一种具备核壳结构的金属人工骨植入物及其制备方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种具备核壳结构的金属人工骨植入物及其制备方法。

背景技术

当今社会，随着越来越多人面临骨质健康问题，通过植入可降解金属人工骨植入物去治疗严重骨缺损、骨质疾病等不可治愈的严重骨骼创伤问题成为一种优良选择。

优质可降解金属人工骨植入物在植入患者体内后将提供足够机械支持以满足患者日常行为运动，在人体新骨的产生与生长过程中将提供支架以供骨细胞及骨组织生长攀附，同时随着新骨的生长，植入物将会逐渐降解，将所承受的机械应力逐渐转移至新骨上。当新生骨生长完全，植入物便完全被降解代谢，骨创伤治疗疗程结束，患者痊愈。

制备优质可降解金属人工骨需要注意如下四个方面：

1)高度定制化的复杂结。作为人骨的替代品，需要人工骨植入物具备符合患者创伤处的几何结构与尺寸。此外，人工骨植入物还需具备一定的孔隙率(>30％-70％)、孔径(100μm-500μm)以及三位贯通的孔道以满足营养物质的输送、代谢产物的排放以及细胞的生长；

2)优良的生物性。当金属人工骨植入物植入体内后，不出现全身或局部毒性反应、不出现凝血、刺激等不良反应，同时又需要具有骨诱导性，使得新生骨能在生物分子信号的诱导下形成；

3)充分的机械性能。当金属人工骨植入物植入体内后能够为患者日常行为运动提供足够的机械支持，同时具有合适的弹性模量等机械性能以避免发生应力屏蔽现象而影响周遭原生骨；

4)适配的降解速率。当金属人工骨植入物植入体内后，随着骨组织的再生与重建，人工骨植入物逐渐降解并被新生骨代替，最终实现骨缺损的修复。因此，要求人工骨植入物的降解速率与骨组织的再生与重建速率相匹配。同时，植入物的降解产物不得有毒性。

当下，为了制备人工骨植入物的主要方式为增材制造，即3D打印。3D打印成型能力强且成型所受约束小，可轻易制造出符合植入要求化形状结构的人工骨植入物。本发明提供一种基于3D打印制备具有核壳结构的可降解金属人工骨植入物的方法，以解决现有人工骨植入物无法对结构孔隙率与降解速率进行协同调控的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具备核壳结构的金属人工骨植入物及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种金属人工骨植入物，其特征在于，包括以下原料：铁粉末与羟基磷灰石；

其中，金属人工骨植入物的外壳原料包括铁和羟基磷灰石，内核原料包括铁，所述外壳和内核构成核壳结构。

一种金属人工骨植入物的制备方法，包括以下步骤：

称量溶剂无水乙醇与聚合物聚乙烯吡咯烷酮，将聚合物和溶剂在容器内溶解，制备成浆料粘结剂；

将铁粉末与羟基磷灰石粉末分别进行烘干，随后进行研磨，得到粉末；

称取铁粉末与羟基磷灰石粉末得到混合粉末，将浆料粘结剂与混合粉末研磨，得到的外壳浆料；

将浆料粘结剂与铁粉混合研磨得到了内核浆料，

打印浆料，将外壳浆料和内核浆料分别放入打印机构中，打印出的混合浆料丝堆叠形成三维结构，得到金属支架；

对金属支架进行热处理。

本发明的有益效果：

本发明的优点是：混合粉末在金属支架中体积比可达80％，可充分降低在烧结后的收缩程度，使得到的与所设计的尺寸偏差降低到最小；无需使用激光、电子束等方法进行修补，降低了设备及加工成本，更加安全可靠，被加工零件整体同时被烧结成型，不存在局部残余应力；

此外核壳结构的设计使得人工骨样件得到性能提升，兼具了生物陶瓷材料、生物金属材料以及普通生物陶瓷-生物金属混合结构材料人工骨样件的优点，并改善二者缺点：

(1)内核的铁结构保障了样件整体的机械性能，提高了弹性模量、抗压强度、屈服强度以及韧性等；

(2)外壳的铁-羟基磷灰石结构提高了与生物内环境接触后样件外部的生物相容性、生物诱导性等生物性能；

(3)内核与外壳的相同铁材料保障了打印线条核与壳不易分层脱节，而保证样件结构有效性；

(4)采用以铁为主的金属材料可实现可降解人工骨的制备，随着新骨的生长，人工骨逐渐降解，机械负载逐步传递至新骨上，同时避免取出人工骨的二次手术；

(5)羟基磷灰石的添加可加速铁的降解速率，从而使得铁-羟基磷灰石金属人工骨植入物的降解速率能够在不改变结构孔隙的基础上进行调整；

(6)外壳的铁-羟基磷灰石结构具有更高的降解速率，内核的铁结构具备相对低的降解速率，当植入体内后，外壳结构率先发生较快速度降解以提供骨生长空间同时内核结构保持第较低降解速率以提供充足机械性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是制备具备核壳结构的Fe-HA金属人工骨植入物的流程图；

图2是本发明所采用的气动挤出式同轴打印的原理示意图；

图3是本发明所采用的同轴针头内部结构示意图；

图4是，为不同孔隙率含不同含量HA的金属人工骨支架在21天降解前后抗压强度变化表；

图5是为不同孔隙率含不同含量HA的金属人工骨支架在21天降解前后屈服强度变化表。

图中标号说明：

1、供气装置；2、推杆；3、内核料筒；4、堵头；5、夹具；6、导管；7、输送架；8、同轴针头；9、内腔；10、外腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种具备核壳结构的金属人工骨植入物及其制备方法，

实施例1：

(1)、配置粘结剂，称量溶剂无水乙醇与聚合物聚乙烯吡咯烷酮的质量比为0.9：1，将聚合物和溶剂在具有防腐蚀功能的密封容器内于80-90℃干燥环境下溶解30分钟以制备成均匀性质的、可流动的、具有一定粘度的浆料粘结剂；

(2)、粉末处理，将铁粉末(D

(3)、配置外壳浆料，将铁粉末与羟基磷灰石按照质量比39:1称量好，并且按照浆料粘结剂与混合粉末质量比5:35放入球磨机中在密封条件下以600r/mi n的转速下球磨混合60分钟，得到混合均匀的混合浆料，均匀混合浆料成粘稠状，其中无片状晶体与颗粒；

(4)、配置内核浆料，将浆料粘结剂与铁粉末按照粉末质量比1:10放入球磨机中在密封条件下以500r/mi n的转速下球磨混合25分钟，得到混合均匀的混合浆料，均匀混合浆料成粘稠状；

(5)、打印浆料，将内核浆料放入料筒3，将外壳浆料放入料筒4，夹具6夹持后，将同轴针头8的内腔9连接至料筒3同时使用导管7将料筒4与同轴针头8的外腔10连接。装置连接完毕，通过供气装置1通入0.2-0.4MPa稳定气压，气压推动推杆2前进而推动料筒内部堵头5，从而对混合浆料形成压力，使内核浆料通过料筒3下方同轴针头8的内腔9被匀速挤出，外壳浆料通过料筒4下方导管7运送至同轴针头8的外腔10并匀速挤出。被挤出的混合浆料呈丝状，从横截面处观察到圆形内核与环形外壳以及明显两相界面，并且在挤出后由于浆料中粘结剂溶剂蒸发，使得聚合物包裹着金属粉末固化定型，在由切片软件程序控制的三维运动平台的带动下，混打印出的合浆料丝以15mm/s的速度堆叠形成三维结构，得到金属支架；

(6)、对支架进行热处理，包括：

1)、洗净空气并抽真空：将待烧结的金属支架放入真空烧结炉中，进行抽真空，达到3Pa以下的气压环境，并充入惰性气体(选用氩气)至室压状态再进行抽真空。以上步骤重复3次，以更有效的洗净炉内原有空气同时减少高温下氧气对金属支架的影响；

2)、粘结剂热解：将真空烧结炉以10℃/mi n的升温速率升温到300℃，并且在该温度下保1h，实现粘结剂完全热解；

3)、铁粉融合：将真空烧结炉以6℃/mi n的升温速率升温到1120℃温度，并且在该温度下保持3h，在保证羟基磷灰石不发生相变的情况下，使得支架内金属粉末颗粒之间的烧结融合；

4)、冷却：待金属支架充分烧结完毕后，通入惰性气体(氩气)使烧结炉内脱离真空状态，以加强对流换热与热传导，加速金属支架冷却。通入氩气冷却1小时后取出样品。

本实施例所述喷头的内核内径是0.26mm(25G)，外壳内径是0.84mm(18G)。

实施例2：

(1)、配置粘结剂，称量溶剂无水乙醇与聚合物聚乙烯吡咯烷酮的质量比为0.9：1，将聚合物和溶剂在具有防腐蚀功能的密封容器内于80-90℃干燥环境下溶解30分钟以制备成均匀性质的、可流动的、具有一定粘度的浆料粘结剂；

(2)、粉末处理，将铁粉末(D

(3)、配置外壳浆料，将铁粉末与羟基磷灰石按照质量比19:1称量好，并且按照浆料粘结剂与混合粉末质量比5:33放入球磨机中在密封条件下以600r/mi n的转速下球磨混合70分钟，得到混合均匀的混合浆料，均匀混合浆料成粘稠状，其中无片状晶体与颗粒；

(4)、配置内核浆料，将浆料粘结剂与铁粉末按照粉末质量比1:10放入球磨机中在密封条件下以500r/mi n的转速下球磨混合25分钟，得到混合均匀的混合浆料，均匀混合浆料成粘稠状；

(5)、打印浆料，将内核浆料放入料筒3，将外壳浆料放入料筒4，夹具6夹持后，将同轴针头8的内腔9连接至料筒3同时使用导管7将料筒4与同轴针头8的外腔10连接。装置连接完毕，通过供气装置1通入0.2-0.4MPa稳定气压，气压推动推杆2前进而推动料筒内部堵头5，从而对混合浆料形成压力，使内核浆料通过料筒3下方同轴针头8的内腔9被匀速挤出，外壳浆料通过料筒4下方导管7运送至同轴针头8的外腔10并匀速挤出。被挤出的混合浆料呈丝状，从横截面处观察到圆形内核与环形外壳以及明显两相界面，并且在挤出后由于浆料中粘结剂溶剂蒸发，使得聚合物包裹着金属粉末固化定型，在由切片软件程序控制的三维运动平台的带动下，混打印出的合浆料丝以12mm/s的速度堆叠形成三维结构，得到金属支架；

(6)、对支架进行热处理，包括：

1)、洗净空气并抽真空：将待烧结的金属支架放入真空烧结炉中，进行抽真空，达到3Pa以下的气压环境，并充入惰性气体(选用氩气)至室压状态再进行抽真空。以上步骤重复3次，以更有效的洗净炉内原有空气同时减少高温下氧气对金属支架的影响；

2)、粘结剂热解：将真空烧结炉以10℃/mi n的升温速率升温到300℃，并且在该温度下保1h，实现粘结剂完全热解；

3)、铁粉融合：将真空烧结炉以6℃/mi n的升温速率升温到1120℃温度，并且在该温度下保持3h，在保证羟基磷灰石不发生相变的情况下，使得支架内金属粉末颗粒之间的烧结融合；

4)、冷却：待金属支架充分烧结完毕后，通入惰性气体(氩气)使烧结炉内脱离真空状态，以加强对流换热与热传导，加速金属支架冷却。通入氩气冷却1小时后取出样品。

本实施例所述喷头的内核内径是0.26mm(25G)，外壳内径是0.84mm(18G)。

实施例3：

(1)、配置粘结剂，称量溶剂无水乙醇与聚合物聚乙烯吡咯烷酮的质量比为0.9：1，将聚合物和溶剂在具有防腐蚀功能的密封容器内于80-90℃干燥环境下溶解30分钟以制备成均匀性质的、可流动的、具有一定粘度的浆料粘结剂；

(2)、粉末处理，将铁粉末(D

(3)、配置外壳浆料，将铁粉末与羟基磷灰石按照质量比37：3称量好，并且按照浆料粘结剂与混合粉末质量比5:30放入球磨机中在密封条件下以600r/mi n的转速下球磨混合80分钟，得到混合均匀的混合浆料，均匀混合浆料成粘稠状，其中无片状晶体与颗粒；

(4)、配置内核浆料，将浆料粘结剂与铁粉末按照粉末质量比1:10放入球磨机中在密封条件下以500r/mi n的转速下球磨混合25分钟，得到混合均匀的混合浆料，均匀混合浆料成粘稠状；

(5)、打印浆料，将内核浆料放入料筒3，将外壳浆料放入料筒4，夹具6夹持后，将同轴针头8的内腔9连接至料筒3同时使用导管7将料筒4与同轴针头8的外腔10连接。装置连接完毕，通过供气装置1通入0.2-0.4MPa稳定气压，气压推动推杆2前进而推动料筒内部堵头5，从而对混合浆料形成压力，使内核浆料通过料筒3下方同轴针头8的内腔9被匀速挤出，外壳浆料通过料筒4下方导管7运送至同轴针头8的外腔10并匀速挤出。被挤出的混合浆料呈丝状，从横截面处观察到圆形内核与环形外壳以及明显两相界面，并且在挤出后由于浆料中粘结剂溶剂蒸发，使得聚合物包裹着金属粉末固化定型，在由切片软件程序控制的三维运动平台的带动下，混打印出的合浆料丝以10mm/s的速度堆叠形成三维结构，得到金属支架；

(6)、对支架进行热处理，包括：

1)、洗净空气并抽真空：将待烧结的金属支架放入真空烧结炉中，进行抽真空，达到3Pa以下的气压环境，并充入惰性气体(选用氩气)至室压状态再进行抽真空。以上步骤重复3次，以更有效的洗净炉内原有空气同时减少高温下氧气对金属支架的影响；

2)、粘结剂热解：将真空烧结炉以10℃/mi n的升温速率升温到300℃，并且在该温度下保1h，实现粘结剂完全热解；

3)、铁粉融合：将真空烧结炉以6℃/mi n的升温速率升温到1120℃温度，并且在该温度下保持3h，在保证羟基磷灰石不发生相变的情况下，使得支架内金属粉末颗粒之间的烧结融合；

4)、冷却：待金属支架充分烧结完毕后，通入惰性气体(氩气)使烧结炉内脱离真空状态，以加强对流换热与热传导，加速金属支架冷却。通入氩气冷却1小时后取出样品。

本实施例所述喷头的内核内径是0.26mm(25G)，外壳内径是0.84mm(18G)。

本发明所述喷头的内核内径是0.26mm(25G)，外壳内径是0.84mm(18G)。

如图2-3所示，打印机构包括内核料筒3和外核料筒4，内核料筒3和外核料筒4外均夹持夹具6，内核料筒3和外核料筒4内均设有推杆2，推杆2上一端固定设有堵头5，推杆2上连接有供气装置1，内核料筒3的底端连接有同轴针头8，外核料筒4的底端通过导管7与同轴针头8连接，如图4所示，同轴针头8内包括外腔10和内腔9。

如图4所示，为不同孔隙率(30％，50％和70％)含不同含量HA(0，2.5％，5％，7.5％)的金属人工骨支架在21天降解前后抗压强度变化表，对含有不同质量分数HA的样件进行了体外降解实验，并进行了随后的机械性能测试以及降解速率测试，测试结果表明HA含量的增加会大幅度的减弱样件的机械性能，但是可以提高降解速率。

如图5所示，为不同孔隙率(30％，50％和70％)含不同含量HA(0，2.5％，5％，7.5％)的金属人工骨支架在21天降解前后屈服强度变化表，由该表可证明内核Fe支架在降解过程中可以始终提供较高的机械性能，以保障人工骨的机械强度。

如下表所示，含有不同HA质量分数(0、2.5％、5％和7.5％)的50％孔隙率的样件在1天、3天、7天以及21天降解试验后的质量损失表

由该表可知随着HA含量的增加，人工骨的降解能力逐渐增强。

本发明采用的3D打印技术为浆料直写(Direct ink writing,DIW),一种挤出沉积成型的3D打印方式：将聚合物溶剂与所需金属粉末混合后，配置成均匀流动的浆料，并通过将浆料从定制打印针头中按照指定路线逐层挤出至基板的方式进行打印。在打印过程中，打印出的线条中的溶剂快速挥发而使得线条固化成型而使得整体样件定型。打印完毕后将样件进行高温热处理，使得样件中聚合物升华同时金属粉末间相互部分熔融而成为真正的金属样件。该技术可进行微小结构孔隙人工骨加工，且成本低廉，成型样件不存在内应力。浆料直写技术相比于现在主流的金属增材制造技术的优点在于加工成本较低；加工过程安全；整体性能有所保证等。此外，本发明在采用同轴针头进行浆料直写打印，同轴针头分为内外两腔并分别与不同浆料所联通。采用同轴针头所挤出的线条具备核壳结构，在合适的配置下可以合二者优势于一身。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。