基於快速成型的人工生物活性骨骼的複合製造方法

2023-05-29 16:54:21 3

專利名稱：基於快速成型的人工生物活性骨骼的複合製造方法
技術領域：
本發明屬於製造領域的醫療修復工程，特別涉及一種基於快速成型的人工生物活性骨骼的複合製造方法。
快速原型製造技術(Rapid Prototyping Manufacturing，簡稱RPM)是採用材料累加成型原理，無需刀具、工裝，通過多種途徑形成三維實體，它能以最快的速度將設計思想物化為具有一定結構功能的產品原型直接製造零件，從而使產品設計開發可能進行快速評價、測試、改進，以完成設計製造過程，適應市場需求，是一種極富生命力的製造業發展方向，而且快速原型製造技術適宜於單位或小批量生產、製造周期短、不需要複雜的模具就可以達到較高精度的尺寸外形。
目前已開發出的快速成形方法主要有光固化法(Stereolithography)、層疊法(LOM)、燒結法(SLS)、熔焊法(FDM)、3D印刷法(3D-Printer)等。
由於目前用於快速成型製造方法的生物可降解的生物活性材料不經過燒結不具備足夠的強度，所以一般的快速成型製備人工骨骼的方法均需燒結。高溫燒結，使得骨生長因子細胞不能生存。所以，骨生長因子細胞一般是採用燒結後，把固化後的人工生物活性骨骼在適當濃度的含有骨生長因子細胞的液體中浸泡，一定時間後，骨生長因子細胞將進入人工骨骼內部。但是，由於骨生長因子細胞要進入人工骨骼內部，需要較長時間，而且不宜滲入內部，限制了其使用範圍。
為達到上述目的本發明採用的技術方案是(1)人造骨的仿生CAD設計a、骨骼外形CAD設計，通過CT特徵斷面測量或外表面測量，用特徵數據點重構骨骼外形的三維CAD，並將其以STL數據格式表達；b、骨骼內部骨髓腔的三維CAD設計，若基於CT斷面數據，可以用重構的方法構造骨髓腔CAD，若基於外表面的測量數據，可以利用外表面形狀建立數學模型來構造骨髓腔的CAD；c、骨骼骨質組織的CAD設計，通過電子顯微鏡觀察骨骼微孔的尺寸以及分布規律，建立骨質組織微結構數學模型，構造骨骼的三維CAD，保證微孔空間完全導通；
d、通過以上三部分的仿生CAD建模設計，將外形CAD與內部CAD複合起來，構造出完整的骨骼CAD；(2)成型系統a、以乳化糖作成型材料用熔融沉積的方法製造人工骨的反形(負型)；b、對三維CAD數據進行分層處理，用分層製造的方法快速成型出骨骼外形和內部微結構的負型(反形)；c、製作一個帶有可控加熱系統的加壓容器，容器底部開一個0.2mm的材料壓出孔，孔由電控開關控制開閉；d、將整個系統安裝在X-Y工作檯上，有一個可以在Z方向運動的成型平臺，組成一個分層成型系統，將乳化糖裝入加壓容器實現分層製造；(3)成型工藝將乳化糖裝入加壓容器中，將加壓容器的溫度控制在80-120℃、壓力控制在0.8Pa-1Pa來控制乳化糖的流動性和塑性，乳化糖在加熱後達到融化狀態後由材料壓出孔壓出，研究乳化糖壓出速度和X-Y運動速度與乳化糖成絲直徑的關係，以便通過速度來控制不同導管的直徑，骨外形和骨髓腔通過常規的逐層製造方法實現；(4)骨生長因子和成骨細胞的複合將骨生長因子製成懸液，加入成骨細胞，製成生物活性劑，在無菌條件下將生物活性劑溫度準確地控制在36℃～38℃，以保證成骨細胞的活性，將生物活性劑倒入成型好的骨型腔中培養，以便於骨生長因子和成骨細胞能夠吸附到導管架上，然後，再將生物活性劑倒出來，使骨生長因子能保留在導管架上，成為植入人工骨的活性物質；(5)複合成骨製造工藝為提高骨的強度，先在骨骼中插入鈦纖維，作為加強筋複合在骨中間，以提高替代骨的整體強度，用自凝固羥基磷酸鈣均勻後倒入經生物複合後的乳化糖骨負型腔中，逐步填實，待凝固後，用36℃～38℃的蒸餾水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羥基磷酸鈣人工骨呈現出來。
本發明的另一特點是熔融沉積的方法製造人工骨的反形(負型)，是將骨外形實體封閉，內部由骨髓體和微孔及其通管構成的實體網架，形成網狀的空腔結構。
本發明針對人體骨骼的內徑結構，利用醫用CT機獲取的骨骼斷層數據。經過人工骨的仿生CAD建模技術的加工和處理，建立內孔模型，經過分層、加支撐等數據處理，在快速成型機上採用特製的生物可降解材料製造出骨骼外形模具、內腔(骨髓腔)模具和人工骨骼內孔三維構架，同時，在成型過程中，植入骨生長因子等生物活性物質。在空隙出添入常溫可成型生物可降解基體材料，製造出人工生物活性骨骼。這種方法達到了材料、成型、生物活性的統一。
實施例2，1、人造骨的仿生CAD設計骨骼外形CAD設計，通過CT特徵斷面測量或外表面測量，用特徵數據點重構骨骼外形的三維CAD，並將其以STL數據格式表達；骨骼內部骨髓腔的三維CAD設計，若基於CT斷面數據，可以用重構的方法構造骨髓腔CAD，若基於外表面的測量數據，可以利用外表面形狀建立數學模型來構造骨髓腔的CAD；骨骼骨質組織的CAD設計，通過電子顯微鏡觀察骨骼微孔的尺寸以及分布規律，建立骨質組織微結構數學模型，構造骨骼的三維CAD，保證微孔空間完全導通；通過以上三部分的仿生CAD建模設計，將外形CAD與內部CAD複合起來，構造出完整的骨骼CAD；2、成型系統以乳化糖作成型材料用熔融沉積的方法製造人工骨的反形(負型)，熔融沉積的方法是將骨外形實體封閉，內部由骨髓體和微孔及其通管構成的實體網架，形成網狀的空腔結構；對三維CAD數據進行分層處理，用分層製造的方法快速成型出骨骼外形和內部微結構的負型(反形)；製作一個帶有可控加熱系統的加壓容器，容器底部開一個0.2mm的材料壓出孔，孔由電控開關控制開閉；將整個系統安裝在X-Y工作檯上，有一個可以在Z方向運動的成型平臺，組成一個分層成型系統，將乳化糖裝入加壓容器實現分層製造；3、成型工藝將乳化糖裝入加壓容器中，將加壓容器的溫度控制在120℃、壓力控制在1Pa來控制乳化糖的流動性和塑性，乳化糖在加熱後達到融化狀態後由材料壓出孔壓出，研究乳化糖壓出速度和X-Y運動速度與乳化糖成絲直徑的關係，以便通過速度來控制不同導管的直徑，骨外形和骨髓腔通過常規的逐層製造方法實現；4、骨生長因子和成骨細胞的複合將骨生長因子製成懸液，加入成骨細胞，製成生物活性劑，在無菌條件下將生物活性劑溫度準確地控制在38℃，以保證成骨細胞的活性，將生物活性劑倒入成型好的骨型腔中培養，以便於骨生長因子和成骨細胞能夠吸附到導管架上，然後，再將生物活性劑倒出來，使骨生長因子能保留在導管架上，成為植入人工骨的活性物質；5、複合成骨製造工藝為提高骨的強度，先在骨骼中插入鈦纖維，作為加強筋複合在骨中間，以提高替代骨的整體強度，用自凝固羥基磷酸鈣均勻後倒入經生物複合後的乳化糖骨負型腔中，逐步填實，待凝固後，用38℃的蒸餾水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羥基磷酸鈣人工骨呈現出來。
實施例31、人造骨的仿生CAD設計骨骼外形CAD設計，通過CT特徵斷面測量或外表面測量，用特徵數據點重構骨骼外形的三維CAD，並將其以STL數據格式表達；骨骼內部骨髓腔的三維CAD設計，若基於CT斷面數據，可以用重構的方法構造骨髓腔CAD，若基於外表面的測量數據，可以利用外表面形狀建立數學模型來構造骨髓腔的CAD；骨骼骨質組織的CAD設計，通過電子顯微鏡觀察骨骼微孔的尺寸以及分布規律，建立骨質組織微結構數學模型，構造骨骼的三維CAD，保證微孔空間完全導通；通過以上三部分的仿生CAD建模設計，將外形CAD與內部CAD複合起來，構造出完整的骨骼CAD；2、成型系統以乳化糖作成型材料用熔融沉積的方法製造人工骨的反形(負型)，熔融沉積的方法是將骨外形實體封閉，內部由骨髓體和微孔及其通管構成的實體網架，形成網狀的空腔結構；對三維CAD數據進行分層處理，用分層製造的方法快速成型出骨骼外形和內部微結構的負型(反形)；製作一個帶有可控加熱系統的加壓容器，容器底部開一個0.2mm的材料壓出孔，孔由電控開關控制開閉；將整個系統安裝在X-Y工作檯上，有一個可以在Z方向運動的成型平臺，組成一個分層成型系統，將乳化糖裝入加壓容器實現分層製造；3、成型工藝將乳化糖裝入加壓容器中，將加壓容器的溫度控制在100℃、壓力控制在0.9Pa來控制乳化糖的流動性和塑性，乳化糖在加熱後達到融化狀態後由材料壓出孔壓出，研究乳化糖壓出速度和X-Y運動速度與乳化糖成絲直徑的關係，以便通過速度來控制不同導管的直徑，骨外形和骨髓腔通過常規的逐層製造方法實現；4、骨生長因子和成骨細胞的複合將骨生長因子製成懸液，加入成骨細胞，製成生物活性劑，在無菌條件下將生物活性劑溫度準確地控制在37℃，以保證成骨細胞的活性，將生物活性劑倒入成型好的骨型腔中培養，以便於骨生長因子和成骨細胞能夠吸附到導管架上，然後，再將生物活性劑倒出來，使骨生長因子能保留在導管架上，成為植入人工骨的活性物質；5、複合成骨製造工藝為提高骨的強度，先在骨骼中插入鈦纖維，作為加強筋複合在骨中間，以提高替代骨的整體強度，用自凝固羥基磷酸鈣均勻後倒入經生物複合後的乳化糖骨負型腔中，逐步填實，待凝固後，用37℃的蒸餾水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羥基磷酸鈣人工骨呈現出來。
採用本發明的製備工藝能使人工生物活性骨骼的製造時間大幅度縮短，從數據採集到制出成品僅需幾天，甚至幾小時，可以實現臨床製造；人工骨與被替代骨形狀基本一致，有利於保持與原有其它器官的匹配，同時實現個體化製造；骨骼的材料具有極好的生物相容性和生物可降解性，可以逐漸被人體再生骨組織所替代；人工骨內部具有孔隙率可控、孔隙直徑可控、導通率100％的三維立體仿生微孔結構，血管和神經容易長入，促進修復過程；人工骨骼內部的微孔的數量、大小、分布及形狀可人工影響和控制；在人工骨內部有骨生長因子、骨生長調節蛋白和骨細胞等生物活性物質，而且生物活性物質可分布在任何需要的地方，可使人工骨很快與人體微循環組織連通；還可以在人工骨骼內部加入抗癌或消炎等藥物，使材料在填充修復的同時也具有進一步的治療目的。
權利要求
1.一種基於快速成型的人工生物活性骨骼的複合製造方法，其特徵在於(1)人造骨的仿生CAD設計a、骨骼外形CAD設計，通過CT特徵斷面測量或外表面測量，用特徵數據點重構骨骼外形的三維CAD，並將其以STL數據格式表達；b、骨骼內部骨髓腔的三維CAD設計，若基於CT斷面數據，可以用重構的方法構造骨髓腔CAD，若基於外表面的測量數據，可以利用外表面形狀建立數學模型來構造骨髓腔的CAD；c、骨骼骨質組織的CAD設計，通過電子顯微鏡觀察骨骼微孔的尺寸以及分布規律，建立骨質組織微結構數學模型，構造骨骼的三維CAD，保證微孔空間完全導通；d、通過以上三部分的仿生CAD建模設計，將外形CAD與內部CAD複合起來，構造出完整的骨骼CAD；(2)成型系統a、以乳化糖作成型材料用熔融沉積的方法製造人工骨的反形(負型)；b、對三維CAD數據進行分層處理，用分層製造的方法快速成型出骨骼外形和內部微結構的負型(反形)；c、製作一個帶有可控加熱系統的加壓容器，容器底部開一個0.2mm的材料壓出孔，孔由電控開關控制開閉；d、將整個系統安裝在X-Y工作檯上，有一個可以在Z方向運動的成型平臺，組成一個分層成型系統，將乳化糖裝入加壓容器實現分層製造；(3)成型工藝將乳化糖裝入加壓容器中，將加壓容器的溫度控制在80-120℃、壓力控制在0.8Pa-1Pa來控制乳化糖的流動性和塑性，乳化糖在加熱後達到融化狀態後由材料壓出孔壓出，研究乳化糖壓出速度和X-Y運動速度與乳化糖成絲直徑的關係，以便通過速度來控制不同導管的直徑，骨外形和骨髓腔通過常規的逐層製造方法實現；(4)骨生長因子和成骨細胞的複合將骨生長因子製成懸液，加入成骨細胞，製成生物活性劑，在無菌條件下將生物活性劑溫度準確地控制在36℃～38℃，以保證成骨細胞的活性，將生物活性劑倒入成型好的骨型腔中培養，以便於骨生長因子和成骨細胞能夠吸附到導管架上，然後，再將生物活性劑倒出來，使骨生長因子能保留在導管架上，成為植入人工骨的活性物質；(5)複合成骨製造工藝為提高骨的強度，先在骨骼中插入鈦纖維，作為加強筋複合在骨中間，以提高替代骨的整體強度，用自凝固羥基磷酸鈣均勻後倒入經生物複合後的乳化糖骨負型腔中，逐步填實，待凝固後，用36℃～38℃的蒸餾水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羥基磷酸鈣人工骨呈現出來。
2.根據權利要求1所述的基於快速成型的人工生物活性骨骼的複合製造方法，其特徵在於所說的用熔融沉積的方法製造人工骨的反形(負型)，是將骨外形實體封閉，內部由骨髓體和微孔及其通管構成的實體網架，形成網狀的空腔結構。
全文摘要
本發明公開了一種基於快速成型的人工生物活性骨骼的複合製造方法,它是用CT數據建立骨骼三維CAD內部微結構和外形模型;用快速成型技術製造出骨骼微結構和外形的負型;植入生物因子或細胞;加入鈦纖維以增強力學性能;填充生物骨骼材料;製造出人工替代骨。該方法具有個體適配性強;製造速度快;生物相溶性好;材料適用面寬;生物因子和生物細胞複合植入;骨骼植入後成活率;是工程化製造活性骨骼的有效途徑。
文檔編號A61F2/28GK1368386SQ0211442
公開日2002年9月11日 申請日期2002年1月23日 優先權日2002年1月23日
發明者李滌塵, 盧秉恆, 吳永輝 申請人:西安交通大學