組織相似的結(jié)構(gòu)，良好的粘附、識(shí)別和誘導(dǎo)特性，以及無毒特性?？捎脕硪浦踩肷矬w內(nèi)進(jìn)行骨缺損的治療。采用激光打孔技術(shù)，在經(jīng)過處理的軟骨塊狀組織上進(jìn)行孔徑為200 μ m-400 μ m,孔間距為300 μ m-500 μ m (該尺寸的微孔適合于細(xì)胞的導(dǎo)入、生長(zhǎng)以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳輸)的微孔陣列的加工(如示意1)。由于實(shí)驗(yàn)材料來源于生物體，其基本組成成分為水分、膠原纖維以及蛋白多糖，與動(dòng)物、人的軟骨組織成分相同，通過滅菌、_70°C深低溫冷凍等醫(yī)學(xué)處理之后移植回生物體內(nèi)可降低甚至排除免疫反應(yīng)；從XRD圖譜(如示意圖3a、圖3b)、掃描電鏡圖片(如示意4、5)可以看出，未加工部分與加工部分的軟骨組織成分沒有發(fā)生變化，未加工部位的熱影響小，故沒有其他物質(zhì)的產(chǎn)生，損傷也小，基于以上原因，我們得出加工后的骨組織具備了生物相容性好 、良好的材料/細(xì)胞界面以及無抗原等的性能要求；此外，經(jīng)過加工之后的軟骨組織韌性以及強(qiáng)度未發(fā)生明顯改變，機(jī)械性能很高。


圖1:軟骨支架模型示意圖，11:微孔；12:軟骨組織。圖2:加工裝置示意圖，1:計(jì)算機(jī)；2:數(shù)據(jù)連接線；3:激光器；4:發(fā)射激光；5:振鏡；6:待加工軟骨材料；7:運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。圖3a:未打孔部位的XRD圖譜；圖3b:打孔部位的XRD圖譜。圖4:掃描電鏡下觀察到的微孔照片，11:微孔；12:軟骨組織。圖5:掃描電鏡下觀察到的微孔照片，11:微孔；12:軟骨組織。
具體實(shí)施例方式首先有必要在此指出的是本實(shí)例所使用的圖形設(shè)計(jì)尺寸及激光參數(shù)只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。按照?qǐng)D2所示的加工裝置示意圖連接加工設(shè)備。計(jì)算機(jī)用數(shù)據(jù)連接線于激光器連接；通過激光器發(fā)射激光經(jīng)由振鏡直接作用于待加工軟骨組織；通過運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，在軟骨組織上加工出微孔陣列。實(shí)例1.取豬的關(guān)節(jié)軟骨組織，脫脂滅菌，去除骨髓。
2.將上述軟骨組織在生理鹽水中浸泡3h，然后在_20°C的條件下冰凍4h，取出融化，待用。3.運(yùn)用圖形設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行微孔陣列的設(shè)計(jì)，設(shè)定微孔孔徑為ΙΟΟμπι，孔間間隔為I謹(jǐn),線寬為10 μ m。4.選取波長(zhǎng)為10.06 μ m的CO2激光器，并將其與控制電腦相連。將待用軟骨組織置于工作臺(tái)，設(shè)置臨時(shí)原點(diǎn)，調(diào)節(jié)工作臺(tái)使焦點(diǎn)位于軟骨組織表面。導(dǎo)入圖形文件，設(shè)定激光功率50W，平臺(tái)移動(dòng)速度25inch/min，點(diǎn)擊運(yùn)行，待程序完成后，便在軟骨組織表面完成微孔陣列的加工。附圖4、5為加 工完成的微孔陣列的實(shí)際圖形和用掃描電鏡觀察到的微孔形貌。
權(quán)利要求
1.一種利用激光技術(shù)進(jìn)行軟骨打孔的方法，其特征在于，步驟包括: (1)將軟骨組織在打孔前進(jìn)行清潔，冷凍處理。
(2)利用圖形設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行微孔設(shè)計(jì)，制作所需要的微孔陣列圖形文件。為加工出孔徑為250 μ m-300 μ m,孔間距400-500 μ m,孔深為1.3_2mm的微孔陣列，微孔的圖形設(shè)計(jì)孔徑應(yīng)為80-100 μ m,孔間隔為300-350 μ m,線寬為10 μ m,生成相應(yīng)文件。
(3)打開CO2激光器，將其與控制電腦相連。將處理好的軟骨組織置于工作臺(tái)，調(diào)整焦距于軟骨組織表面，導(dǎo)入步驟(2)生成的文件。為加工出步驟(2)所要求的微孔，采用的激光功率為 30-50W，打孔速率為 linch/min-50inch/min。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，軟骨組織首先要去除骨髓，然后在生理鹽水中浸泡3-5h，最后在-20°C條件下冷凍4-6h，冷凍方式為冰箱冷凍。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，功率為50W，掃描速率為25inch/min。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，該激光打孔的過程采用激光光斑在軟骨組織表面按照?qǐng)A孔軌跡掃描 實(shí)現(xiàn)組織揮發(fā)的方式造成微孔實(shí)現(xiàn)，而非沖擊打孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用激光技術(shù)進(jìn)行軟骨打孔的新方法。對(duì)塊狀軟骨組織進(jìn)行骨髓清除、生理鹽水浸泡、冷凍；采用圖形設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行微孔陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定孔徑、孔間距，生成文件；連接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與控制軟件，將處理好的軟骨組織置于平臺(tái)上，調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)于軟骨組織表面；導(dǎo)入生成的文件，調(diào)節(jié)激光的掃描速度、掃描功率等參數(shù)，在軟骨組織表面進(jìn)行微孔加工。本發(fā)明可以加工出尺寸為250-300μm，孔間距400-500μm，孔深為1.3-2mm的微孔，對(duì)于軟骨支架的制備以及軟骨缺損的治療具有較好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)A61B17/56GK103202724SQ20131006659
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月3日
發(fā)明者劉富榮, 趙進(jìn)炎 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)