一種三維復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)組織工程支架的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物材料技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于組織工程支架結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計與制 備，具體為一種=維復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)組織工程支架的數(shù)字化設(shè)計與制備。
【背景技術(shù)】
[0002] 多孔結(jié)構(gòu)是制造組織工程支架的關(guān)鍵，孔隙的形態(tài)會直接影響細胞的生長過程。 原則上，支架的功能是提供一個環(huán)境，通過細胞-支架、細胞-細胞間的相互作用來刺激細 胞行為，如：粘附、遷移、增殖、分化、維持和死亡。組織工程支架能實現(xiàn)在體內(nèi)或體外培養(yǎng)中 對組織的初始支撐、細胞的初始黏附W及使得細胞能可控地形成組織或器官。理想的支架 應(yīng)具有內(nèi)部有相連通的高孔隙率多孔結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)細胞生長、營養(yǎng)流的輸送與代謝產(chǎn)物的 排出。
[0003] 各向異性的孔隙率可W引導骨沿著孔隙率和力學強度梯度的方向進行再生，運可 W控制干細胞分化，進而促進組織功能。不同的孔隙結(jié)構(gòu)能影響靠近和遠離該結(jié)構(gòu)的細胞 的運動方向和速度，運成為細胞外環(huán)境控制細胞行為的一種生理機制。具有一定分布規(guī)律 的復(fù)合孔隙結(jié)構(gòu)是經(jīng)過自然選擇與進化的理想結(jié)構(gòu)。它比規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)擁有更優(yōu)越的力學 性能和滲透率，擁有更多樣性的孔隙形態(tài)W便適應(yīng)細胞的不同需要，其3D連通孔隙，便于 把營養(yǎng)物質(zhì)灌注進支架內(nèi)部，并排出細胞代謝廢物，營造利于細胞生長的環(huán)境；同時結(jié)構(gòu)的 復(fù)合分布帶來力學特性的復(fù)合分布，W保證結(jié)構(gòu)中力學特性的最優(yōu)分配。
[0004] 在多孔支架制造方面，盡管已有一些傳統(tǒng)的手工制造方法如：鹽過濾法、氣體發(fā)泡 法、冷凍干燥法，但運些方法僅僅能實現(xiàn)對少數(shù)參數(shù)的粗調(diào)（如：孔隙率），無法進行精細控 審IJ。最近發(fā)展起來的增材制造技術(shù)，如選擇性激光燒結(jié)、激光快速成型、自由實體制造、3D打 印、光固化立體造型等技術(shù)，解決了運一問題并成功應(yīng)用于成型復(fù)雜零件?，F(xiàn)在，運些技術(shù) 也被引入組織工程領(lǐng)域，結(jié)果證明該技術(shù)有潛力用于制造更為復(fù)雜、高仿生特征的孔隙結(jié) 構(gòu)和力學特性的支架產(chǎn)品，并且能精確形成支架的微觀形態(tài)、控制生長因子空間分布，W滿 足個性化組織修復(fù)的需要。
[0005] 目前，針對增材制造的多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，仍存在很多困難，例如：如何采用簡單 有效的方式，構(gòu)造孔隙形態(tài)呈空間變化的多孔結(jié)構(gòu)。運些困難成為限制仿生結(jié)構(gòu)組織工程 支架設(shè)計、制造和應(yīng)用的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的在于解決傳統(tǒng)設(shè)計方法不能靈活、精確構(gòu)建復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)，及傳統(tǒng)制 備方法成本高、工藝不穩(wěn)定、造孔劑殘留等問題，提供一種=維復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)組織工程支架 的數(shù)字化設(shè)計與制備方法。
[0007] 本發(fā)明提供的=維復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)組織工程支架的數(shù)字化設(shè)計與制備方法，基于= 重周期最小表面（triplyperiodicminimalsurface,簡稱TPM巧方法設(shè)計復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)， 并采用增材制造方法制備該支架，該方法的具體步驟是：
[0008] 第1、確定所選的子結(jié)構(gòu)W及子結(jié)構(gòu)之間的過渡邊界，步驟為：
[0009] a、確定需要結(jié)合的各個子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型；
[0010] b、確定子結(jié)構(gòu)之間的過渡邊界，對于2D結(jié)構(gòu)，該邊界為直線或曲線，對于3D結(jié)構(gòu)， 該邊界為平面或曲面；
[0011] C、應(yīng)用Sigmoid子結(jié)構(gòu)結(jié)合公式，將相鄰兩子結(jié)構(gòu)根據(jù)過渡邊界結(jié)合成一個復(fù)合 結(jié)構(gòu)：
[0012]
陽01引其中，0, 4 0分別表示兩子結(jié)構(gòu)的實體部分，b(x，y，Z) = 0表示兩結(jié)構(gòu) 的過渡邊界，參數(shù)k控制過渡梯度，該復(fù)合結(jié)構(gòu)實體區(qū)域由不等式4 >0確定。
[0014] 對于多子結(jié)構(gòu)復(fù)合而言，可遞歸使用上述結(jié)合公式： 引<!> =杏所'啦
[0016] 其中0,b1，ki分別表示第i個子結(jié)構(gòu)、過渡邊界和梯度控制值。
[0017] t結(jié)合產(chǎn)品所需要的外表面模型，并生成最終的實體模型；
[001引第2、采用3D增材制造方法制備復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)支架。
[0019] 所述的3D增材制造方法具體工藝為：
[0020] 由計算機控制激光頭固化模型指定區(qū)域內(nèi)的材料，當前一層材料固化后，計算機 控制工作臺下移一個距離單位，再固化下一層材料，直至支架達到所要求的高度為止。所W 支架實體由運種一層一層的堆積方式制成。
[0021] 本發(fā)明適用材料廣泛，包括金屬、非金屬和醫(yī)用高分子材料等等，具體為：鐵、儀、 生物活性玻璃、徑基憐灰石、光敏樹脂、W及生物相容性高分子材料（如：聚乳酸及其聚合 物、聚乙交醋、聚乳酸-聚乙交醋共聚物、聚己內(nèi)醋、聚P-徑基下酸醋、聚P-徑基下酸 醋-聚徑基戊酸醋共聚物、聚己內(nèi)醋-聚乙二醇多嵌段共聚物或者聚氨醋）。
[0022] 本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為：
[0023] 采用計算機輔助設(shè)計的方式，構(gòu)造3D復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)，并通過增材制造方法精確制 造此多孔結(jié)構(gòu)體，用于實現(xiàn)用戶個性化的設(shè)計與制備。在=重周期最小表面隱式函數(shù)中的 孔隙率控制項和孔隙尺寸控制項可W方便地控制支架孔隙率和孔隙尺寸的分布；通過設(shè)定 子結(jié)構(gòu)間的過渡邊界，可W方便地由Sigmoid函數(shù)實現(xiàn)子結(jié)構(gòu)之間任意的空間安排。同時， 所采用的3D增材制造方法能準確按照原模型制出產(chǎn)品。本發(fā)明適用材料廣泛，如：具有 生物惰性/活性的金屬、非金屬材料W及多類高分子聚合物材料都可W采用本發(fā)明方式成 形。所制產(chǎn)品兼顧：各孔隙間的連通性、實體材料的連續(xù)性、子結(jié)構(gòu)之間過渡的光滑性、子結(jié) 構(gòu)組合的方便性和任意性。既可W作為具有骨生長的引導、誘導能力的植入材料使用，又可 W應(yīng)用于科學研究：為特定細胞提供可控的生長環(huán)境，進而研究、歸納細胞隨不同環(huán)境的不 同生長規(guī)律。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明設(shè)計的一個圓柱形復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)，由兩種子結(jié)構(gòu)組成，其間的過渡 邊界為另一個圓柱面，該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的徑向變化，用來模仿股骨橫截面處"邊緣孔隙 率小，內(nèi)部孔隙率大"的結(jié)構(gòu)特點。k= 1和k= 0. 02時的模型分別見圖1中的A與B，可 見k值對過渡梯度的控制效果。圖中1，2分別表示兩種子結(jié)構(gòu)。
[00巧]圖2為將圖1結(jié)構(gòu)，一次遞歸地結(jié)合第=種子結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)（即，此復(fù)合