3d打印的數(shù)字化人工骨及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及3D打印的數(shù)字化人工骨及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]創(chuàng)傷性或腫瘤性骨缺損的修復(fù)重建一直是骨科的難題之一。臨床上自體骨移植是目前最有效的治療方法，但存在取材有限，手術(shù)時(shí)間延長，病人二次創(chuàng)傷等缺點(diǎn)。尋找安全而有效地替代自體骨移植方法一直是國際骨科的研究熱點(diǎn)。
[0003]骨骼具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，由外到內(nèi)分別由皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨髓腔組成，而其分級結(jié)構(gòu)包括納米級、微米級、毫米級和厘米級別等。骨在納米尺度上是礦化的膠原纖維，包括膠原微纖維和羥基磷灰石。膠原微纖維由若干原膠原蛋白分子以相互錯開四分之一的陣列規(guī)則平行排列而成，并形成孔區(qū)與重疊區(qū)相互交替的周期性結(jié)構(gòu)，周期大約為67nm。在天然骨中發(fā)現(xiàn)的羥基磷灰石晶體以片狀晶形態(tài)規(guī)整地排列在膠原纖維組成的“凹槽”內(nèi)，晶體厚度為1.5-5nm，寬度約為20nm，長度通常為40_60nm。在微米和毫米尺度上，骨的結(jié)構(gòu)單位為哈佛氏骨單位(皮質(zhì)骨)，或骨小梁(松質(zhì)骨)。皮質(zhì)骨分布于骨的表面，結(jié)構(gòu)致密，只有約10%的孔隙率。松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)疏松，呈海綿狀網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)，孔隙率大約50-90%。
[0004]目前臨床上已在使用的多種人工骨修復(fù)材料在生物相容性、生物活性、生物可降解性及與宿主骨的分級結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能匹配性等方面都有各自的缺點(diǎn)。如采用凍干法制備的人工骨，盡管在納米尺度上和天然骨相匹配，但很難在毫米甚至厘米級別上達(dá)到仿生匹配的效果。而天然骨是由細(xì)胞控制而合成的生物陶瓷/生物高分子復(fù)合材料，這種過程涉及在分子水平上對礦物晶體形核與長大的精細(xì)調(diào)節(jié)，以及有機(jī)與無機(jī)組元的微組裝，這就要求人工骨需要在比納米更高級別的分級結(jié)構(gòu)上和天然骨相仿。由于目前現(xiàn)有工藝及材料制備的人工骨很難與天然骨相匹配，故而給骨缺損患者的修復(fù)治療帶來諸多不便，療效很難令人滿意。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了獲得能夠與患者的缺損部位完美結(jié)合的人工骨，尤其是從毫米級甚至厘米級別上與天然骨相仿的人工骨，本發(fā)明提供一種3D打印的數(shù)字化人工骨及其制備方法。
[0006]作為本發(fā)明的一個(gè)方面，涉及一種3D打印的數(shù)字化人工骨，所述人工骨由皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨髓腔構(gòu)成，所述皮質(zhì)骨由左旋聚乳酸或聚醚醚酮構(gòu)成，所述松質(zhì)骨由左旋聚乳酸和羥基磷灰石混合而成，構(gòu)成所述皮質(zhì)骨的左旋聚乳酸比構(gòu)成所述松質(zhì)骨左旋聚乳酸分子量高，所述皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨同時(shí)經(jīng)3D打印工藝制備而成。具體地，所述人工骨由皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨髓腔構(gòu)成，所述皮質(zhì)骨由高分子量左旋聚乳酸(PLA)，比如分子量為300000的聚乳酸(PLA)，或聚醚醚酮(PEEK)構(gòu)成，所述松質(zhì)骨由左旋聚乳酸(PLA)和羥基磷灰石(HA)混合而成，所述皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨同時(shí)經(jīng)3D打印工藝制備而成。
[0007]更具體地，所述松質(zhì)骨由分子量90000的PLA和HA按2-4:2-5，優(yōu)選4:5的比例混合而成。其中，HA的顆粒粒徑為20-100nm，優(yōu)選80nmo
[0008]作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，涉及一種數(shù)字化人工骨的3D打印方法，包括如下步驟:(1)根據(jù)患者的骨缺損3維數(shù)據(jù)，構(gòu)建CAD實(shí)體模型；(2)通過成形機(jī)數(shù)控轉(zhuǎn)換，將CAD實(shí)體模型生成STL格式文件，再用Med CAD軟件切出厚度為0.2mm的一系列片層；(3)將上述片層資料傳到快速自動成型機(jī)中，采用雙噴頭熔融成形工藝，制備出與患者骨缺損相匹配的數(shù)字化人工骨。
[0009]具體來講，采用雙噴頭熱熔成形工藝，制備出與患者骨缺損相匹配的數(shù)字化人工骨，是指，將高分子量左旋聚乳酸(PLA)，比如分子量為300000的聚乳酸(PLA)，或聚醚醚酮(PEEK)加熱至熔融態(tài)，將左旋聚乳酸(PLA)和羥基磷灰石(HA)的混合物加熱至固液混合態(tài)，經(jīng)不同的3D打印噴頭，分別噴涂到皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨位置。
[0010]具體地，所述左旋聚乳酸(PLA)和羥基磷灰石(HA)的混合物是指，由分子量90000的PLA和HA按2-4:2-5，優(yōu)選4:5的比例混合而成的混合物。其中，HA的顆粒粒徑為20_100nm，優(yōu)選 80nm。
[0011]采用上述方案后，本發(fā)明至少能夠?qū)崿F(xiàn)如下有益效果:
PEEK材料具有質(zhì)量輕、無毒、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是目前與人體骨骼最接近的材料，可與肌體有機(jī)結(jié)合，可用來代替金屬制造人工骨骼。PLA是美國FDA和我國CFDA允許可用于植入材料的高分子材料，具有可塑型、生物相容性優(yōu)異、可降解等特點(diǎn)，是骨缺損的良好填充劑，可連接骨折斷端，防止軟組織長入，并為血管和成骨細(xì)胞的生長提供了良好的支架。HA在組成、結(jié)構(gòu)上與天然骨鹽一致，有很好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性及與骨結(jié)合能力，加上無毒副作用，被廣泛用作硬組織修復(fù)材料和骨填充材料。本發(fā)明通過優(yōu)化材料的混合配比及原材料顆粒大小使所制備的人工骨具有與天然骨相匹配的成分和結(jié)構(gòu)。
[0012]利用3D打印技術(shù)根據(jù)不同患者由CT、磁共振成像(MRI)等檢測方法獲取的數(shù)據(jù)，快速制造個(gè)性化的人工骨組織，獲得理想的組織修復(fù)效果。本發(fā)明采用3D打印調(diào)節(jié)高分子量(300000) PLA或PEEK、適宜分子量PLA (90000)與HA的配比以及HA的顆粒大小，保證晶體結(jié)構(gòu)的大小和性狀穩(wěn)定均一，吸收速度穩(wěn)定，進(jìn)而通過優(yōu)化措施使其吸收速度與新骨生長情況保持一致。
[0013]所述3D打印制備的人工修復(fù)骨具備適宜的降解性能，以便材料的降解速度與新骨的生長速度相匹配，有利于骨愈合；具備較高的孔隙率和適宜的孔徑，有利于營養(yǎng)物質(zhì)和骨細(xì)胞更好地迀入材料中，從而促進(jìn)新骨的生成；具備優(yōu)良的生物相容性，有利于材料與組織相容。
[0014]本發(fā)明所提供的3D打印制備的人工骨具有個(gè)性化設(shè)計(jì)特征，能實(shí)現(xiàn)人工骨與患者病變部位的完美匹配:在納米尺度上，羥基磷灰石晶體長在膠原纖維間隙，且羥基磷灰石晶體的c軸擇優(yōu)取向與膠原纖維軸向平行，具有與人類骨結(jié)構(gòu)相似的礦化膠原纖維；在微米和毫米尺度上，皮質(zhì)骨的孔隙率為10%;松質(zhì)骨的孔隙率為60-80%，孔隙大小為120-220 μπι，具有與人類骨結(jié)構(gòu)相似的孔隙率、孔徑大小和力學(xué)性能。經(jīng)3D打印制備的人工骨具有明顯的分層結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在毫米級甚至厘米級別上與天然骨仿生匹配，而現(xiàn)有工藝制備的人工骨達(dá)不到此效果。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面以具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對本發(fā)明的限定。
[0016]3D打印過程概述如下:根據(jù)不同患者的CT、磁共振成像(MRI)等成像數(shù)據(jù)，獲知患者的骨缺損3維數(shù)據(jù)，使用Simple ware 3.1軟件，構(gòu)建其具體CAD實(shí)體模型，通過成形機(jī)數(shù)控轉(zhuǎn)換，將其生成STL格式文件，再用Med CAD軟件切出厚度為0.2mm的一系列片層，然后將上述每一片資料傳到快速自動成型機(jī)中，采用雙噴頭熱熔成形工藝，并設(shè)定適宜的工藝參數(shù)，如分別設(shè)定好3D打印的各工藝參數(shù)，包括:層厚(A)、填充密度(B)、輪廓絲寬(C)、支撐與實(shí)體間隙(D)、噴頭溫度、工作臺溫度、內(nèi)部填充因子、填充角度和收縮因子。通過這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)及工藝參數(shù)設(shè)定，對配制好的材料及粉末進(jìn)行雙噴頭3D打印成型，雙噴頭設(shè)備中采用不同的噴頭分別噴射成型皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨部分，使原材料在一個(gè)預(yù)先選定的溫度融化并且快速凝固后粘接到前一層上，最終制備出與患者骨缺損相匹配的數(shù)字化人工骨。
[0017]實(shí)施例1
皮質(zhì)骨材料為分子量300000的PLA ;松質(zhì)骨材料為分子量90000的PLA與顆粒大小為20nm的HA混合而成，二者配比為2:2。
[0018]具體3D打印工藝為:
根據(jù)患者的CT、磁共振成像(MRI)等圖像和數(shù)據(jù)，獲知患者的骨缺損3維數(shù)據(jù)，使用Simple ware 3.1軟件，構(gòu)建其具體CAD實(shí)體模型，通過成形機(jī)數(shù)控轉(zhuǎn)換，將其生成STL格式文件，再用Med CAD軟件切出厚度為0.2mm的一系列片層，然后將上述每一片資料傳到快速自動成型機(jī)中。
[0019]快速自動成型機(jī)的材料箱內(nèi)分別容納有分子量300000的PLA，分子量90000的PLA與HA的混合物。
[0020]應(yīng)用3D打印“分層疊加”原理，分別對配制好的材料粉末，加熱至固液混合狀態(tài)，采用雙噴頭成形工藝，依據(jù)CT或MRI數(shù)據(jù)建立的3D模型，通過計(jì)算機(jī)程序控制在不同位置上堆積成相應(yīng)的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，制備出與患者骨缺損相匹配的數(shù)字化人工骨。
[0021]雙噴頭FDM設(shè)備中采用不同的噴頭分別噴射成型皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨部分，原材料在一個(gè)預(yù)先選定的溫度融化并且快速凝固后粘接到前一層上。本實(shí)施例中具體的3D打印工藝各參數(shù)如下:
層厚(A):0.1-0.2mm ;填充密度(B):20% ;輪廓絲寬(C):0.3mm ;支撐與實(shí)體間隙(D):0.65mm ;噴頭溫度:220°C ;工作臺溫度:70°C ;內(nèi)部填充為常規(guī)實(shí)體方式；填充角度:45° ;收縮因子:1.0032o
[0022]本實(shí)施例所打印的數(shù)字化人工骨，在微米和毫米尺度上，皮質(zhì)骨的孔隙率為10% ;松質(zhì)骨的孔隙率為60%，孔隙大小為130 μπι，具有與人類骨結(jié)構(gòu)相似的孔隙率、孔徑大小和力學(xué)性能。
[0023]實(shí)施例2
皮質(zhì)骨材料為分子量300000的PLA ;松質(zhì)骨材料為分子量90000的PLA與顆粒大小為30nm的HA混合而成，二者配比為3:2。
[0024]具體3D打印工藝為:
根據(jù)患者的CT、磁共振成像(MRI)等成像數(shù)據(jù)，獲知患者的骨缺損3維數(shù)據(jù)，使用Simple ware 3.1軟件，構(gòu)建其具體CAD實(shí)體模型，通過成形機(jī)數(shù)控轉(zhuǎn)換，將其生成STL格式文件，再用Med CAD軟件切出厚度