專利名稱：一種雙尺度微結(jié)構(gòu)人工骨支架及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療行業(yè)用于骨修復(fù)的人工骨支架，特別涉及一種雙尺度微結(jié)構(gòu)人工骨支架的制備方法。
背景技術(shù)：
對于大段骨缺損，直接使用生物材料進(jìn)行填充修補(bǔ)時，由于生物活性物質(zhì)(生長因子、骨細(xì)胞)、組織液難以滲透入這一大塊材料的內(nèi)部，血管長入的速度也相當(dāng)慢，還難以直接應(yīng)用。醫(yī)學(xué)上對自然骨的解剖學(xué)研究表明，骨骼內(nèi)部存在復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，靠這一套系統(tǒng)保證了骨內(nèi)的血液循環(huán)及營養(yǎng)物質(zhì)的代謝和交換，維持了骨的活性，支持了骨的生長和再生。對于用于修復(fù)大段骨缺損的人工骨支架而言，多孔結(jié)構(gòu)體系是新骨長入和創(chuàng)傷修復(fù)必備的條件，沒有這些多孔結(jié)構(gòu)，所植入的人工骨將不能完成細(xì)胞爬行和成骨替代過程而成為永久的死骨。因此，人工骨支架必須是具有一定孔隙率的三維多孔體系結(jié)構(gòu)，以提供足夠的面積供細(xì)胞附著，便于血管長入和以后的降解。骨組織只能在那些能保護(hù)成骨細(xì)胞免受其他組織侵襲的孔隙中形成。另外，孔的大小也會影響成骨活動，過小的孔徑?jīng)]有足夠的空間供細(xì)胞生長和營養(yǎng)血管的長入，影響細(xì)胞分泌基質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的滲入。多數(shù)研究結(jié)果表明孔徑應(yīng)大于100μm，最好在200～600μm之間，過大的孔徑則會影響人工骨支架的力學(xué)性能。目前的多孔生物陶瓷材料已經(jīng)能夠完全滿足這兩個條件，并可觀察到血管長入和新骨形成。但是，孔隙不相通使得新骨之間不能相互連接，而缺乏連續(xù)性和整合性，血管常不能進(jìn)入到這些孔的盲端，因而在這個部位只能形成軟骨樣組織。另一方面，細(xì)胞在支架內(nèi)的均勻分布有利于支架內(nèi)部均勻一致的組織的形成?，F(xiàn)有的人工骨支架微結(jié)構(gòu)主要有孔狀和管狀等，孔狀孔隙養(yǎng)分運(yùn)輸功能比較差，管狀孔隙制備過程中難以形成很高孔隙率。保證細(xì)胞能得到一個穩(wěn)定的生長環(huán)境，其營養(yǎng)供應(yīng)途徑又能得以有效控制，因此提出了含球形孔及微管系統(tǒng)的新型人工骨支架。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種雙尺度微結(jié)構(gòu)人工骨支架及其制備方法，該結(jié)構(gòu)的人工骨支架具有更理想的成骨轉(zhuǎn)化效果。
支架微結(jié)構(gòu)一種雙尺度微結(jié)構(gòu)人工骨支架，該支架微結(jié)構(gòu)包括微觀尺度管道的球形連通孔和宏觀尺度的管狀管道系統(tǒng)，微尺度管道是一些相互連通的球形連通孔，宏觀尺度的管道系統(tǒng)是相互導(dǎo)通的直管道，球形連通孔與直管道之間亦相互連通，球形連通孔是隨機(jī)分布的。管狀管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和尺寸可根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)計，是可控制的，球連孔尺寸可以控制，在用于體外構(gòu)建組織工程過程中，管狀管道系統(tǒng)內(nèi)流體速度較高，主要為細(xì)胞生長提供營養(yǎng)，球連孔主要起固定細(xì)胞并維持細(xì)胞生長的環(huán)境。
支架的制備方案該支架采用光固化快速成形設(shè)備制備人工骨支架負(fù)型，然后填充石蠟小球及生物材料漿體固化后，燒結(jié)成形，氣化，獲得需要的人工骨支架，具體包括以下步驟1)通過CT掃描獲取支架外形數(shù)據(jù)或通過CAD軟件直接設(shè)計支架外形，采用CAD軟件設(shè)計支架內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，再將支架外形和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)復(fù)合，形成含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型；2)將含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL文件格式，通過快速成形分層軟件Rpdata作分層切片處理，生成光固化快速成型設(shè)備默認(rèn)的格式文件，格式文件輸入到光固化快速成型設(shè)備中，由光固化快速成型設(shè)備制備出含宏觀尺度管道支架的樹脂模具；3)制備石蠟小球?qū)①|(zhì)量比為1∶18～1∶22的凝膠與石蠟溶于300～500ml蒸餾水，加熱到80～90℃攪拌并保溫1～3小時，再加入200～400ml冰水同時冰水浴3～10分鐘，取出石蠟小球過濾，在20℃～40℃環(huán)境中真空烘干，得到需要的石蠟小球；4)將上述得到的石蠟小球填入樹脂模具中，填實后注入生物材料漿體，生物材料漿體成分為β-TCP 10g，去離子水8.5ml，丙稀酰銨2g，N，N-二甲基二丙稀酰銨0.1g，聚丙稀酸銨0.2g，過硫酸銨0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰銨0.05g；待生物材料漿體固化后熱分解去模，并燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度1000℃～1200℃，保溫2～4小時，即可獲得雙尺度管道系統(tǒng)支架，其結(jié)構(gòu)為相互連通的管狀微管系統(tǒng)和球形連通孔。
所述的宏觀尺度管道為相互連通的管狀管道系統(tǒng)，尺寸根據(jù)需要設(shè)計。
本發(fā)明與以往的支架相比，同時解決了內(nèi)部孔隙導(dǎo)通、孔隙率與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制等問題，微尺度連通孔結(jié)構(gòu)的作用在于固定、容納細(xì)胞，宏觀尺度連通管道系統(tǒng)的作用在于提供流體動力，保證營養(yǎng)的連續(xù)供給，并使流場分布更均勻，解決了單純球形孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)堵塞及細(xì)胞分布不均勻的問題。該結(jié)構(gòu)將取得理想的成骨性能及細(xì)胞生物學(xué)性能。
本發(fā)明結(jié)合了可控孔隙率與可控結(jié)構(gòu)支架制備工藝，能制備更大范圍的管道系統(tǒng)，同時保證制備支架的完整性。


圖1是本發(fā)明支架微結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的制備流程圖；圖3是石蠟制備工藝示意圖；
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實施例方式
參照圖1所示，支架微結(jié)構(gòu)由相互連通的宏觀尺度管狀管道系統(tǒng)和微管尺度的球形連通孔構(gòu)成，管狀管道系統(tǒng)和部分球連孔也是相互連通的，管狀管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和尺寸可根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)計，是可控制的，球連孔尺寸可以控制，但結(jié)構(gòu)是隨機(jī)的。在用于體外構(gòu)建組織工程過程中，管狀管道系統(tǒng)內(nèi)流體速度較高，主要為細(xì)胞生長提供營養(yǎng)，球連孔主要起固定細(xì)胞并維持細(xì)胞生長的環(huán)境。
參照圖2所示，具體步驟如下1)通過CT掃描獲取支架外形數(shù)據(jù)或通過CAD軟件直接設(shè)計支架外形，采用CAD軟件設(shè)計支架內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，再將支架外形和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)復(fù)合，形成含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型；2)將含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL文件格式，通過快速成形分層軟件Rpdata作分層切片處理，生成光固化快速成型設(shè)備默認(rèn)的格式文件，格式文件輸入到光固化快速成型設(shè)備中，由光固化快速成型設(shè)備制備出含宏觀尺度管道支架的樹脂模具；3)制備石蠟小球?qū)①|(zhì)量比為1∶18～1∶22的凝膠與石蠟溶于300～500ml蒸餾水，加熱到80～90℃攪拌并保溫1～3小時，再加入200～400ml冰水同時冰水浴3～10分鐘，取出石蠟小球過濾，在20℃～40℃環(huán)境中真空烘干，得到需要的石蠟小球；4)將上述得到的石蠟小球填入樹脂模具中，填實后注入生物材料漿體，生物材料漿體成分為β-TCP 10g，去離子水8.5ml，丙稀酰銨2g，N，N-二甲基二丙稀酰銨0.1g，聚丙稀酸銨0.2g，過硫酸銨0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰銨0.05g；待生物材料漿體固化后熱分解去模，并燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度1000℃～1200℃，保溫2～4小時，即可獲得含球形連通孔及管狀連通孔的支架。
參照圖3所示，制備石蠟小球?qū)①|(zhì)量比為1∶1 8～1∶22的凝膠與石蠟溶于300～500ml蒸餾水，加熱到80～90℃攪拌并保溫1～3小時，再加入200～400ml冰水同時冰水浴3～10分鐘，取出石蠟小球過濾，在20℃～40℃環(huán)境中真空烘干，得到需要的石蠟小球；實施例一本發(fā)明具體步驟如下1)通過CT掃描獲取支架外形數(shù)據(jù)或通過CAD軟件直接設(shè)計支架外形，采用CAD軟件設(shè)計支架內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，再將支架外形和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)復(fù)合，形成含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型；2)將含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL文件格式，通過快速成形分層軟件Rpdata作分層切片處理，生成光固化快速成型設(shè)備默認(rèn)的格式文件，格式文件輸入到光固化快速成型設(shè)備中，由光固化快速成型設(shè)備制備出含宏觀尺度管道支架的樹脂模具；3)制備石蠟小球?qū)①|(zhì)量比為1∶18的凝膠與石蠟溶于300ml蒸餾水，加熱到80℃攪拌并保溫2小時，再加入250ml冰水同時冰水浴6分鐘，取出石蠟小球過濾，在25℃環(huán)境中真空烘干，得到需要的石蠟小球；4)將上述得到的石蠟小球填入樹脂模具中，填實后注入生物材料漿體，生物材料漿體成分為β-TCP 10g，去離子水8.5ml，丙稀酰銨2g，N，N-二甲基二丙稀酰銨0.1g，聚丙稀酸銨0.2g，過硫酸銨0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰銨0.05g；待生物材料漿體固化后熱分解去模，并燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度1000℃，保溫2.5小時，即可獲得含球形連通孔及管狀連通孔的支架。
實施例二本發(fā)明具體步驟如下1)通過CT掃描獲取支架外形數(shù)據(jù)或通過CAD軟件直接設(shè)計支架外形，采用CAD軟件設(shè)計支架內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，再將支架外形和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)復(fù)合，形成含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型；
2)將含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL文件格式，通過快速成形分層軟件Rpdata作分層切片處理，生成光固化快速成型設(shè)備默認(rèn)的格式文件，格式文件輸入到光固化快速成型設(shè)備中，由光固化快速成型設(shè)備制備出含宏觀尺度管道支架的樹脂模具；3)制備石蠟小球?qū)①|(zhì)量比為1∶20的凝膠與石蠟溶于350ml蒸餾水，加熱到85℃攪拌并保溫3小時，再加入350ml冰水同時冰水浴8分鐘，取出石蠟小球過濾，在25℃環(huán)境中真空烘干，得到需要的石蠟小球；4)將上述得到的石蠟小球填入樹脂模具中，填實后注入生物材料漿體，生物材料漿體成分為β-TCP 10g，去離子水8.5ml，丙稀酰銨2g，N，N-二甲基二丙稀酰銨0.1g，聚丙稀酸銨0.2g，過硫酸銨0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰銨0.05g；待生物材料漿體固化后熱分解去模，并燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度1050℃，保溫3小時，即可獲得含球形連通孔及管狀連通孔的支架。
實施例三本發(fā)明具體步驟如下1)通過CT掃描獲取支架外形數(shù)據(jù)或通過CAD軟件直接設(shè)計支架外形，采用CAD軟件設(shè)計支架內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，再將支架外形和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)復(fù)合，形成含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型；2)將含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL文件格式，通過快速成形分層軟件Rpdata作分層切片處理，生成光固化快速成型設(shè)備默認(rèn)的格式文件，格式文件輸入到光固化快速成型設(shè)備中，由光固化快速成型設(shè)備制備出含宏觀尺度管道支架的樹脂模具；3)制備石蠟小球?qū)①|(zhì)量比為1∶22的凝膠與石蠟溶于400ml蒸餾水，加熱到90℃攪拌并保溫3.5小時，再加入400ml冰水同時冰水浴10分鐘，取出石蠟小球過濾，在25℃環(huán)境中真空烘干，得到需要的石蠟小球；4)將上述得到的石蠟小球填入樹脂模具中，填實后注入生物材料漿體，生物材料漿體成分為β-TCP 10g，去離子水8.5ml，丙稀酰銨2g，N，N-二甲基二丙稀酰銨0.1g，聚丙稀酸銨0.2g，過硫酸銨0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰銨0.05g；待生物材料漿體固化后熱分解去模，并燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度1100℃，保溫3.5小時，即可獲得含球形連通孔及管狀連通孔的支架。
制備的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)與設(shè)計結(jié)構(gòu)一致，支架設(shè)計尺寸和獲得尺寸有一定的偏差，經(jīng)測量，外形尺寸的收縮率一般在7％以內(nèi)，而微管尺寸和微球孔尺寸收縮率一般在10％以內(nèi)，制備后的支架內(nèi)部球形孔是相互連通的，管道與球形孔之間亦相交。
權(quán)利要求
1.一種雙尺度微結(jié)構(gòu)人工骨支架，其特征在于，該支架微結(jié)構(gòu)包括微觀尺度管道的球形連通孔和宏觀尺度的管狀管道系統(tǒng)，微尺度管道是一些相互連通的球形連通孔，宏觀尺度的管道系統(tǒng)是相互導(dǎo)通的直管道，球形連通孔與直管道之間亦相互連通，球形連通孔是隨機(jī)分布。
2.一種雙尺度微結(jié)構(gòu)人工骨支架的制備方法，其特征在于，采用光固化快速成形設(shè)備制備人工骨支架負(fù)型，然后填充石蠟小球及生物材料漿體固化后，燒結(jié)成形，氣化，獲得需要的人工骨支架，具體包括以下步驟1)通過CT掃描獲取支架外形數(shù)據(jù)或通過CAD軟件直接設(shè)計支架外形，采用CAD軟件設(shè)計支架內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，再將支架外形和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)復(fù)合，形成含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型；2)將含宏觀尺度管道人工骨支架負(fù)型的CAD模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL文件格式，通過快速成形分層軟件Rpdata作分層切片處理，生成光固化快速成型設(shè)備默認(rèn)的格式文件，格式文件輸入到光固化快速成型設(shè)備中，由光固化快速成型設(shè)備制備出含宏觀尺度管道支架的樹脂模具；3)制備石蠟小球?qū)①|(zhì)量比為1∶18～1∶22的凝膠與石蠟溶于300～500ml蒸餾水，加熱到80～90℃攪拌并保溫1～3小時，再加入200～400ml冰水同時冰水浴3～10分鐘，取出石蠟小球過濾，在20℃～40℃環(huán)境中真空烘干，得到需要的石蠟小球；4)將上述得到的石蠟小球填入樹脂模具中，填實后注入生物材料漿體，生物材料漿體成分為β-TCP10g，去離子水8.5ml，丙稀酰銨2g，N，N-二甲基二丙稀酰銨0.1g，聚丙稀酸銨0.2g，過硫酸銨0.3g，N，N，N，N-四甲基乙酰銨0.05g；待生物材料漿體固化后熱分解去模，并燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度1000℃～1200℃，保溫2～4小時，即可獲得雙尺度管道系統(tǒng)支架，其結(jié)構(gòu)為相互連通的管狀微管系統(tǒng)和球形連通孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙尺度微結(jié)構(gòu)人工骨支架及其制備方法，該支架微結(jié)構(gòu)包括微觀尺度的球連孔和宏觀尺度的管道系統(tǒng)，微尺度管道是一些相互連通的球形孔組成，宏觀尺度的管道系統(tǒng)是相互導(dǎo)通的直管道，球形孔與管道之間亦相互連通，球形孔是隨機(jī)分布的，管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是可控的。首先以計算機(jī)輔助設(shè)計CAD和光固化快速成形技術(shù)為基礎(chǔ)，精確設(shè)計和控制宏觀尺度管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，制備得到該人工骨負(fù)型的樹脂模具，在模具中填充一定直徑的石蠟小球適當(dāng)加壓，再填充生物材料漿體，待其固化真空烘干后，通過熱分解去除樹脂模具及石蠟小球，形成具有微尺度的球形孔及宏觀尺度的管道系統(tǒng)的人工骨支架。該支架具有更理想的成骨轉(zhuǎn)化效果。
文檔編號A61L27/00GK1994243SQ20061010534
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者李滌塵, 徐尚龍, 王璐 申請人:西安交通大學(xué)