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一种三层复合骨植入假体及其制备方法

阅读：1024发布：2020-08-12

专利汇可以提供一种三层复合骨植入假体及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种三层复合骨植入假体及其制备方法，应用于大块骨缺损修复。本假体是由致密的芯层、网状的过渡层以及具有微孔结构的壳层构成的复合骨植入假体。首先根据CT扫描数据，建立骨缺损部位模型，并对该部分模型进行有限元分析得到其受力情况，再按照受力情况进行3D打印的路径规划；然后采用FDM工艺制备复合骨植入假体的芯层和过渡层；最后采用静电纺丝工艺制备骨植入假体的壳层。与传统材料制成的骨植入假体相比，本发明复合骨植入假体具有良好的生物相容性，同时在保证骨植入假体的机械性能情况下，不产生应力屏蔽效果，使周围骨组织出现骨流失的情况，还可用于CT扫描检查。，下面是一种三层复合骨植入假体及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种三层复合骨植入假体,其特征在于：由致密的芯层、网状的过渡层以及具有微孔结构的壳层构成复合骨植入假体。
2.根据权利要求1所述三层复合骨植入假体，其特征在于：所述芯层使用聚醚醚酮采用熔融沉积成型方法制备，芯层打印路径按照骨植入假体在工作状态受力情况规划，使芯层能够承受载荷，保证所述三层复合骨植入假体的机械性能。
3.根据权利要求1所述三层复合骨植入假体，其特征在于：所述过渡层使用和所述芯层的材料一样，所述过渡层采用熔融沉积成形方法制备，在所述芯层上成形；所述过渡层在芯层和壳层之间，起到连接作用，网状结构有利于壳层更好的和芯层结合。
4.根据权利要求1所述三层复合骨植入假体，其特征在于：所述壳层使用可生物降解的生物材料采用静电纺丝工艺制备，在所述过渡层上成形；所述壳层作为利于细胞黏附和生长的生物支架，保证所述三层复合骨植入假体的生物性能。
5.一种根据权利要求1所述三层复合骨植入假体的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
步骤a：利用CT扫描数据，建立骨缺损部分的三维模型；
步骤b：对所述步骤a中得到的三维模型进行受力分析，获得该模型的应力应变分布图；
步骤c：根据所述步骤b得到的应力应变分布图规划三层复合骨植入假体的芯层打印路径；
步骤d：利用复合多轴生物3D打印装置，采用熔融沉积成型工艺在接收平台上打印三层复合骨植入假体的支撑；
步骤e：利用复合多轴生物3D打印装置，采用熔融沉积成型工艺在所述步骤d得到的支撑上按照所述步骤c得到的规划路径打印三层复合骨植入假体的芯层；
步骤f：利用复合多轴生物3D打印装置，采用熔融沉积成型工艺在所述步骤e中制备的芯层上打印三层复合骨植入假体的过渡层；
步骤g：利用复合多轴生物3D打印装置，采用静电纺丝工艺在所述步骤f中制备的过渡层上打印三层复合骨植入假体的壳层。

说明书全文

一种三层复合骨植入假体及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明主要涉及生物3D打印和再生医学技术领域，特别是涉及一种三层复合的骨植入假体及其制备方法，主要应用于骨组织缺损的修复等领域。

背景技术

[0002] 每年由于创伤、肿瘤、事故、先天性畸形等原因，造成大面积的组织缺损、肢体缺损等疾病仍然没有得到有效治愈。单是骨植入物，每年全球就有近百万的病例需求。

[0003] 骨移植分为自体移植、异体移植以及异源移植。目前的骨移植手术多采用异体移植，但是供体不足的问题一直困扰着医患。

[0004] 3D 打印技术是一种新型的快速成型技术，是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。随着相关技术的发展和日益成熟，3D打印在生物制造领域开始被广泛应用。研究人员把目光聚焦到3D打印骨植入物上，希望得到性能更好的骨植入物。

[0005] 目前研究的重点集中在骨植入物的生物性能和机械性能上。为了保证具有较好的力学性能和生物性能，目前骨植入假体多采用钛等具有较好生物相容性的金属材料来加工制作。

[0006] 金属类材料制作的骨植入假体具有较强的力学性能，但当骨植入物假体的机械性能过强时，该部分的应力主要集中在了骨植入假体上，周围健康骨承受应力较小，造成应力屏蔽，出现骨流失。

[0007] 患者使用金属类材料制作的骨植入假体后，无法正常使用CT进行身体检查。

发明内容

[0008] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种三层复合骨植入假体及其制备方法。该三层复合骨植入假体具有良好的力学性能和生物性能，在承受患者运动时受到力的同时，三层复合骨植入假体不会对周围骨组织造成应力屏蔽，使周围骨组织出现骨流失现象；三层复合骨植入假体能够和周围组织较好的相融合，随着骨的增长在体内分解。

[0009] 一种三层复合骨植入假体为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：该三层复合骨植入假体分为芯层、过渡层和壳层，各层分别保证三层复合骨植入假体的力学性能和生物性能。

[0010] 所述芯层由具有较强力学性能且具有生物相容性的非金属材料制成，外形与缺损骨缺损部位的形状相似，保证三层复合骨植入假体工作时能够承受较大载荷。

[0011] 所述过渡层材料与芯层材料相同，是具有较强力学性能且具有生物相容性的非金属材料制成，是具有一定孔隙结构的孔洞状或网状结构，使得壳层的材料更加牢固地攀附在芯层表面，保证骨植入假体结构的一体性。

[0012] 所述壳层为可降解生物材料，为微纳米级的纤维丝状膜结构，为细胞提供黏附生长的空间环境，随着骨细胞的增殖逐渐降解，被骨组织替代。

[0013] 所述芯层和过渡层的材料可以是PEEK等具有生物相容性且力学性能较强的材料。

[0014] 所述壳层可以是羟基磷灰石、壳聚糖等可降解生物材料。

[0015] 本发明三层复合骨植入假体的制备方法如下：所述芯层所采用材料有一定的力学性能，不易产生应力屏蔽效应，但是为了保证足够的强度来承受三层复合骨植入假体工作时受到的力，利用熔融沉积成形工艺，得到三层复合骨植入假体与缺损部分相吻合，其打印路径参照骨植入假体受力方向来设计。

[0016] 需要先对缺损部位进行数据建模。根据CT扫描数据，建立3D模型，参照常规将缺损部位补充完整，得到三层复合骨植入假体模型，有限元分析用于打印路径设计。

[0017] 不同部位所需的三层复合骨植入假体的形状不同，其受力方向也存在多种情况，传统的三轴生物3D 打印机已经不能满足加工需求，需要多轴联动的3D生物打印设备进行加工。

[0018] 过渡层采用采用熔融沉积成形工艺，在芯层表面打印网格状结构。

[0019] 壳层采用静电纺丝工艺，得到微纳米级的纤维丝状膜结构，用于细胞的攀附和增殖分化。

[0020] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明的骨植入假体分成多层，分别保证骨植入假体的生物性能和力学性能，更好地应用于临床治疗。芯层的制作采用熔融沉积成形工艺，能够加工制作出各种复杂结构，满足多种需求。附图说明

[0021] 图1是本发明三层复合骨植入假体的结构示意图；图2是本发明三层复合骨植入假体制备装置喷头示意图；
图3是本发明三层复合骨植入假体制备装置接受平台示意图；
图4是本发明三层复合骨植入假体使用案例中所修复位置示意图。

具体实施方式

[0022] 本发明的优选实施例结合附图详述如下：实施例一：参见图1，本三层复合骨植入假体由致密的芯层1、网状的过渡层2以及具有微孔结构的壳层3构成。

[0023] 实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述芯层使用聚醚醚酮采用熔融沉积成型方法制备，芯层打印路径按照骨植入假体在工作状态受力情况规划，使芯层能够承受载荷，保证所述三层复合骨植入假体的机械性能。

[0024] 所述过渡层使用和所述芯层的材料一样，所述过渡层采用熔融沉积成形方法制备，在所述芯层上成形；所述过渡层在芯层和壳层之间，起到连接作用，网状结构有利于壳层更好的和芯层结合。

[0025] 所述壳层使用可生物降解的生物材料采用静电纺丝工艺制备，在所述过渡层上成形；所述壳层作为利于细胞黏附和生长的生物支架，保证所述三层复合骨植入假体的生物性能。

[0026] 实施例三：参见图2和图3，所述三层复合骨植入假体的制备方法，其制备步骤如下：步骤a：利用CT扫描数据，建立骨缺损部分的三维模型；步骤b：对所述步骤a中得到的三维模型进行受力分析，获得该模型的应力应变分布图；步骤c：根据所述步骤b得到的应力应变分布图规划三层复合骨植入假体的芯层打印路径；步骤d：利用复合多轴生物3D打印装置，采用熔融沉积成型工艺在接收平台上打印三层复合骨植入假体的支撑；步骤e：利用复合多轴生物3D打印装置，采用熔融沉积成型工艺在所述步骤d得到的支撑上按照所述步骤c得到的规划路径打印三层复合骨植入假体的芯层；步骤f：利用复合多轴生物3D打印装置，采用熔融沉积成型工艺在所述步骤e中制备的芯层上打印三层复合骨植入假体的过渡层；步骤g：利用复合多轴生物3D打印装置，采用静电纺丝工艺在所述步骤f中制备的过渡层上打印三层复合骨植入假体的壳层。

[0027] 实施例四：在该方法的实际设计中，如图1所示，本发明的三层复合骨植入假体由芯层1、过渡层2和壳层3三部分组成，外形与骨缺损部位相吻合。芯层1为按照受力方向以PEEK材料采用熔融沉积成形工艺，具有良好的力学性能，同时由于其生物力学性能与天然骨接近，因此不易产生应力屏蔽效应，从而减小了周围骨组织的骨流失情况，且由于其不属于金属材料，因此还不影响使用CT扫描进行医学检查；过渡层2是将PEEK通过熔融沉积成形工艺在芯层表面打印的网状结构，同种材料保证了过渡层2和芯层1的结合强度，网状结构不仅可以保证壳层3与过渡层紧密结合，还可以作为壳层所需孔隙的宏观支架；壳层3是将羟基磷灰石采用静电纺丝工艺得到的微纳米级的纤维丝状膜结构，具有良好的生物相容性，能够与周围组织较好相容，减小排异现象，同时利于细胞的增殖分化。

[0028] 参照图2，为本实施例中采用的多轴生物3D打印装置接收平台示意图，在传统的熔融沉积成形打印接收平台的基础上增加了a、b两个旋转副，使加工设备增加了两个自由度。

[0029] 参照图3，为本实施例中采用的多轴生物3D打印装置喷头示意图，本实施例中采用的多轴生物3D打印装置喷头采用双喷头形式，喷头Ⅰ运用于熔融沉积成形工艺，喷头Ⅱ运用于静电纺丝、静电直写工艺。

[0030] 继续参照图4，根据CT扫描骨缺损部位，建立生物CAD模型，将缺损部位参照完整骨形状补充完整，得到三层复合骨植入假体。对三层复合骨植入假体添加边界条件，进行有限元分析，得到其应力应变图像。根据应力应变图像进行3D打印的路径规划，用于后续3D打印加工。

[0031] 参照图2和图3，将PEEK材料连接到喷头Ⅰ，喷头Ⅰ在X、Y、Z三方向上移动，配合接收平台以Y轴为中心的旋转，完成三层复合骨植入假体芯层的加工。

[0032] 继续参照图2和图3，喷头Ⅰ用于打印PEEK材料，喷头Ⅰ在X、Y、Z三方向上移动，配合接收平台以Y轴为中心的旋转，完成三层复合骨植入假体过渡层网状结构的加工。

[0033] 继续参照图2和图3，将羟基磷灰石材料装入喷头Ⅱ中，由蠕动泵控制喷头Ⅱ的材料挤出，喷头Ⅱ在X、Y、Z三方向上移动，配合接收平台以Y轴为中心的旋转，完成三层复合骨植入假体壳层的加工。

[0034] 继续参照图2和图3，控制电机2，将接收平台另一侧旋转90°，三层复合骨植入假体芯层呈水平状态，由蠕动泵控制喷头Ⅱ的材料挤出，喷头Ⅱ在X、Y、Z三方向上移动，完成三层复合骨植入假体内表面静电纺丝加工。

[0035] 本发明的三层复合骨植入假体及其制备方法，可应用于三层复合骨植入假体的制作，也可应用于熔融沉积成形与静电纺丝一体化多喷头多轴生物3D打印机的设计。此处对该方法加工设备的详细设计不再赘述。

[0036] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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