用于治疗股骨头坏死的3D打印复合骨修复体及制备方法

技术领域

本发明涉及生物医学技术领域，更具体地，涉及一种用于治疗股骨头坏死的3D打印可降解无机/有机复合骨修复体及其制备方法。

背景技术

股骨头缺血性坏死是因为股骨头的血运被破坏，导致股骨头骨细胞发生坏死的一种病理状态，为骨科常见且治疗困难的疾病。目前各种保留股骨头的治疗方法大部分集中于如何改善股骨头血供及促进股骨头的修复，对预防股骨头塌陷也出现了各种各样的方法：例如自体骨植入、金属钽棒及生物陶瓷棒等，但是均无法同时满足力学性能和生物学性能(生物降解性、骨传导性等)。

由于没有单独的一种材料在生物活性及生物力学性能上可以满足骨组织工程支架材料的要求。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种用于治疗股骨头坏死的3D打印复合骨修复体，将无机与有机常用支架材料进行复合，不但可保证材料有足够的强度，生物相容性好，而且能够通过调配具有合适的降解速度以适应于骨的构建；另外，该骨修复体是由3D打印技术制得的骨修复体，便于实现定制化。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种用于治疗股骨头坏死的3D打印复合骨修复体，所述骨修复体具有三维贯通的多孔结构，所述骨修复体的多孔结构的孔隙率为5％-80％；

所述骨修复体是由3D打印技术制得的骨修复体；

所述骨修复体为柱状，且其顶面为椭圆抛物面；

所述骨修复体包括内层结构和外层结构，所述骨修复体具有径向的梯度结构，所述内层结构的孔隙率为50-90％，外层结构的孔隙率为0-30％，所述内层结构具有轴向设置的内层多孔通道，所述内层多孔通道的直径为2-4mm。

进一步地说，所述椭圆抛物面的控制方程为：

进一步地说，所述骨修复体的外形尺寸为：长度尺寸50-200mm，且直径尺寸5-10mm。

进一步地说，所述多孔结构的平均孔径为250μm，且孔隙率为70％。

进一步地说，所述骨修复体是由面曝光式3D打印技术制得的骨修复体。

进一步地说，所述外层结构设计为G单元多孔结构，G单元的参数方程为：

所述内层结构设计为IW-P单元多孔结构，IW-P单元的参数方程为：

，其中0

进一步地说，所述3D打印的复合骨修复体是以无机生物陶瓷粉体和可降解聚合物为基础原料制得的；

在所述骨修复体中，所述无机生物陶瓷粉体的固相比例为40wt％～65wt％。

进一步地说，所述无机生物陶瓷粉体为羟基磷灰石、磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸八钙、硅酸钙、镁黄长石、白硅钙石和生物玻璃中的至少一种。

进一步地说，所述可降解聚合物为聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、光固化聚己内酯(PCL-MA)、聚氨酯(PU)和聚碳酸三亚甲基酯(PTMC)中的至少一种。

本发明还提供了一种所述的用于治疗股骨头坏死的3D打印复合骨修复体的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：

S1、通过UG NX 10.0软件设计三维模型，网格化处理得到设计模型；

S2、将无机生物陶瓷粉体加入可降解聚合物溶液中，并加入光引发剂，置于球磨机中，以制备出用于光固化成型的混合浆料；

其中，无机生物陶瓷粉体站混合浆料的质量分数为40wt％～65wt％，光引发剂占混合浆料的质量分数为0.5～2wt％；

S3、将步骤S1设计的三维复合骨修复体模型导入到DLP打印机中，将步骤S2中制备好的混合浆料倒入打印机料槽中，曝光时间设置为5000～30000ms，分层厚度设置为0.05～0.1mm，逐层打印，经高压水清洗后得到复合材料复合骨修复体。

本发明的有益效果是：

一、本发明的骨修复体具有三维贯通的多孔结构，合适的孔隙率以及径向的内、外层梯度结构等，均可促进营养物质的运输和代谢废物的输送以及骨再生的效果；

二、本发明的骨修复体为3D打印骨修复体，操作简单，可以个性化定制；

三、本发明采用可降解聚合物材料和生物陶瓷粉体的混合物为基础原料，制备成光固化浆料，按照前期设计既定的模型逐层铺料打印，获得具有复杂内部及表面结构和三维连通孔隙的复合骨修复体，在复合骨修复体中，生物陶瓷粉体和可降解聚合物材料的质量比会影响复合骨修复体的力学强度、降解速度、细胞粘附性和新骨形成速度等，通过控制生物陶瓷粉体和可降解聚合物材料的质量比，制得的复合骨修复体能够获得符合要求的力学强度、降解速度、细胞粘附性和新骨。

四、本发明的生物陶瓷粉体使得复合骨修复体表面具有细胞识别位点、适合细胞黏附和新骨沉积的微环境；可降解聚合物可以逐步降解，为新骨长入提供空间，增加复合骨修复体与骨组织结合的紧密性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式的骨修复体的外层结构的G单元体模型结构图；

图2为本发明具体实施方式的骨修复体内层结构的IW-P单元体模型结构图；

图3为本发明具体实施方式的股骨头的骨修复体模型的侧视图；

图4为本发明具体实施方式的用于股骨头修复的骨修复体模型的俯视图；

图5为本发明具体实施方式的用于股骨头修复的骨修复体模型的使用示意图；

图6为本发明通过3D打印制备的多孔无机/有机复合骨修复体的显微照片；

图7为本发明通过3D打印制备的多孔无机/有机复合骨修复体的扫描电镜照片；

附图标记说明：

骨修复体1、外层结构的G单元11、内层结构的IW-P单元体12、股骨头2。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不背离本发明所揭示的范畴下，能于不同的修饰与改变。

实施例：一种用于治疗股骨头坏死的3D打印复合骨修复体100，如图1到7所示，所述骨修复体1具有三维贯通的多孔结构，所述骨修复体的多孔结构的孔隙率为5％-80％(较佳的是孔隙率为5％-70％，杨氏模量为0.5Gpa～3.8Gpa)；

所述骨修复体是由3D打印技术制得的骨修复体；

所述骨修复体为柱状，且其顶面为椭圆抛物面；

所述骨修复体包括内层结构和外层结构，所述骨修复体具有径向的梯度结构，所述内层结构的孔隙率为50-90％，外层结构的孔隙率为0-30％，所述内层结构具有轴向设置的内层多孔通道，所述内层多孔通道的直径为2-4mm。

所述椭圆抛物面的控制方程为：

所述骨修复体的外形尺寸为：长度尺寸50-200mm，且直径尺寸5-10mm。

本实施例中，较佳的是，所述多孔结构的平均孔径为250μm，且孔隙率为70％。

所述骨修复体是由面曝光式3D打印技术制得的骨修复体。

所述外层结构设计为G单元11多孔结构，G单元的参数方程为：

所述内层结构设计为IW-P单元12多孔结构，IW-P单元的参数方程为：

，其中0

所述3D打印的复合骨修复体是以无机生物陶瓷粉体和可降解聚合物为基础原料制得的；

在所述骨修复体中，所述无机生物陶瓷粉体的固相比例为40wt％～65wt％。

所述无机生物陶瓷粉体为羟基磷灰石、磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸八钙、硅酸钙、镁黄长石、白硅钙石和生物玻璃中的至少一种。

所述可降解聚合物为聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、光固化聚己内酯(PCL-MA)、聚氨酯(PU)和聚碳酸三亚甲基酯(PTMC)中的至少一种。

一种所述的用于治疗股骨头坏死的3D打印复合骨修复体的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：

S1、通过UG NX 10.0软件设计三维模型，网格化处理得到设计模型；

S2、将无机生物陶瓷粉体加入可降解聚合物溶液中，并加入光引发剂，置于球磨机中，以制备出用于光固化成型的混合浆料；

其中，无机生物陶瓷粉体站混合浆料的质量分数为40wt％～65wt％，光引发剂占混合浆料的质量分数为0.5～2wt％；

S3、将步骤S1设计的三维复合骨修复体模型导入到DLP打印机中，将步骤S2中制备好的混合浆料倒入打印机料槽中，曝光时间设置为5000～30000ms，分层厚度设置为0.05～0.1mm，逐层打印，经高压水清洗后得到复合材料复合骨修复体。

步骤S2中的光引发剂为2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦(TPO)或苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基亚磷酸锂(LAP)。

如图5所示，以下为该骨复合体应用于股骨头2的一具体实施例：

本实施例以PEG200DA和β-磷酸三钙作为原材料制备光固化混合浆料，利用DLP方法打印出PEG200DA/β-磷酸三钙复合股骨头修复体，制备的修复体主体具有多孔结构，平均孔径为250μm，孔隙率为70％，且具有轴向贯通的通道。

其制备方法包括如下步骤：

S1、通过UG NX10.0软件设计用于股骨头2的骨修复体的轮廓外形，利用mathematics 8.0软件设计出多孔结构，外层结构设计为G单元多孔结构，G单元的参数方程为：

内层结构设计为IW-P单元多孔结构，IW-P单元的参数方程为：

，其中0

并通过magics软件进行布尔运算得到骨修复体的STL文件，如图1到4所示，骨修复体1、外层结构的G单元11、内层结构的IW-P单元体12；

S2、将β-磷酸三钙与PEG200DA溶液按照50wt％的固含量混合并加入0.5wt％的光引发剂(比如选用2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦)，置于球磨机中，以制备出用于光固化成型的混合浆料；

S3、将步骤S1设计的用于股骨头修复的骨修复体的STL文件导入到DLP打印机中，将步骤S2中制备好的混合浆料倒入打印机料槽中，曝光时间设置为10000ms，分层厚度设置为0.05mm，逐层打印，经高压水清洗后得到用于股骨头修复的骨修复体。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。