[01466810]可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法

本项目涉及一种生物陶瓷微球人工骨支架的制造方法,特别涉及可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法。来源于国家自然科学基金（50875215）多孔骨支架材料的力、热、流多物理场耦合行为数值分析。 在治疗各种骨缺损、骨再造等手术中,需要在骨缺损的部位植入或填充自体骨或异体骨来达到治愈的目的,使骨骼尽早地恢复其完整性和连续性,以获得正常的力学性能。现有技术中,临床上对大段骨的修复材料有自体骨、异体骨、组织工程骨等。采用自体骨,优点是无免疫排异反应,但是存在来源有限、取骨部位常遗留慢性疼痛等并发症的缺点。采用异体骨,优点是能提供足量不同形状尺寸的皮质骨或松质骨,却存在容易引起免疫反应、易传染病毒疾病的缺点。因此,1995年Crane等系统地提出了组织工程骨的基本概念,利用组织工程学的原理和方法对缺损骨组织进行修复和重建。 理想骨替代物应该满足如下要求： 1、与人体组织具有良好生物相容性,无免疫源反应; 2、与人骨力学性能相近似,且具有一定的强度和支撑力; 3、优良的三维微观结构,保证培养液及血液能够进入骨支架内部,且易于成型; 4、良好的成骨诱导性; 5、具有合适的表面理化性质,且能被宿主骨组织吸收替代; 6、取材方便,易于大量制作。因此,制作人工骨支架时,除了考虑其生物相容性、三维几何结构、表面理化性质之外,很重要的一点,就是考虑其力学性能是否能满足与患者人骨力学性能相近的要求。 基于快速成型法制备人工骨支架是人工骨支架的一种重要制备技术。目前,人工骨支架的快速成型方法主要有：光固化成型工艺、叠层制造、选择性激光烧结、三维印刷成形、熔融沉积制造等。基于喷射技术的人工骨支架的快速成型技术有： 螺杆挤压喷射、活塞挤压喷射、气动挤压喷射、微滴喷射技术、激光引导直写技术、电纺丝技术、蘸笔纳米刻蚀技术等。本项目提出的人工骨支架快速成型方法基于快速成型技术,却又不完全等同于上述已有的人工骨支架的快速成型方法。本项目提出的人工骨支架的快速成型方法,是将瞬干粘结剂喷洒到生物陶瓷微球层上,将其粘结,实现人工骨支架的堆积成型。该方法是在现有人工骨支架快速成型方法的基础上,以成型后人工骨支架的力学性能为设计目标,而提出的一种新型的人工骨支架快速成型方法。 现有的人工骨支架快速成型方法,主要考虑人工骨支架三维形态和微观结构,而很少考虑其力学性能。 为了提高人工骨支架力学可操控性,本项目提出了一种可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法。 为了达到上述目的,本项目采用的技术方案是：一种可控力学性能的生物陶瓷微球人工骨支架快速成型方法,通过控制喷头的扫描运动,将瞬干粘结剂选择性地喷洒到生物陶瓷微球层表面,从而将生物陶瓷微球分层叠加粘结,堆积成型出三维人工骨支架结构。具体步骤如下： 步骤1、计算机处理人工骨支架三维CAD模型,将其从下至上顺序分割成等间距的二维截面图形N份,第i份截面图形面积为Ai,其中间距的大小为生物陶瓷微球的直径; 步骤2、设定每层生物陶瓷微球单位面积上瞬干粘结剂的平均用量为q; 步骤3、将步骤1生成的N份二维截面图形送入快速成型机; 步骤4、i=1,在成型工作台上均匀铺上一层生物陶瓷微球并用铺粉辊压实。 步骤5、调节喷嘴工艺参数,设定工作喷嘴数ni、单个喷嘴流量Qi、第j个工作喷嘴的喷洒时间tj以及喷嘴到生物陶瓷微球层的间距l;控制喷头扫描轨迹,按照第 份截面图形,选择性喷洒瞬干粘结剂到第 层生物陶瓷微球上;对所述瞬干粘结剂的要求是：固化时间为10s～60s、粘度低足以适合喷洒;然后再均匀铺上一层生物陶瓷微球并用铺粉辊压实,形成第i+1层。 步骤6、判断i值,如果i≤N-1,i=i+1 ,重复步骤5;否则,进入下一步; 步骤7、支架制作完毕,取出支架,对支架进行后处理。 首先,本项目通过控制瞬干粘结剂的喷洒量即设定不同的q值,来控制生物陶瓷微球层之间的粘结强度,进而控制整个人工骨支架的力学性能,从而提供了一种满足人工骨支架可控力学性能的快速成型方法,在临床应用中能满足因患者个体差异而引起对人工骨支架力学性能的各异要求。其次,本项目可以通过调节生物陶瓷微球的直径和瞬干粘结剂的喷洒量,获得不同孔隙率和力学梯度的人工骨支架。再者,本项目基于快速成型原理,成型效率高、制备工艺流程简单,材料利用率高。 该项目所掌握的技术已经成熟应用于人工骨支架的制备,能够制备出具有特定孔隙结构及力学性能的骨支架,获得了临床医生和医疗机构的一致好评。此外,该技术还可以用于其它粉末类材料的3D打印,可以实现构件的力学性能可控,具有一定的意义。