一种3D打印仿生多孔生物陶瓷人工骨及其制备方法
阅读：87发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种3D打印仿生多孔生物陶瓷人工骨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3D打印仿生多孔 生物 陶瓷人工骨及其制备方法，采用TPMS联合CSG的方法设计出多孔生物陶瓷人工骨模型，采用生物陶瓷粉末和粘结剂制备出可打印浆料，并结合3D无丝打印的工艺，制备出的多孔生物陶瓷人工骨内部分布有宏孔和微孔，微孔孔径小于100μm，宏孔的孔径200～800μm；总的孔隙率为20～80％，宏孔之间的连通率不低于99％，实现了对人工骨中的孔隙率、连通性和均匀性的精确设计，同时保证良好的孔隙连通性；所采用的原材料具有良好的 生物相容性 ，宏孔提供细胞和组织液进入的通道，微孔更好地 吸附 附近组织液供细胞生长，微孔与宏孔结合，能提升细胞生长和新骨生成的速度，有助于多孔生物陶瓷人工骨在人体大段骨缺损修复临床 治疗 中的应用。，下面是一种3D打印仿生多孔生物陶瓷人工骨及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种采用TPMS联合CSG设计仿生多孔生物陶瓷人工骨模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11，获取骨缺损实体模型：(1)采用CAD软件直接建模获得标准件实体模型，保存为STL格式文件；(2)利用医学影像技术获得患者骨骼缺损部位的断层DICOM数据，对所述断层DICOM数据进行三维重构，通过设计获得形态匹配的骨缺损实体模型，保存为STL格式文件；
S12，利用TPMS方法或CAD软件建模设计出单元构型，定义孔隙率为20％～80％，以OBJ格式导出曲面单元构型文件，其中曲面单元构型包括G曲面单元构型、P曲面单元构型以及R曲面单元构型；
S13，对S12得到的OBJ格式的曲面单元构型文件调整面法向和封闭等值面的边界，根据S11骨缺损实体模型的尺寸参数，将S12所述曲面单元构型模型等比例缩放至设计尺寸，得到目标尺寸的曲面单元构型；
S14，将S13中得到的曲面单元构型进行阵列并组合，得到组合体，使得组合体尺寸大于骨缺损实体模型尺寸，将骨缺损实体模型完全包绕；
S15，将S11获得的骨缺损实体模型与S14所得到的组合体进行配准，调整S11获得的骨缺损实体模型与S14获得的组合体位置，并将两者做求交运算，获得以曲面单元构型为基本单元的多孔生物陶瓷人工骨模型，将其以STL格式文件导出。
2.根据权利要求1所述的采用TPMS联合CSG设计仿生多孔生物陶瓷人工骨模型的方法，其特征在于，S12中，多孔生物陶瓷人工骨模型采用均匀多孔或仿生骨的梯度多孔结构。
3.一种仿生多孔生物陶瓷人工骨，其特征在于，采用TPMS联合CSG设计得到以曲面单元构型为基本单元的多孔生物陶瓷人工骨模型，采用3D无丝打印工艺制备；多孔生物陶瓷人工骨内部分布有宏孔和微孔，微孔孔径小于100μm，宏孔的孔径为200～800μm；总的孔隙率为20～80％，宏孔之间的连通率不低于95％。
4.根据权利要求3所述的仿生多孔生物陶瓷人工骨，其特征在于，多孔生物陶瓷人工骨为均匀多孔或仿生骨的梯度多孔结构。
5.一种仿生多孔生物陶瓷人工骨的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，S21，配制粘结剂；
S22，按质量分数计，将生物陶瓷粉末和S21所得粘结剂混合均匀得到浆料，将所述浆料装入点胶针筒中，再进行脱泡得到均匀的可打印浆料；生物陶瓷粉末包括羟基磷灰石、β-磷酸三钙、硅酸钙和生物玻璃中的一种或多种材料的混合物；
S23，向生物陶瓷3D打印机中载入多孔生物陶瓷人工骨模型文件，将均匀的可打印浆料装于生物陶瓷打印机进料口；设置打印参数；开启生物陶瓷3D打印机进行打印，层层堆叠成型，得到孔径＞200μm的多孔生物陶瓷人工骨初坯；
S24，将S23所得多孔生物陶瓷人工骨初坯冷冻干燥去除水分，得到具有孔隙率为20％-
80％，微孔孔径小于100μm，宏孔孔径为200μm-800μm的多孔生物陶瓷人工骨；
S25，包装并灭菌后得到仿生多孔生物陶瓷人工骨产品。
6.根据权利要求5所述的仿生多孔生物陶瓷人工骨的制备方法，其特征在于，粘结剂采用聚乙烯醇、聚乙烯毗咯烷酮、壳聚糖以及胶原蛋白中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的仿生多孔生物陶瓷人工骨的制备方法，其特征在于，S21中粘结剂所采用的PVA经重结晶提纯，其纯度和醇解度不低于99.5％。
8.根据权利要求5所述的仿生多孔生物陶瓷人工骨的制备方法，其特征在于，S22所得可打印浆料中，按质量分数计：生物陶瓷粉末占比30％～90％，粘结剂占比2％～8％，其余为水。
9.根据权利要求5所述的仿生多孔生物陶瓷人工骨的制备方法，其特征在于，在冻干的多孔生物陶瓷人工骨外表面气相沉积有可降解膜，可降解膜的厚度从边缘向中心逐渐增厚，厚度从50μm均匀增厚到300μm，可降解膜的原料采用壳聚糖。
10.根据权利要求5所述的仿生多孔生物陶瓷人工骨的制备方法，其特征在于，对多孔生物陶瓷人工骨初坯或冷冻干燥后的多孔生物陶瓷人工骨进行交联处理。
一种3D打印仿生多孔生物陶瓷人工骨及其制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 在骨科疾病治疗中，由创伤、感染、肿瘤切除和骨髓炎等导致的骨缺损修复问题一直是该领域的难题之一。目前临床上普遍使用人工骨或骨粒材料对小尺寸缺损部位进行填充治疗，而对于大范围的骨缺损，特别是四肢大段骨修复，多用自体骨、异体骨或异种骨移植到患者体内缺损部位。但自体骨来源非常有限，且为拆东墙补西墙的做法，会给患者造成更多的创伤。而异体骨或异种骨移植又存在高感染率、排异反应等严重问题，这两种情况都极大地限制了它们在临床上的推广应用。而人工骨在临床上目前较少被用于大尺寸或四肢大段骨缺损的修复，主要是因为其在成型特性、力学性能和孔隙结构等方面难以达到工艺制备以及生物力学等诸多方面的调控要求，并且现有人工骨在促进成骨细胞分化和骨长入方面效果不尽如人意。所以大尺寸的、四肢大段骨的缺损修复一直是困扰骨科临床修复领域的国际难题。
[0003] 为了解决这一难题，Bonfield等人于1980年提出了仿生人工骨概念，即无机生物陶瓷增强有机高分子复合材料。此后，仿生人工骨成为生物材料领域的热点研究方向之一。医疗市场上也涌现出多种具有不同组成成分和特征的人工骨产品。但因为其传统的制备方法，如气体发泡法、添加造孔剂法、颗粒烧结法、有机泡沫浸渍法，虽然可以制造出孔大小和孔隙率不同的人工骨，但缺乏对孔径尺寸、孔隙互连通性以及孔隙空间走向等参数的调控，即只能实现孔隙率和孔径等参数的粗略宏观控制，均难以定量精确调控孔隙的形态、尺寸和分布等关键参数，更加难以实现微孔之间相互连通性的仿生要求，也难以对显微的三维空间几何构型进行优化改良设计，同时也很难制造具有宏微观结构一体化的仿生多孔人工骨。
[0004] 分析发现，现有仿生人工骨复合材料虽然组成成分上与天然骨类似，但在显微结构上相差较大。因此，要使人工骨的性能接近或达到天然骨的水平，除了组成成分仿生外，还必须进行显微结构仿生，而后者的核心是晶粒几何结构仿生、梯度孔隙仿生和宏观外形仿生。
发明内容
[0005] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种3D打印仿生多孔生物陶瓷人工骨及其制备方法，联合TPMS(Triply Periodic Minimal Surface)与CSG(Constructive Solid Geometry)设计出了具有多孔结构的生物陶瓷人工骨模型，采用生物陶瓷粉末和粘结剂制备出可打印浆料，并结合3D无丝打印的工艺，制备出了力学性能优良，同时实现钙磷陶瓷成分仿生、晶粒几何结构仿生、梯度孔隙仿生的多孔生物陶瓷人工骨，有助于实现人工骨在四肢大段骨修复的临床应用。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种采用TPMS联合CSG设计仿生多孔人工骨模型的方法，包括以下步骤：
[0007] S11，获取骨缺损实体模型：(1)采用CAD软件直接建模获得标准件实体模型，保存为STL格式文件；(2)利用医学影像技术获得患者骨骼缺损部位的断层DICOM数据，对所述断层DICOM数据进行三维重构，通过设计获得形态匹配的骨缺损实体模型，保存为STL格式文件；
[0008] S12，利用TPMS或CAD方法设计出曲面单元构型，定义孔隙率为20％～80％，以OBJ格式导出曲面单元构型文件，其中单元构型包括G曲面单元构型、P曲面单元构型以及R曲面单元构型；
[0009] S13，对S12得到的OBJ格式的曲面单元构型文件调整其面法向和封闭等值面的边界，根据S11骨缺损实体模型的尺寸参数，将S12所述曲面单元构型模型等比例缩放至设计尺寸，得到目标尺寸的曲面单元构型；
[0010] S14，将S13中得到的曲面单元构型进行阵列并组合，得到组合体，使得组合体尺寸大于骨缺损实体模型尺寸，将骨缺损实体模型完全包绕；
[0011] S15，利用CSG设计方法，将S11获得的骨缺损实体模型与S14所得到的组合体进行配准，调整S11获得的骨缺损实体模型与S14获得的组合体位置，并将两者做求交运算，获得以曲面单元构型为基本单元的多孔人工骨模型，将其以STL格式文件导出。
[0012] S12中，多孔人工骨模型采用均匀多孔或者仿生骨的梯度多孔结构。
[0013] 一种仿生多孔生物陶瓷人工骨，采用TPMS联合CSG设计得到以曲面单元构型为基本单元的多孔人工骨模型，采用3D无丝打印工艺制备；多孔生物陶瓷人工骨内部分布有宏孔和微孔，微孔孔径小于100μm，宏孔的孔径200～800μm；总的孔隙率为20～80％，宏孔之间的连通率不低于95％。
[0014] 多孔生物陶瓷人工骨为均匀多孔或者仿生骨的梯度多孔结构。
[0015] 一种仿生多孔生物陶瓷人工骨的制备方法，包括以下步骤，
[0016] S21，配制粘结剂；
[0017] S22，按质量分数计，将生物陶瓷粉末和S21所得粘结剂混合均匀得到浆料，将所述浆料装入点胶针筒中，再进行脱泡得到均匀的可打印浆料，生物陶瓷粉末包括羟基磷灰石、β-磷酸三钙、硅酸钙和生物玻璃中的一种或多种材料的混合物；
[0018] S23，向生物陶瓷3D打印机中载入多孔生物陶瓷人工骨模型文件，将均匀的可打印浆料装于生物陶瓷3D打印机进料口；设置打印参数，开启生物陶瓷3D打印机进行打印；层层堆叠成型，得到孔径＞200μm的多孔生物陶瓷人工骨初坯；
[0020] S25，包装并灭菌后得到仿生多孔生物陶瓷人工骨产品。
[0022] S21中，粘结剂所采用的PVA经重结晶提纯的PVA，其纯度和醇解度不低于99.5％的PVA。
[0023] S22所得可打印浆料中，按质量分数计：生物陶瓷粉末占比30％～90％，粘结剂占比2％～8％，其余为水。
[0024] 在冻干的多孔生物陶瓷人工骨外表面气相沉积有可降解膜，可降解膜的厚度从边缘向中心逐渐增厚，厚度从50μm均匀增厚到300μm，可降解膜的原料采用壳聚糖。
[0025] 对多孔生物陶瓷人工骨初坯或冷冻干燥后的多孔生物陶瓷人工骨进行交联处理。
[0026] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0027] 本发明通过TPMS联合CSG的设计方法，实现了对人工骨中宏孔结构的孔隙率、连通性和均匀性的精确设计，既可以获得标准型多孔生物陶瓷人工骨模型，也能够根据医学影像，通过数字化设计技术实现个性化多孔生物陶瓷人工骨模型；本发明合理配比生物陶瓷粉末和粘结剂，采用3D打印工艺制备多孔生物陶瓷人工骨，既能保证良好的成型特性、力学性能和孔隙结构，实现在制造过程中精确控制的孔隙，可控的孔隙分布、孔径大小和形状，多孔结构能够提供合适的微环境，即为细胞生长和功能的发挥提供物理生化刺激以及营养输送通道。
[0028] 进一步的，本发明设计出具有梯度结构的多孔生物陶瓷人工骨模型，其内部近似人骨的松质骨，靠近表面处近似人骨的皮质骨，具有更好的仿生性能。
[0029] 本发明基于TPMS结合CSG方法设计出多孔生物陶瓷人工骨模型，并且采用生物陶瓷粉末和粘结剂制备出可打印的生物陶瓷浆料，最终经过生物陶瓷3D打印机制备出多孔生物陶瓷人工骨，具有20％-80％的孔隙，所采用的原材料具有良好的生物相容性和可生物降解性，本发明制备的多孔生物陶瓷人工骨中连通的宏孔提供细胞和组织液进入的通道，微孔更好地吸附附近组织液供细胞生长，微孔与宏孔结合，能提升细胞生长和新骨生成的速度；表面多孔结构还可以促进支架和周围组织之间的复合以提高植入物的机械稳定性，孔隙的网络结构有助于引导和促进新生组织的形成，提高人工骨在骨缺损修复中的功效；本发明为人工骨在四肢大段骨的缺损修复提供实现方案，有助于使多孔生物陶瓷人工骨在临床上应用于修复人体大段骨缺损。
[0030] 进一步的，本发明采用经过提纯的PVA做粘结剂；在配料过程中能减少气泡的产生，在人工骨3D打印完成后，其强度比未经重结晶提纯加工的PVA打印出的人工骨高20％-30％。
[0031] 进一步的，聚乙烯醇粘结剂中加入少量的聚乙烯毗咯烷酮(PVP)，不但可以提高粘结性能，还能起到增流剂作用，防止在打印过程中喷头发生堵塞，使用聚乙烯毗咯烷酮(PVP)溶液作为辅助粘结剂，PVA与PVP的混合溶液作为粘结剂能够更好的满足打印粘结性，使打印浆料不会出现结团现象，具有良好的打印成形性能。
[0032] 进一步的，在人工骨打印完成后，在人工骨的表面沉积一层厚度渐变的可降解膜，能够优化人工骨植入体内的强度，并降低搭载药物后释放速度；膜层厚度薄或者未被覆盖的区域先降解释放药物，厚度较厚的区域后释放药物，通过控制膜层厚度可精确控制药物释放的时间，解决普通人工骨药物释放速度过快或不能控制释放时间的问题，并且膜层可一定程度上隔离水分，能保持人工骨在遇水后的强度，显著增强人工骨的使用性能。
[0034] 图1为本发明制备人工骨工艺流程图。
[0035] 图2a为骨缺损实体模型，图2b为R曲面单元构型进行阵列组合示意图，图2c为以R曲面构型为基本单元的个性化骨缺损模型示意图。
[0036] 图3a为P曲面单元构型的示意图，
[0037] 图3b为G曲面单元构型示意图，
[0038] 图3c为R曲面单元构型示意图
[0039] 图4a为R曲面单元构型孔隙率40％示意图，
[0040] 图4b为R曲面单元构型孔隙率50％示意图，
[0041] 图4c为R曲面单元构型孔隙率60％示意图，
[0042] 图5为本发明实施例1制备的多孔生物陶瓷人工骨宏观图片，
[0043] 图6为本发明实施例1制备的多孔生物陶瓷人工骨微观形貌，
[0044] 图7为本发明实施例1制备的多孔生物陶瓷人工骨扫描电镜图，
[0045] 图8为本发明实施例1制备的多孔生物陶瓷人工骨植入比格犬体内12周的硬组织切片，
[0046] 图9为本发明设计以R曲面单元构型为基本单元具有梯度结构的多孔生物陶瓷人工骨模型示意图，
[0047] 图10为本发明实施例3制备的多孔生物陶瓷人工骨实物图。
具体实施方式
[0048] 下面结合具体实施方式和附图对本发明进行详细阐述。
[0049] 仿生多孔生物陶瓷人工骨具有多尺度内部孔隙结构，内部孔隙三维贯通，能为成骨细胞提供一个具备良好生长通道和空间的生物微环境；三维连贯的孔隙、合适的孔径大小和高的孔隙率，利于营养物质的吸收及代谢废物的排出，增强人工骨在体内的成骨活性。
[0050] TPMS(Triply Periodic Minimal Surface)联合CSG(Constructive Solid Geometry)的设计方法，结合无丝3D打印工艺能够制备出具有多孔结构的仿生人工骨；TPMS曲面在三维空间中3个独立的方向上均具有周期性，且是一种极小化曲面。通过改变描述TPMS曲面的数学函数参数，能精确调整孔隙率及孔径尺寸，并可实现梯度结构设计，同时保证良好的孔隙连通性；再结合CSG设计方法，本发明优选采用CAD实现CSG设计方法，能获得外部形态和内部结构精确可控的人工骨模型，实现对孔隙单元结构力学性能的调控，使人工骨结构具有与周围组织相似的生物力学性能，并能根据人体骨骼特征设计出具有梯度的人工骨模型，即内部仿松质骨模型，接近表面仿皮质骨层的结构，图9a、图9b和图9c分别为本发明设计以R曲面单元构型为基本单元具有不同梯度结构的多孔生物陶瓷人工骨模型示意图。
[0051] 参考图2a，2b以及2c，采用TPMS联合CSG设计人工骨结构，包括以下步骤：
[0052] S11，获取骨缺损实体模型：(1)采用CAD软件直接建模获取标准件实体模型，保存为STL格式文件；(2)利用医学影像技术获得患者骨骼缺损部位的断层DICOM数据，对所述断层DICOM数据进行三维重构，通过设计获得形态匹配的骨缺损实体模型，保存为STL格式文件；
[0053] S12，利用TPMS或CAD方法设计出单元构型，定义孔隙率为20％～80％，以OBJ格式导出曲面单元构型文件，其中曲面单元构型包括G曲面单元构型、P曲面单元构型以及R曲面单元构型；不同类型的曲面单元构型分别如图3a、图3b以及图3c所示，不同孔隙率的R曲面单元构型如图4a、图4b以及图4c所示；
[0054] S13，对S12得到的OBJ格式的曲面单元构型文件调整面法向和封闭等值面的边界，根据S11骨缺损实体模型的尺寸参数，将S12所述曲面单元构型模型等比例缩放至设计尺寸，得到目标尺寸的单元构型；
[0055] S14，将S13中得到的曲面单元构型进行阵列并组合，得到组合体，使得组合体尺寸大于骨缺损实体模型尺寸，将骨缺损实体模型完全包绕；
[0056] S15，利用CSG设计方法，将S11获得的骨缺损实体模型与S14所得到的组合体进行配准，调整S11获得的骨缺损实体模型与S14获得的组合体位置，并将两者做求交运算，获得以曲面单元构型为基本单元的多孔人工骨模型，将其以STL格式文件导出。
[0057] 本发明基于TPMS联合CSG设计出了外部形态和内部结构精确可控的多孔人工骨模型，结合多孔人工骨模型的结构、羟基磷灰石、β-磷酸三钙、硅酸钙和生物玻璃以及粘结剂的配比，采用生物陶瓷3D打印机制备出能够用于修复四肢大段骨缺损的多孔生物陶瓷人工骨。
[0058] 优选的，本发明使用经提纯的PVA，采用纯度和醇解度均大于99.5％的PVA，在配料过程中能减少气泡的产生，在人工骨3D打印完成后，其强度比未经重结晶提纯加工的PVA打印出的人工骨高20％-30％，所制备的多孔生物陶瓷人工骨力学性能优良。
[0059] 本发明采用3D打印工艺制备多孔生物陶瓷人工骨，在制备成型后，进一步采用后处理工艺对其表面进行处理；
[0060] 多孔生物陶瓷人工骨在打印完成后气相沉积一层厚度渐变的可降解膜，物理气相沉积由壳聚糖组成的可降解多层厚度渐变膜，膜层厚度薄或者未被覆盖的区域先降解释放药物，厚度较厚的区域后释放药物，通过控制膜层厚度可精确控制药物释放的时间，显著增强人工骨的使用性能。
[0061] 生物陶瓷3D打印工艺能加工出形状比较复杂的人工骨及其内部孔隙结构，而且所加工的多孔生物陶瓷人工骨的宏观和微观结构近似设计模型，既能实现均匀成型，又能实现模型所设计的梯度结构。
[0062] 本发明以羟基磷灰石(HA)、β-磷酸三钙(β-TCP)、硅酸钙和生物玻璃(BG)生物材料粉末作为3D生物打印成形的基体材料，配置与其相匹配满足粘结性能要求而且对人体无害的粘结剂；采用聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯毗咯烷酮(PVP)、壳聚糖(CS)以及胶原蛋白中的一种或多种作为粘结剂，粘结剂安全无毒、对上述无机生物材料无污染。
[0063] 本发明选择无丝3D打印工艺，实现具有多孔及梯度结构的多孔生物陶瓷人工骨；运用无丝打印技术制备的多孔生物陶瓷人工骨内部表现出蜂窝状结构，骨小梁剖面具有较多直径小于100μm的细微孔隙结构，外形类似人骨松质骨；经检测，其孔隙率接近于理论设定的孔隙率参数，而且孔隙之间连通良好，有利于细胞的爬行长入以及营养物质、代谢废物和氧气的扩散。
[0064] 以下为基于本发明所述技术方案而进行实施例：
[0065] 实施例1：
[0066] S1，PVA(聚乙烯醇)水溶液制备：取4g聚乙烯醇粉末，溶于46g注射用水中，用磁力搅拌器以95℃恒温搅拌1.5h，制备质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液；用离心机将溶液离心两次，转速为3000rad/min，5min/次，去除杂质，获得均匀透明溶液；
[0067] S2，生物陶瓷粉末制备：称取羟基磷灰石粉料33.57g，β磷酸三钙粉料22.38g，将两者混合均匀，得到均匀的生物陶瓷粉末；即，羟基磷灰石与β-磷酸三钙质量比为3:2；
[0068] S3，按质量分数计，将52.8％的S2所得生物陶瓷粉末与47.2％S1所得聚乙烯醇溶液放入均质机中，先800rad/min，预混1min，再以2000rad/min转速，搅拌4次混匀，每次搅拌1min，将混匀的浆料装入点胶针筒中，使用脱泡机脱泡6次，得到均匀的可打印浆料；
[0069] S4，采用TPMS联合CSG设计人工骨结构，具体如下：
[0070] S41，利用医学影像技术获得患者骨骼缺损部位的断层DICOM数据，将数据导入3D Slicer软件中进行三维重构，通过设计获得形态匹配的骨缺损实体模型，保存文件格式为STL；
[0071] S42，利用TPMS方法或CAD软件设计出R曲面单元构型，设定孔隙率为80％，以OBJ格式导出；
[0072] S43，将OBJ文件导入FreeCAD软件中进行进一步处理，调整面法向、封闭等值面的边界，根据S41骨缺损实体模型的尺寸参数，将单元构型模型等比例缩放至目标尺寸；
[0073] S44，在FreeCAD软件中，将S43中得到的单元构型进行阵列组合，使得阵列后组合体尺寸大于骨缺损实体模型尺寸，即可完全包绕骨缺损实体模型；
[0074] S45，利用CSG设计方法，将S41获得的STL文件导入FreeCAD软件，调整其与S44获得的组合体位置，并将两者做求交运算，获得以R曲面构型为基本单元的多孔生物陶瓷人工骨模型，模型以STL格式导出；
[0075] S5，将浆料料管安装于生物陶瓷3D打印机进料口，模型导入PCPrinter MF150软件进行切片分层，设置打印参数，通过打印机打印成型；
[0076] S6，利用冷冻干燥机对打印件进行冻干，去除水分，形成微孔。于-50℃预冻6小时，以5℃为间隔，缓慢升温，-30℃～-10℃进行第一阶段冷冻干燥6小时，0℃～10℃保温干燥3小时，30℃解析干燥并恒温3小时以上，冻干完成后，再进行双层包装并进行辐照灭菌，得到多孔生物陶瓷人工骨成品。
[0077] 本实施例得到的多孔生物陶瓷人工骨，宏观形态可个性化匹配，孔径以及孔隙率可控，孔道互通，具有良好的结构强度和生物学性能，如图5和图6所示，多孔生物陶瓷人工骨表面具有相互贯通的多孔结构，该结构通过3D打印方式实现，其宏观的多孔结构尺寸大于100μm，如图6所示，宏观的孔壁上分布着大量的毛细微孔，这些微孔主要是通过冻干水分留下空位形成的如图7所示，多尺度孔隙结构不仅符合骨细胞的生长和迁移，有利于骨细胞的黏附，而且能为营养物质和代谢产物的输送提供有利条件。
[0078] 本发明将制备的多孔生物陶瓷人工骨植入比格犬体内12周后，进行硬组织切片并进行Van Gieson染色，结果如图8所示，图8显示一些新形成的骨长入到本发明制备的多孔生物陶瓷人工骨的宏孔中，在植入的多孔生物陶瓷人工骨中骨痂(红色)形成较多，在3D打印的多孔生物陶瓷人工骨宏孔、孔隙中观察到大量新形成的骨组织(红色)，新骨形成显著；在多孔生物陶瓷人工骨中心区域和微孔中分布有较多基质细胞和纤维组织。在植入的多孔生物陶瓷人工骨界面没有发现炎性细胞浸润，表面植入物没有异物反应，证明了本发明所制备的多孔生物陶瓷人工骨具有良好的生物相容性，动物试验结果证明本发明制备的人工骨可促进临界尺寸骨缺损的愈合，体内促成骨效果良好。
[0079] 实施例2：
[0080] S1，取4g聚乙烯醇粉末，溶于46g注射用水中，用磁力搅拌器以95℃恒温搅拌1.5h，制备质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液，用离心机将溶液离心两次，转速为3000rad/min，5min/次，去除杂质，获得均匀透明溶液；
[0081] S2，称取硅酸钙粉末30g，β磷酸三钙粉料30g，将两者混合均匀，得到均匀的生物陶瓷粉末，即，硅酸钙与β-磷酸三钙质量比为1:1；
[0082] S3，按质量分数计，将52.8％的S2所得生物陶瓷粉末与S1所得47.2％的聚乙烯醇溶液放入均质机中，先800rad/min，预混1min，再以2000rad/min的转，速搅拌4次混匀，每次搅拌1min，将混匀的浆料装入点胶针筒中，使用脱泡机脱泡6次，得到均匀的可打印浆料；
[0083] S4，采用TPMS联合CSG的方法设计人工骨结构，具体如下：
[0084] S41，采用CAD软件直接建模获取多孔人工骨模型，保存为STL格式文件；
[0085] S42，在OCTAVE软件中利用TPMS方法设计出P曲面单元构型，设定孔隙率为60％，以OBJ格式导出；
[0086] S43，将OBJ文件导入FreeCAD软件中进行进一步处理，调整面法向、封闭等值面的边界。根据S41骨缺损实体模型的尺寸参数，将单元构型模型等比例缩放至目标尺寸；
[0087] S44，在FreeCAD软件中，将S43中得到的单元构型进行阵列组合，使得阵列后组合体尺寸大于骨缺损实体模型尺寸，即可完全包绕骨缺损实体模型；
[0088] S45，利用CSG设计方法，将S41获得的STL文件导入FreeCAD，调整其与S44获得的组合体位置，并将两者做求交运算，获得以P曲面构型为基本单元的多孔人工骨模型，模型文件以STL格式导出；
[0089] S5，将浆料料管安装于生物陶瓷3D打印机进料口，将模型文件导入PCPrinter MF150软件进行切片分层，设置打印参数，通过打印机打印出人工骨初坯；
[0090] S6，利用冷冻干燥机对S5所得人工骨初坯进行冻干，去除水分，形成微孔，具体的，于-50℃预冻6小时，以5℃为间隔，缓慢升温，-30℃～-10℃进行第一阶段冷冻干燥6小时，0℃～10℃保温干燥3小时，30℃解析干燥并恒温3小时以上，冻干完成后，再采用双层包装并进行辐照灭菌，得到多孔生物陶瓷人工骨成品。
[0091] 本实施例得到的多孔生物陶瓷人工骨，孔径、孔隙率可控，孔道互通，具有良好的结构强度和生物学性能。
[0092] 实施例3
[0093] S1，聚乙烯醇水溶液配制：在注射用水中溶解聚乙烯醇粉末，配制得到质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液，在磁力搅拌器上95℃恒温搅拌1.5h，再用离心机在3000rad/min转速下，离心两次，每次5min，去除杂质，成均匀透明溶液；
[0094] S2，按质量分数计，将52.8％的生物陶瓷粉末和47.2％的S1所得聚乙烯醇溶液，放入均质机中，先在800rad/min的转速下预混1min，再以2000rad/min的转速，搅拌4次混匀，每次搅拌1min，将混匀的浆料装入点胶针筒中，使用脱泡机进行脱泡6次，得到均匀的可打印浆料，生物陶瓷粉末中硅酸钙:β-磷酸三钙质量比为1:1；
[0095] S3，利用TPMS联合CSG的方法，设计出以R曲面构型为基本单元的多孔生物陶瓷人工骨模型，并以STL格式导出待打印骨模型文件；
[0096] S31，利用医学影像获得患者骨骼缺损部位的断层DICOM数据，将数据导入3D Slicer软件中进行三维重构，获得形态匹配的骨缺损实体模型，保存文件格式为STL；
[0097] S32，利用TPMS方法或CAD软件设计出R曲面单元构型，设定孔隙率为65％，以OBJ格式导出；
[0098] S33，将OBJ文件导入FreeCAD软件中调整面法向、封闭等值面的边界，根据S31骨缺损实体模型的尺寸参数，将单元构型模型等比例缩放至目标尺寸；
[0099] S34，在FreeCAD软件中，将S33中得到的单元构型进行阵列组合，使得阵列后组合体尺寸大于骨缺损实体模型尺寸，完全包绕骨缺损实体模型；
[0100] S35，将S31获得的STL文件导入FreeCAD软件，调整其与S34获得的组合体位置，并将两者做求交运算，获得以R曲面构型为基本单元的多孔人工骨模型，模型以STL格式导出；
[0101] S4，将S2所得均匀的可打印浆料的料管安装于生物陶瓷3D打印机进料口，将S3所得待打印骨模型文件载入生物陶瓷3D打印机，调节打印参数，层层堆叠成型，得到设计的规则宏孔的多孔生物陶瓷人工骨初坯。
[0102] S5，将S4成型的多孔生物陶瓷人工骨初坯放入冷冻干燥机中冻干去除水分，形成微孔，于-50℃预冻6小时，以5℃为间隔，缓慢升温，-30℃～-20℃进行第一阶段冷冻干燥6小时，0℃～10℃保温干燥3小时，30℃解析干燥并恒温3小时以上；再采用双层包装并进行辐照灭菌，得到多孔生物陶瓷人工骨成品，所述人工骨成品的孔隙率为65％，如图10所示。
[0103] 实施例4
[0104] S1，PVA(聚乙烯醇)水溶液制备：取4g聚乙烯醇粉末，溶于46g注射用水中，用磁力搅拌器以95℃恒温搅拌1.5h，制备质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液；用离心机将溶液离心两次，转速为3000rad/min，5min/次，去除杂质，获得均匀透明溶液；
[0105] S2，打印粉末制备：称取羟基磷灰石粉料20g，生物玻璃粉料30g，将两者混合均匀，得到均匀的打印粉末；即，羟基磷灰石与生物玻璃质量比为2:3；
[0106] S3，按质量分数计，将52.8％的S2所得打印粉末与47.2％S1所得聚乙烯醇溶液放入均质机中，先800rad/min，预混1min，再以2000rad/min转速，搅拌4次混匀，每次搅拌1min，将混匀的浆料装入点胶针筒中，使用脱泡机进行脱泡6次，得到均匀的可打印浆料；
[0107] S4，采用TPMS联合CSG设计人工骨结构，具体如下：
[0108] S41，利用CAD软件设计出标准件骨缺损实体模型，保存文件格式为STL；
[0109] S42，利用TPMS方法或CAD软件设计出孔隙率分别为50％、60％和70％的R曲面单元构型，均以OBJ格式导出；
[0110] S43，将三个OBJ文件进一步处理，调整其面法向和封闭面边界，根据S41骨缺损实体模型的尺寸参数，将单元构型模型等比例缩放至目标尺寸；
[0111] S44，将S43中得到的单元构型根据梯度结构需要进行阵列组合，形成组合体。使组合体尺寸大于骨缺损实体模型尺寸，即可完全包绕骨缺损实体模型；
[0112] S45，合理调整S41获得的骨缺损实体模型与S44获得的组合体位置，并将两者做求交运算，获得以R曲面构型为基本单元的梯度多孔生物陶瓷人工骨模型，模型以STL格式导出；
[0113] S5，将浆料料管安装于生物陶瓷3D打印机进料口，模型导入生物陶瓷3D打印机进行切片分层，设置打印参数，通过生物陶瓷3D打印机打印成型；
[0114] S6，利用冷冻干燥机对打印件进行冻干，去除水分，形成微孔。于-50℃预冻6小时，以5℃为间隔，缓慢升温，-30℃～-10℃进行第一阶段冷冻干燥6小时，0℃～10℃保温干燥3小时，30℃解析干燥并恒温3小时以上，冻干完成后，采用双层包装并进行辐照灭菌，得到多孔生物陶瓷人工骨成品。
[0115] 本方法得到的生物陶瓷人工骨，孔径、孔隙率可控，孔道互通，具有良好的结构强度和生物学性能，分别打印孔隙率为50％、60％和70％的多孔生物陶瓷人工骨模型后，其产品孔隙率分别为50％、60％和70％。
[0116] 实施例5：
[0117] S1，在注射用水中溶解聚乙烯醇粉末，配制得到质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液，在磁力搅拌器上95℃恒温搅拌1.5h，再用离心机在3000rad/min转速下，离心两次，每次5min，去除杂质，成均匀透明溶液；
[0118] S2，将质量分数为52.8％的生物陶瓷粉末、质量分数为47.2％的S1所得聚乙烯醇溶液，放入均质机中，先在800rad/min的转速下预混1min，再以2000rad/min的转速，搅拌4次混匀，每次搅拌1min，将混匀的浆料装入点胶针筒中，使用脱泡机进行脱泡6次，得到均匀的可打印浆料，其中，生物陶瓷粉末中硅酸钙:生物玻璃质量比为1:1；
[0119] S3，利用TPMS联合CSG的方法，设计出以R曲面构型为基本单元的多孔生物陶瓷人工骨模型，并以STL格式导出待打印骨模型文件；其中，孔隙率为45％；
[0120] S4，将S2所得均匀的可打印浆料的料管安装于生物陶瓷3D打印机进料口，将S3所得待打印骨模型文件载入生物陶瓷3D打印机，调节打印参数，层层堆叠成型，得到设计的规则宏孔的多孔生物陶瓷人工骨初坯。
[0121] S5，将S4成型的多孔生物陶瓷人工骨初坯放入冷冻干燥机中冻干去除水分，形成微孔，于-50℃预冻6小时，以5℃为间隔，缓慢升温，-30℃～-10℃进行第一阶段冷冻干燥6小时，0℃～10℃保温干燥3小时，30℃解析干燥并恒温3小时以上；得到多孔生物陶瓷人工骨成品，孔隙率为45％；
[0122] S6，采用双层包装，通过辐照灭菌。
[0123] 经以上操作，最终可得到多孔生物陶瓷人工骨，其中宏孔的平均孔径为380μm通过3D打印实现，微孔通过冻干过程中水分去除留下空位形成。
[0124] 实施例6：
[0125] S1，聚乙烯醇-胶原-壳聚糖复合溶液配制：
[0126] 在注射用水中溶解聚乙烯醇粉末，配制质量分数为1％的聚乙烯醇水溶液，在磁力搅拌器上95℃恒温搅拌1h，再用离心机在3000rad/min的转速下离心5min去除杂质，放置常温后，加入胶原、壳聚糖，使其质量占比各为20％，置于4℃台上搅拌过夜，得到均匀白色膏体；聚乙烯醇和胶原的质量分数为7％；
[0127] S2，按质量分数计，将56％的β-磷酸三钙质量以及44％的白色膏体置于料杯中，在均质机中混匀在500rad/min的转速下，预混1min，再以1000rad/min的转速搅拌4次，每次搅拌1min混匀，将混匀的浆料装入点胶针筒中，使用脱泡机进行脱泡4次，得到均匀的打印浆料。
[0128] S3，利用TPMS联合CSG的方法，设计出以P曲面构型为基本单元的多孔生物陶瓷人工骨模型，并以STL格式导出待打印骨模型文件；其孔隙率为70％；
[0129] S4，将均匀浆料的料管安装于生物陶瓷3D打印机进料口，通过400μm的喷头均匀挤出，调节打印参数，层层堆叠成型，得到孔径＞200μm的多孔生物陶瓷人工骨初坯，打印过程基本保留了材料本身的物理化学结构，不会产生细胞毒性。
[0130] S5，将S4所得复合人工骨初坯放入冷冻干燥机中冻干，形成微孔，于-50℃预冻6小时，以5℃为间隔，缓慢升温，-20℃～-15℃进行第一阶段冷冻干燥10小时，0℃保温3小时，30℃解析干燥并恒温3小时以上，得到多孔生物陶瓷人工骨成品，孔隙率为70％；
[0131] S6，将S5所得复合人工骨置于真空炉中，炉内抽真空到10Pa，再升温到110℃后，真空热脱水交联处理5天，待炉温降至常温后释放真空取出人工骨。
[0132] S7，采用双层包装，通过辐照灭菌，得到多孔生物陶瓷人工骨产品。
[0133] 本发明最终得到的多孔生物陶瓷人工骨，宏孔孔径可控且大小均一，孔道相互连通，且横剖面内含有不规则的蜂窝样结构微孔。
[0134] 具有三维孔隙结构的多孔生物陶瓷人工骨，有利于成骨细胞黏附、生长和分化，促进新骨长入，加强植入的多孔生物陶瓷人工骨与原骨之间的连接，连通的孔隙结构能为成骨细胞、血管等的长入提供生长空间和通道，增大组织液与人工骨的接触表面积，并将活性物质、营养物质传输到植入体内，促进骨骼再生，从而加快痊愈过程。
[0135] 聚乙烯醇粘结剂中加入少量的聚乙烯毗咯烷酮(PVP)，不但可以提高粘结性能，还能起到增流剂作用，防止在打印过程中喷头发生堵塞，使用聚乙烯毗咯烷酮(PVP)溶液作为辅助粘结剂，PVA与PVP的混合溶液作为粘结剂能够更好的满足打印粘结性，使打印浆料不会出现结团现象，打印顺畅且具有良好的打印成形性能。
[0136] 实施例7：
[0137] S1，首先将5g聚乙烯醇粉末加入到45g注射用水中，水浴加热缓慢升温到95℃制备质量分数为10％的PVA溶液，然后在配置好的PVA溶液中加入3g的PVP，最后将混合好的溶液置于磁力搅拌上以150r/min的速度进行搅拌，使其成为均匀溶液，得到粘结剂；
[0138] S2，按质量分数计，将羟基磷灰石、β-磷酸三钙、S1所得粘结剂以及注射用水置于均质机中，先以800rad/min的转速预混合1min，再以2000rad/min的转速搅拌4次混匀，每次搅拌1分钟，将混匀的浆料装入点胶针筒中，使用脱泡机进行脱泡6次，得到均匀的可打印浆料，可打印浆料中：羟基磷灰石为23％，β-磷酸三钙为36％，粘结剂为8％，其余为注射用水；
[0139] S3，利用TPMS联合CSG的方法，设计出以P曲面构型为基本单元的个性化骨缺损模型，并以STL格式导出待打印骨模型文件；
[0140] S4，利用生物陶瓷3D打印机进行人工骨的打印，将S2所得可打印浆料装入料筒后进行高速离心脱泡，然后将S3所得待打印骨模型文件载入生物陶瓷3D打印机PCPrinter MF150软件，调节打印参数，浆料通过螺杆阀匀速均匀挤出，打印头沿X、Y、Z三个方向运动，逐层依次打印，得到人工骨初坯。
[0141] S5，将S4所得人工骨初坯置于冷冻干燥机中冷冻干燥28h；然后将冻干完成的人工骨采用双层包装并进行辐照灭菌处理，得到多孔生物陶瓷人工骨成品。
[0142] I型胶原蛋白是天然高分子粘结剂，无毒无害，可降解，具有优异的生物学性能，如低抗原性、可生物降解性、生物相容性以及细胞适应性等，但由于单独应用具有降解速率快和物理性能差的不足，因此常常与其他材料复合，以避免单独应用存在的缺陷，而壳聚糖(CS)是天然高分子聚合物，具有止血、抑菌、抗菌性、生物相容性、促进伤口愈合的作用；本发明将I型胶原蛋白与壳聚糖(CS)溶液混合作为粘结剂，将I型胶原蛋白与壳聚糖(CS)溶液混合作为粘结剂制备的人工骨，比单纯I型胶原蛋白作为粘结剂制备的人工骨吸水性能更强，滴加细胞悬浮液后很快吸收并保持，这样有利于保证细胞接种后能够很快得到营养，同时也提高了人工骨的强度及生物学性能。
[0143] 实施例8：
[0144] S1，分别称取I型胶原蛋白(Sigma)550mg，壳聚糖210mg，溶于0.05mol/L醋酸溶液中，在4℃恒温条件下，以18000r/min的转速搅拌90min，抽真空后，4℃冰箱过夜，然后充分混合成凝胶状悬浊液，得到粘结剂；
[0145] S2，按质量分数计，将羟基磷灰石、β-磷酸三钙、硅酸钙、S1所得粘结剂以及注射用水置于均质机中，先以800rad/min的转速预混合1min，再以2000rad/min的转速搅拌4次混匀，每次搅拌1分钟，将混匀的浆料装入点胶针筒中，使用脱泡机进行脱泡6次，得到均匀的可打印浆料，可打印浆料中，羟基磷灰石为20％、β-磷酸三钙20％、硅酸钙为20％、粘结剂为4％，其余为注射用水；
[0146] S3，利用TPMS联合CSG的方法，设计出以G曲面构型为基本单元的骨缺损模型，并以STL格式导出待打印骨模型文件；
[0147] S4，利用生物陶瓷3D打印机进行人工骨的打印，然后将S3所得待打印骨模型文件载入PCPrinter MF150软件，调节打印参数，浆料通过螺杆阀匀速均匀挤出，打印头沿X、Y、Z三个方向运动，逐层依次打印，得到人工骨初坯。
[0148] S5，将S4所得的多孔生物陶瓷人工骨初坯置于1％的京尼平溶液中，在37℃的温度条件下，交联1h，然后用0.01mol/LPBS溶液清洗3次；
[0149] S6，将S5经处理后的多孔生物陶瓷人工骨置于冷冻干燥箱中冻干28h；然后将冻干完成的多孔生物陶瓷人工骨采用双层包装并进行辐照灭菌处理，得到多孔生物陶瓷人工骨成品，其孔隙率为40％。
[0150] 经过交联处理能有效提高多孔生物陶瓷人工骨的强度。
[0151] 实施例9
[0152] S1，在注射用水中溶解聚乙烯醇粉末，配制质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液，在磁力搅拌器上95℃恒温搅拌1.5h，再用离心机3000rad/min、5min离心两次，去除杂质，成均匀透明溶液。
[0153] S2，按质量分数计，将羟基磷灰石、β-磷酸三钙以及聚乙烯醇溶液，放入均质机中，先800rad/min，预混1min，再2000rad/min、1min搅拌6次混匀，将混匀的浆料装入点胶针筒中，使用脱泡机进行脱泡2次，得到均匀的可打印浆料；可打印浆料中，羟基磷灰石为25.5％，β-磷酸三钙占比34.8％，聚乙烯醇溶液为39.7％；
[0154] S3，利用TPMS联合CSG的方法，设计出以P曲面构型为基本单元的个性化骨缺损模型，并以STL格式导出；
[0155] S4，将均匀的可打印浆料的料管安装于生物陶瓷3D打印机进料口，调节打印参数，输入准备好的模型文件，层层堆叠成型，得到设计的规则宏孔的多孔生物陶瓷人工骨初坯；
[0156] S5，将成型初坯放入冷冻干燥机中冻干去除水分，形成微孔。于-50℃预冻6小时，以5℃为间隔，缓慢升温，-30℃～-10℃进行第一阶段冷冻干燥6小时，0℃～10℃保温干燥3小时，30℃解析干燥并恒温3小时以上，再经辐照灭菌，然后得到多孔生物陶瓷人工骨；其孔隙率为40％；
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