專利名稱：孔隙率可控的人工骨支架制備方法
孔隙率可控的人工骨支架制備方法所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種基于多孔生物陶瓷微球人工骨支架的制備方法。涉及以離散數(shù)值仿真、顆粒流數(shù)值仿真為計算理論，通過控制可速溶生物小球的數(shù)量和半徑來獲得不同孔隙率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能力，但對于因創(chuàng)傷、感染、腫瘤及發(fā)育畸形等原因造成地大段骨缺損，單純依靠骨器官自修復功能無法愈合，需采用骨移植手術(shù)治療。移植材料主要有自體骨、異體骨和人工替代骨，自體骨組織移植效果很好，無免疫排異反應(yīng)， 但是來源有限且需要二次手術(shù)及取骨部位常遺留慢性疼痛等并發(fā)癥的缺點。異體骨移植不需兩次手術(shù)，且具有自體骨的組織特點，能提供足量不同形狀尺寸的皮質(zhì)骨或松質(zhì)骨，但移植骨在經(jīng)消毒處理后會失去強度，部分或完全損失骨誘導因子，并有感染病毒的危險。為了克服這些局限，1995年Crane等系統(tǒng)地提出了組織工程骨的基本概念，利用組織工程學的原理和方法對缺損骨組織進行修復和重建，要求移植骨不僅具有與人體骨骼相匹配的力學性能，且兼具骨傳導和誘導等功能。理想骨替代物應(yīng)該滿足如下要求1、與人體組織具有良好生物相容性，無免疫源反應(yīng)；2、與人骨力學性能相近似，且具有一定的強度和支撐力；3、優(yōu)良的三維微觀結(jié)構(gòu)，保證培養(yǎng)液及血液能夠進入骨支架內(nèi)部，且易于成型；4、良好的成骨誘導性；5、具有合適的表面理化性質(zhì)，且能被宿主骨組織吸收替代；6、取材方便，易于大量制作。因此，在保證人工骨的承載功能(彈性模量)滿足要求的前提下，人工骨需要制成多孔結(jié)構(gòu)，即滿足一定的孔隙率，從而促進人工骨體內(nèi)生物相容性，保證骨細胞和營養(yǎng)液物質(zhì)在支架內(nèi)的傳輸。由于不同部位的人工骨有其特定的孔隙率，故孔隙率可控的人工骨支架制備方法是對現(xiàn)有骨支架制備的創(chuàng)新和探索。發(fā)明專利CN100536802C公開了一種雙尺度微結(jié)構(gòu)人工骨支架及其制備方法，該方法基于計算機輔助設(shè)計CAD和光固化快速成型技術(shù)，先制備人工骨負型的樹脂模具，在模具中填充一定直徑的石蠟小球適當加壓，再填充生物材料漿體，待固化后真空烘干，最后，熱分解去除樹脂模具和石蠟小球，形成宏觀尺度的管道系統(tǒng)和微觀尺度的球形孔。其特點是，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)，球形孔隨機分布，管道系統(tǒng)可預(yù)先設(shè)計。但是該方法仍然存在如下問題制備支架的有機粘結(jié)劑需要在高溫下燒除，延長了支架制作時間，提高了制備成本，并增加生物陶瓷顆粒被污染的幾率，同時也不能根據(jù)實際需要來精確的控制骨架的孔隙率。公開號為CN101690828A的中國專利公開了一種多孔生物陶瓷制備方法，該方法通過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，通過冷凍、干燥、 燒結(jié)，制備出外面相對致密，內(nèi)部相對疏松的生物陶瓷支架，但是該方法仍存在如下問題 制備的多孔生物陶瓷支架外部致密的結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)液很難在其中輸送，同時也不能根據(jù)實際情況精確控制其孔隙率，制備支架的有機粘結(jié)劑需要在高溫下燒除，也會延長支架制作時間，提高成本，并增加生物陶瓷顆粒被污染的幾率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)人工骨支架不能控制孔隙率，難以滿足病人個體差異和不同部位骨骼需求等缺點。本發(fā)明提出一種可控孔隙率的生物陶瓷微球支架的制備方法。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種孔隙率可控的人工骨支架制備方法，具體包括以下步驟步驟1、通過理論計算或模擬仿真，在生物陶瓷小球半徑選定的條件下，通過改變可速溶生物小球的數(shù)量或半徑，得到一種符合病人個體骨孔隙率的模型，記下此時的生物陶瓷小球和可速溶生物小球數(shù)量比N及生物陶瓷小球直徑值D、可速溶生物小球直徑d ；步驟2、計算機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3、將步驟2中輸出的N份二維截面圖形導入三維打印機；將生物膠黏劑裝入三維打印機的儲液腔，且按照步驟1所得的參數(shù)將兩種小球混合均勻，其中生物陶瓷微球直徑為D，可速溶微球直徑為d ；步驟4、i = 1，在成型工作臺上均勻的鋪上一層混合微球；步驟5、啟動三維打印機，把第i層生物膠黏劑噴灑到第i層混合微球上；然后再均勻鋪上一層混合微球，形成第i+Ι層；步驟6、判斷i值，如果1 <N，則i = i+Ι，重復步驟5 ；否則，進入下一步；步驟7、支架制作完畢，取出支架；然后將支架放入到蒸餾水中，待可速溶微球完全溶解后取出，并用生物溶解液反復浸泡和沖洗，最后對支架進行真空烘干處理。本發(fā)明的有益效果是該方法首先根據(jù)病患個體特性建立CAD模型，將該模型導入三維打印機，根據(jù)離散數(shù)值分析顆粒流軟件數(shù)值計算結(jié)果，按一定比例均勻混合生物陶瓷小球和生物可速溶小球；然后通過三維打印機噴灑生物膠黏劑粘結(jié)混合球，實現(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程中由于燒結(jié)而可能導致污染的弱點，本發(fā)明采用了將可速溶小球溶解于生物溶解液來獲取孔隙率，避免了制備過程中的燒結(jié)以及化學反應(yīng)給人工骨支架帶來的污染。還可以通過控制可速溶小球的數(shù)量和半徑來獲得滿足一定力學性能和孔隙率的生物陶瓷人工骨支架。其效果主要體現(xiàn)在以下三個方面1)本發(fā)明的人工骨支架制備過程無需燒除，而是利用了生物微球可速溶易溶于水的性質(zhì)來處理，這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，同時還可以精確的控制后處理時間。2)本發(fā)明是建立在以離散顆粒數(shù)值計算理論，通過改變混合球中小球數(shù)目的百分比和小球半徑，從而使人工骨支架的孔隙率實現(xiàn)精確有效可控。3)本發(fā)明采用可速溶材料為制孔小球，可速溶小球成本低廉，且不會給人工骨帶來污染，對人體也沒有危害性，而且很容易就被人體吸收，此外還避免了制作模具的成本和時間，從而提高了制造的效率和降低了制作成本。具體實施實例本實施例中可控制孔隙率生物陶瓷微球人工骨支架的制備方法，具體包括以下步驟一種可控制孔隙率生物陶瓷微球人工骨支架的制備方法，具體包括以下步驟步驟1、運用PFC3D顆粒流軟件來進行建模及其仿真，取大球直徑D為0. 6mm,小球的直徑d為0. 3mm,當人工骨孔隙率為0. 59時，大小球數(shù)量比N為1 6。步驟2、計算機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 0. 6mm的二維截面圖形5份，其中0. 6mm的大小為生物陶瓷微球的直徑；步驟3、將步驟2中輸出的5份二維截面圖形導入三維打印機；將生物膠黏劑裝入三維打印機的儲液腔，且按步驟1所得的參數(shù)將兩種小球混合均勻，其中直徑為0. 6mm的小球為生物陶瓷微球，直徑為0. 3mm的小球為葡萄糖材料微球；步驟4、i = 1 ；在成型工作臺上均勻的鋪上一層混合微球；步驟5、啟動三維打印機，把第i層生物膠黏劑噴灑到第i層混合微球上；然后再均勻鋪上一層混合小球，形成第i+Ι層；步驟6、判斷i值，如果i < 5，則i = i+Ι，進入步驟7 ；否則，進入下一步；步驟7、支架制作完畢，取出支架；然后將支架放入到純水中，待葡萄糖小球完全溶解后將其取出，并用生理鹽水對支架進行清洗；最后對支架進行真空烘干和后處理。本實施實例制作的人工骨支架樣本的孔隙率為0. 61，非常接近設(shè)計的人工骨孔隙率0. 59.有效彈性模量為34Mpa。使用本發(fā)明提出的方法，可以驗證以下兩種情況下人工骨支架孔隙率及有效彈性模量的情況1)不同數(shù)量比制作出不同孔隙率的人工骨支架，使用以上實例中的二種生物小球，在改變二種小球數(shù)量比的條件下制作出多種人工骨支架，其相應(yīng)的孔隙率和有效彈性模量如表1所示。表1不同混合比例下制作的人工骨支架的孔隙率和有效彈性模量
權(quán)利要求
1. 一種孔隙率可控的人工骨支架制備方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1、通過理論計算或模擬仿真，在生物陶瓷小球半徑選定的條件下，通過改變可速溶生物小球的數(shù)量或半徑，得到一種符合病人個體骨孔隙率的模型，記下此時的生物陶瓷小球和可速溶生物小球數(shù)量比N及生物陶瓷小球直徑值D、可速溶生物小球直徑d ；步驟2、計算機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3、將步驟2中輸出的N份二維截面圖形導入三維打印機；將生物膠黏劑裝入三維打印機的儲液腔，且按照步驟1所得的參數(shù)將兩種小球混合均勻，其中生物陶瓷微球直徑為D，可速溶微球直徑為d;步驟4、i = 1，在成型工作臺上均勻的鋪上一層混合微球；步驟5、啟動三維打印機，把第i層生物膠黏劑噴灑到第i層混合微球上；然后再均勻鋪上一層混合微球，形成第i+Ι層；步驟6、判斷i值，如果i < N，則i = i+Ι，重復步驟5 ；否則，進入下一步； 步驟7、支架制作完畢，取出支架；然后將支架放入到蒸餾水中，待可速溶微球完全溶解后取出，并用生物溶解液反復浸泡和沖洗，最后對支架進行真空烘干處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種孔隙率可控的人工骨支架制備方法。該方法首先根據(jù)病患個體特性建立CAD模型，將該模型導入三維打印機，根據(jù)離散數(shù)值分析顆粒流軟件數(shù)值計算結(jié)果，按一定比例均勻混合生物陶瓷小球和生物可速溶小球；然后通過三維打印機噴灑生物膠黏劑粘結(jié)混合球，實現(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程中由于燒結(jié)而可能導致污染的弱點，本發(fā)明采用了將可速溶小球溶解于生物溶解液來獲取孔隙率，避免了制備過程中的燒結(jié)以及化學反應(yīng)給人工骨支架帶來的污染。還可以通過控制可速溶小球的數(shù)量和半徑來獲得滿足一定力學性能和孔隙率的生物陶瓷人工骨支架。
文檔編號A61F2/28GK102499794SQ20111034724
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者葉東東, 周金華, 李鵬林, 楊明明, 毛海龍, 汪焰恩, 潘飛龍, 王月波, 秦琰磊, 郭葉, 韓琴, 魏慶華, 魏生民, 龍水軍 申請人:西北工業(yè)大學