3D打印的数字化人工骨及其制备方法技术领域
本发明涉及3D打印的数字化人工骨及其制备方法。
背景技术
创伤性或肿瘤性骨缺损的修复重建一直是骨科的难题之一。临床上自体骨移植是目前最有效的治疗方法，但存在取材有限，手术时间延长，病人二次创伤等缺点。寻找安全而有效地替代自体骨移植方法一直是国际骨科的研究热点。
骨骼具有复杂的空间结构，由外到内分别由皮质骨、松质骨和骨髓腔组成，而其分级结构包括纳米级、微米级、毫米级和厘米级别等。骨在纳米尺度上是矿化的胶原纤维，包括胶原微纤维和羟基磷灰石。胶原微纤维由若干原胶原蛋白分子以相互错开四分之一的阵列规则平行排列而成，并形成孔区与重叠区相互交替的周期性结构，周期大约为67nm。在天然骨中发现的羟基磷灰石晶体以片状晶形态规整地排列在胶原纤维组成的“凹槽”内，晶体厚度为1.5-5nm，宽度约为20nm，长度通常为40-60nm。在微米和毫米尺度上，骨的结构单位为哈佛氏骨单位（皮质骨），或骨小梁（松质骨）。皮质骨分布于骨的表面，结构致密，只有约10%的孔隙率。松质骨结构疏松，呈海绵状网眼结构，孔隙率大约50-90%。
目前临床上已在使用的多种人工骨修复材料在生物相容性、生物活性、生物可降解性及与宿主骨的分级结构和力学性能匹配性等方面都有各自的缺点。如采用冻干法制备的人工骨，尽管在纳米尺度上和天然骨相匹配，但很难在毫米甚至厘米级别上达到仿生匹配的效果。而天然骨是由细胞控制而合成的生物陶瓷/生物高分子复合材料，这种过程涉及在分子水平上对矿物晶体形核与长大的精细调节，以及有机与无机组元的微组装，这就要求人工骨需要在比纳米更高级别的分级结构上和天然骨相仿。由于目前现有工艺及材料制备的人工骨很难与天然骨相匹配，故而给骨缺损患者的修复治疗带来诸多不便，疗效很难令人满意。
发明内容
为了获得能够与患者的缺损部位完美结合的人工骨，尤其是从毫米级甚至厘米级别上与天然骨相仿的人工骨，本发明提供一种3D打印的数字化人工骨及其制备方法。
作为本发明的一个方面，涉及一种3D打印的数字化人工骨，所述人工骨由皮质骨、松质骨和骨髓腔构成，所述皮质骨由左旋聚乳酸或聚醚醚酮构成，所述松质骨由左旋聚乳酸和羟基磷灰石混合而成，构成所述皮质骨的左旋聚乳酸比构成所述松质骨左旋聚乳酸分子量高，所述皮质骨和松质骨同时经3D打印工艺制备而成。具体地，所述人工骨由皮质骨、松质骨和骨髓腔构成，所述皮质骨由高分子量左旋聚乳酸(PLA)，比如分子量为300000的聚乳酸(PLA)，或聚醚醚酮（PEEK）构成，所述松质骨由左旋聚乳酸(PLA)和羟基磷灰石（HA）混合而成，所述皮质骨和松质骨同时经3D打印工艺制备而成。
更具体地，所述松质骨由分子量90000的PLA和HA按2-4:2-5，优选4:5的比例混合而成。其中，HA的颗粒粒径为20-100nm，优选80nm。
作为本发明的另一个方面，涉及一种数字化人工骨的3D打印方法，包括如下步骤：（1）根据患者的骨缺损3维数据，构建CAD实体模型；（2）通过成形机数控转换，将CAD实体模型生成STL格式文件，再用MedCAD软件切出厚度为0.2mm的一系列片层；（3）将上述片层资料传到快速自动成型机中，采用双喷头熔融成形工艺，制备出与患者骨缺损相匹配的数字化人工骨。
具体来讲，采用双喷头热熔成形工艺，制备出与患者骨缺损相匹配的数字化人工骨，是指，将高分子量左旋聚乳酸(PLA)，比如分子量为300000的聚乳酸(PLA)，或聚醚醚酮（PEEK）加热至熔融态，将左旋聚乳酸(PLA)和羟基磷灰石（HA）的混合物加热至固液混合态，经不同的3D打印喷头，分别喷涂到皮质骨和松质骨位置。
具体地，所述左旋聚乳酸(PLA)和羟基磷灰石（HA）的混合物是指，由分子量90000的PLA和HA按2-4:2-5，优选4:5的比例混合而成的混合物。其中，HA的颗粒粒径为20-100nm，优选80nm。
采用上述方案后，本发明至少能够实现如下有益效果：
PEEK材料具有质量轻、无毒、耐腐蚀等优点，是目前与人体骨骼最接近的材料，可与肌体有机结合，可用来代替金属制造人工骨骼。PLA是美国FDA和我国CFDA允许可用于植入材料的高分子材料，具有可塑型、生物相容性优异、可降解等特点，是骨缺损的良好填充剂，可连接骨折断端，防止软组织长入，并为血管和成骨细胞的生长提供了良好的支架。HA在组成、结构上与天然骨盐一致，有很好的生物相容性、骨传导性及与骨结合能力，加上无毒副作用，被广泛用作硬组织修复材料和骨填充材料。本发明通过优化材料的混合配比及原材料颗粒大小使所制备的人工骨具有与天然骨相匹配的成分和结构。
利用3D打印技术根据不同患者由CT、磁共振成像(MRI)等检测方法获取的数据，快速制造个性化的人工骨组织，获得理想的组织修复效果。本发明采用3D打印调节高分子量（300000）PLA或PEEK、适宜分子量PLA（90000）与HA的配比以及HA的颗粒大小，保证晶体结构的大小和性状稳定均一，吸收速度稳定，进而通过优化措施使其吸收速度与新骨生长情况保持一致。
所述3D打印制备的人工修复骨具备适宜的降解性能，以便材料的降解速度与新骨的生长速度相匹配，有利于骨愈合；具备较高的孔隙率和适宜的孔径，有利于营养物质和骨细胞更好地迁入材料中，从而促进新骨的生成；具备优良的生物相容性，有利于材料与组织相容。
本发明所提供的3D打印制备的人工骨具有个性化设计特征，能实现人工骨与患者病变部位的完美匹配：在纳米尺度上，羟基磷灰石晶体长在胶原纤维间隙，且羟基磷灰石晶体的c轴择优取向与胶原纤维轴向平行，具有与人类骨结构相似的矿化胶原纤维；在微米和毫米尺度上，皮质骨的孔隙率为10%；松质骨的孔隙率为60-80％，孔隙大小为120-220μm，具有与人类骨结构相似的孔隙率、孔径大小和力学性能。经3D打印制备的人工骨具有明显的分层结构，可实现在毫米级甚至厘米级别上与天然骨仿生匹配，而现有工艺制备的人工骨达不到此效果。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
3D打印过程概述如下：根据不同患者的CT、磁共振成像(MRI)等成像数据，获知患者的骨缺损3维数据，使用Simpleware3.1软件，构建其具体CAD实体模型，通过成形机数控转换，将其生成STL格式文件，再用MedCAD软件切出厚度为0.2mm的一系列片层，然后将上述每一片资料传到快速自动成型机中，采用双喷头热熔成形工艺，并设定适宜的工艺参数，如分别设定好3D打印的各工艺参数，包括：层厚(A)、填充密度(B)、轮廓丝宽(C)、支撑与实体间隙(D)、喷头温度、工作台温度、内部填充因子、填充角度和收缩因子。通过这些数据转换技术及工艺参数设定，对配制好的材料及粉末进行双喷头3D打印成型，双喷头设备中采用不同的喷头分别喷射成型皮质骨和松质骨部分，使原材料在一个预先选定的温度融化并且快速凝固后粘接到前一层上，最终制备出与患者骨缺损相匹配的数字化人工骨。
实施例1
皮质骨材料为分子量300000的PLA；松质骨材料为分子量90000的PLA与颗粒大小为20nm的HA混合而成，二者配比为2:2。
具体3D打印工艺为：
根据患者的CT、磁共振成像(MRI)等图像和数据，获知患者的骨缺损3维数据，使用Simpleware3.1软件，构建其具体CAD实体模型，通过成形机数控转换，将其生成STL格式文件，再用MedCAD软件切出厚度为0.2mm的一系列片层，然后将上述每一片资料传到快速自动成型机中。
快速自动成型机的材料箱内分别容纳有分子量300000的PLA，分子量90000的PLA与HA的混合物。
应用3D打印“分层叠加”原理，分别对配制好的材料粉末，加热至固液混合状态，采用双喷头成形工艺，依据CT或MRI数据建立的3D模型，通过计算机程序控制在不同位置上堆积成相应的皮质骨和松质骨，制备出与患者骨缺损相匹配的数字化人工骨。
双喷头FDM设备中采用不同的喷头分别喷射成型皮质骨和松质骨部分，原材料在一个预先选定的温度融化并且快速凝固后粘接到前一层上。本实施例中具体的3D打印工艺各参数如下：
层厚(A)：0.1-0.2mm；填充密度(B)：20%；轮廓丝宽(C)：0.3mm；支撑与实体间隙(D)：0.65mm；喷头温度：220℃；工作台温度：70℃；内部填充为常规实体方式；填充角度：45°；收缩因子：1.0032。
本实施例所打印的数字化人工骨，在微米和毫米尺度上，皮质骨的孔隙率为10%；松质骨的孔隙率为60％，孔隙大小为130μm，具有与人类骨结构相似的孔隙率、孔径大小和力学性能。
实施例2
皮质骨材料为分子量300000的PLA；松质骨材料为分子量90000的PLA与颗粒大小为30nm的HA混合而成，二者配比为3:2。
具体3D打印工艺为：
根据患者的CT、磁共振成像(MRI)等成像数据，获知患者的骨缺损3维数据，使用Simpleware3.1软件，构建其具体CAD实体模型，通过成形机数控转换，将其生成STL格式文件，再用MedCAD软件切出厚度为0.2mm的一系列片层，然后将上述每一片资料传到快速自动成型机中。
快速自动成型机的材料箱内分别容纳有分子量300000的PLA，分子量90000的PLA与HA的混合物。
应用3D打印“分层叠加”原理，分别对配制好的材料粉末，加热至固液混合状态，采用双喷头成形工艺，依据CT或MRI数据建立的3D模型，通过计算机程序控制在不同位置上堆积成相应的皮质骨和松质骨，制备出与患者骨缺损相匹配的数字化人工骨。
本实施例中具体的3D打印工艺各参数如下：
层厚(A)：0.1-0.2mm；填充密度(B)：30%；轮廓丝宽(C)：0.6mm；支撑与实体间隙(D)：0.70mm；喷头温度：220℃；工作台温度：70℃；内部填充为常规实体方式；填充角度：45°；收缩因子：1.0032。
本实施例所打印的数字化人工骨，在微米和毫米尺度上，皮质骨的孔隙率为10%；松质骨的孔隙率为65％，孔隙大小为120μm，具有与人类骨结构相似的孔隙率、孔径大小和力学性能。
实施例3
皮质骨材料为分子量300000的PLA；松质骨材料为分子量90000的PLA与颗粒大小为50nm的HA混合而成，二者配比为2:3。
具体3D打印工艺为：
根据患者的CT、磁共振成像(MRI)等成像数据，获知患者的骨缺损3维数据，使用Simpleware3.1软件，构建其具体CAD实体模型，通过成形机数控转换，将其生成STL格式文件，再用MedCAD软件切出厚度为0.2mm的一系列片层，然后将上述每一片资料传到快速自动成型机中。
快速自动成型机的材料箱内分别容纳有分子量300000的PLA，分子量90000的PLA与HA的混合物。
应用3D打印“分层叠加”原理，分别对配制好的材料粉末，加热至固液混合状态，采用双喷头成形工艺，依据CT或MRI数据建立的3D模型，通过计算机程序控制在不同位置上堆积成相应的皮质骨和松质骨，制备出与患者骨缺损相匹配的数字化人工骨。
本实施例中具体的3D打印各工艺参数如下：
层厚(A)：0.1-0.2mm；填充密度(B)：30%；轮廓丝宽(C)：0.6mm；支撑与实体间隙(D)：0.70mm；喷头温度：220℃；工作台温度：70℃；内部填充为常规实体方式；填充角度：45°；收缩因子：1.0032。
本实施例所打印的数字化人工骨，在微米和毫米尺度上，皮质骨的孔隙率为10%；松质骨的孔隙率为68％，孔隙大小为220μm，具有与人类骨结构相似的孔隙率、孔径大小和力学性能。
实施例4
皮质骨材料为分子量300000的PLA；松质骨材料为分子量90000的PLA与颗粒大小为80nm的HA混合而成，二者配比为4:5。
具体3D打印工艺为：
根据患者的CT、磁共振成像(MRI)等成像数据，获知患者的骨缺损3维数据，使用Simpleware3.1软件，构建其具体CAD实体模型，通过成形机数控转换，将其生成STL格式文件，再用MedCAD软件切出厚度为0.2mm的一系列片层，然后将上述每一片资料传到快速自动成型机中。
快速自动成型机的材料箱内分别容纳有分子量300000的PLA，分子量90000的PLA与HA的混合物。
应用3D打印“分层叠加”原理，分别对配制好的材料粉末，加热至固液混合状态，采用双喷头成形工艺，依据CT或MRI数据建立的3D模型，通过计算机程序控制在不同位置上堆积成相应的皮质骨和松质骨，制备出与患者骨缺损相匹配的数字化人工骨。
本实施例中具体的3D打印各工艺参数如下：
层厚(A)：0.1-0.2mm；填充密度(B)：40%；轮廓丝宽(C)：0.6mm；支撑与实体间隙(D)：0.75mm；喷头温度：220℃；工作台温度：70℃；内部填充为常规实体方式；填充角度：45°；收缩因子：1.0032。
本实施例所打印的数字化人工骨，在微米和毫米尺度上，皮质骨的孔隙率为10%；松质骨的孔隙率为75％，孔隙大小为150μm，具有与人类骨结构相似的孔隙率、孔径大小和力学性能，其孔隙率与孔径特别适合成骨生长。
实施例5
皮质骨材料为PEEK；松质骨材料为分子量90000的PLA与颗粒大小为100nm的HA混合而成，二者配比为4:5。
具体3D打印工艺为：
根据患者的CT、磁共振成像(MRI)等成像数据，获知患者的骨缺损3维数据，使用Simpleware3.1软件，构建其具体CAD实体模型，通过成形机数控转换，将其生成STL格式文件，再用MedCAD软件切出厚度为0.2mm的一系列片层，然后将上述每一片资料传到快速自动成型机中。
快速自动成型机的材料箱内分别容纳有分子量300000的PLA，分子量90000的PLA与HA的混合物。
应用3D打印“分层叠加”原理，分别对配制好的材料粉末，加热至固液混合状态，采用双喷头成形工艺，依据CT或MRI数据建立的3D模型，通过计算机程序控制在不同位置上堆积成相应的皮质骨和松质骨，制备出与患者骨缺损相匹配的数字化人工骨。
本实施例中具体的3D打印各工艺参数如下：
层厚(A)：0.1-0.2mm；填充密度(B)：40%；轮廓丝宽(C)：0.9mm；支撑与实体间隙(D)：0.75mm；喷头温度：220℃；工作台温度：70℃；内部填充为常规实体方式；填充角度：45°；收缩因子：1.0032。
本实施例所打印的数字化人工骨，在微米和毫米尺度上，皮质骨的孔隙率为9%；松质骨的孔隙率为80％，孔隙大小为140μm，具有与人类骨结构相似的孔隙率、孔径大小和力学性能。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。