一種復合生物活性材料微區雕刻(3d)仿生人工骨的方法
【專利摘要】本發明提供了一種復合生物活性材料微區雕刻(3D)仿生人工骨的方法，通過選擇骨科硬質生物材料與活性細胞組織生長支架材料，通過仿生學配比，采用電腦三維設計進行3DMAX制作和3D打印的方法實現人工骨材料及結構的仿生，建立人工骨微循環結構及血液灌注的條件，建立成骨干細胞生長環境，即微血管床及生物活性支架。該方法制作的帶微血管床及生物活性支架不僅建立了硬質材料(移植骨)與宿主骨的主動應答，解決了當前各種生物材料包括同種異體骨的人工骨材料與宿主骨主動融合問題，而且提高了骨移植的臨床適應癥范圍，并可免除人工關節再置換和可拓寬人工骨及人工關節的應用空間。
【專利說明】—種復合生物活性材料微區雕刻(3D)仿生人工骨的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及生物組織工程再生修復醫學【技術領域】，具體地，涉及一種復合生物活性材料微區雕刻(3D)仿生人工骨的方法，第三代修復骨缺損生物硬質材料的方法。
【背景技術】
[0002]一、骨移植產品
[0003]傳統硬組織(骨骼、牙齒等)修復材料，如:人工骨替代材料、人工關節假體、種植牙等，由于在組成及結構上與人體骨組織存在較大差異，植入體內后的骨組織修復過程基本上是一種被動的“充填”過程，且材料的降解速度與新骨形成速度不匹配，被移植受體宿主骨與移植材料應答出現時間斷層，難 以達到真正的“生物性融合”，出現移植后不愈合、或松動(不穩定)，嚴重制約了生物替代材料在骨科臨床的推廣應用。
[0004]移植材料與宿主骨生物相容性不好表現在:骨結合界面可形成纖維層包裹、界面結合強度低、血液供應不足，宿主細胞難以生長，導致應力遮擋、植入體松動并脫落、植入物失效等問題。
[0005]二、硬組織材料骨科修復移植術的代表手術:帶肌肉血管蒂腓骨移植
[0006]臨床植骨:由于各種原因造成的骨缺損、壞死等病變，臨床通常采用異體骨(各種材料)或自體骨進行移植，修復骨缺損；由于骨骼自身的特性，重建的骨骼部分難以獲得血液供應，或嚴重不足，從而使得骨移植在體積、長度方面受到很大限制，目前一般采用帶血管蒂移植，被移植自體骨的微循環無法建立；而異體骨或生物材料替代骨則無法解決血液供應問題，阻礙了骨缺損修復。
[0007]近年來對硬質生物材料的生物相容性研究非常多，并取得了突飛猛進的發展。但對于硬質生物材料生物相容性的物理空間、結構設計少有研究。毋庸置疑的硬質生物材料的生物相容性的融合空間不能建立，大大降低了硬質材料的生物相容性。
【發明內容】
[0008]為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種復合生物活性材料微區雕刻(3D)仿生人工骨的方法。該方法不僅建立了硬質材料(移植骨)與宿主骨的主動應答，解決了當前各種生物材料包括同種異體骨的人工骨材料與宿主骨主動融合問題，而且提高了骨移植的臨床適應癥范圍，并可免除人工關節再置換和可拓寬人工骨及人工關節的應用空間。
[0009]本發明的技術方案如下:一種復合生物活性材料微區雕刻(3D)仿生人工骨的方法，包括如下步驟:
[0010]一、微區圖案制作:采用電腦三維設計進行3DMAX制作
[0011](I)設計毛細血管血管床:在硬質生物材料溶膠-凝膠法生物活性玻璃納米粉體自成孔之間做管狀連通，管徑〈Φ 100微米Llmm，管隙率20-30 %，形成毛細血管床及其血管床之間的交通連接；
[0012](2)設計活性生物支架:模擬人體骨骼骨小梁三維結構(孔)，忽略生物玻璃自成孔，制作0 300-500微米，孔隙率30 %細胞生長支架，與毛細血管床自然連接，形成自體細胞生長生物支架供氧體系；所述人體骨骼骨小梁三維結構(孔)呈不規則邊界；
[0013](3)仿生骨小梁之間以100微米孔徑規則、不規則聯通；
[0014](4)表面開窗:血管床制作到達人工骨邊緣，制作三維開口 ；
[0015](5)外形設計:根據易發生骨外傷的骨骼、部位，設計不同規格、形態的高精仿生人體骨骼；
[0016]二、微區雕刻:3D打印毛細血管床及自體細胞生長的生物活性支架
[0017](I)硬質生物材料:取溶膠-凝膠法生物活性玻璃納米(NBG)粉體；
[0018](2)自體細胞生長生物活性支架材料:取仿細胞膜材料磷酰膽堿類聚合物和甲殼素；
[0019](3)配比:按溶膠-凝膠法生物活性玻璃納米(NBG)粉體與磷酰膽堿類聚合物和甲殼素質量比8:1:1或7:1.5:1.5混合，得混合物；
[0020](4)配置專用生物活性膠水:取生物膠氰基丙烯酸酯類膠粘劑，添加納米甲殼素，納米磷酰膽堿共聚物，配置專用生物活性膠水，氰基丙烯酸酯類膠粘劑:甲殼素:納米磷酰膽堿共聚物的質量比為8:1:1;
[0021](5)逐層打印
[0022]先打印一層步驟(3)所得混合物，打印厚度10微米，均勻噴涂；再在其上打印一層步驟(4)所得生物活性膠水，得到膠水層；
[0023]在膠水層做三維結構:1)采用3D打印技術，用步驟(4)所得生物活性膠水在膠水層上畫出電腦三維設計的3DMAX制作結構；2)采用3D打印技術，在步驟(4)所得生物活性膠水畫出結構上涂一層步驟(3)所得混合物；3)循環I)和2)操作動作至達到設計要求；
[0024](6)粉塵吹除(吸除):完成三維結構后，吹除或吸除未浸膠水的步驟(3)所得混合物的粉末，即得毛細血管床和自體細胞生長的生物活性支架。
[0025]步驟(6)粉塵吹除(吸除)通過如下裝置進行:(I)對3D打印機加密封罩；2)設置小氣泵，并將小氣泵通過管路連接3D打印機材料噴涂部位；3)打印完成三維結構后啟動氣泵將未粘附粉末吹出操作面。
[0026]在膠水層做三維結構的方法，將模擬人體硬質骨內質結構骨小梁3D電腦繪畫圖形，在膠水噴涂層用膠水畫出，在粉末噴涂層粉末與膠水粘附，膠水噴涂出不同的點、線，粉末隨之覆蓋，即可完成預定的圖形雕刻一一即微區雕刻微圖形。
[0027]涂膠后吹除或吸除未浸膠水粉末，避免產品成型后粉末脫落阻塞或填塞功能孔，同時防止納米級粉塵污染環境。
[0028]采用本發明所述3D打印帶微血管床及生物活性支架的方法具有以下優點:
[0029](1)通過選擇骨科硬質生物材料與活性細胞組織生長支架材料，通過仿生學配比，采用電腦三維設計進行3DMAX制作和3D打印的方法實現人工骨材料及結構的仿生。
[0030](2)采用該方法制造人工關節或其他移植骨，可使其與宿主骨(自體骨)融為一體，強度好，可以避免人工關節再置換，重建移植骨生物活性細胞組織生長環境，降低了脊柱融合失敗、假關節發生率，變被動充填未主動應答(融合)。
[0031](3)建立移植骨的血液供應系統。
[0032](4)采用3D打印將細胞組織生長環境移植到硬質生物材料上一生物活性支架。[0033](5)生物相容性建立在硬質材料化學鍵及膜性材料的生物支架相結合，使移植骨材料具備了化學與分子生物學多層生物相容性。
[0034](6)移植材料與宿主骨組織通過化學鍵形成組織結合，骨組織修復以“爬行替代”通過骨傳導作用(Qstecondution)實現與宿主骨組織的融合。建立了移植材料與宿主組織(自體骨及周圍組織)主動應答，即建立了移植材料與宿主骨多維融合的環境，可使移植材料與宿主組織穩定融合，并隨之生長代謝，融為一體，穩定不松動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1為逐層打印所得產品結構示意圖及其局部放大圖。
[0036]圖2為毛細血管床結構示意圖，其中I為3D打印交通孔，2為硬質生物材料自成孔。
【具體實施方式】
[0037]一、設計理念
[0038]仿生骨骼:通過硬質生物材料與活性細胞組織生長支架材料仿生配比，采用現代加工技術，制作完全模擬人體骨骼的化學、分子生物學、力學及解剖學骨骼臨床產品。
[0039]梯度材料構建技術:材料優勢相加，目前市場上應用的硬質生物材料各具其生物相容化學、分子生物學及結構學優勢，而很難一應俱全。采用材料優勢相加，使材料自身具有更多化學、分子生物學及結構學優勢。
[0040]微區圖案及微細雕刻:對硬質材料進行仿生模擬結構設計，通過微雕實現結構學生物活性。
[0041]實現為具有優良生物相容性的硬質材料建立生物相容性的物理空間，在不改變硬質材料的力學強度基礎上，從結構上為生物相容性建立空間，即血液循環的建立，細胞組織生長空間，以及組織細胞生長環境的血液灌注、交換是本發明的重點。
[0042]二、具體方案
[0043]所述復合生物活性材料微區雕刻(3D)仿生人工骨的方法的工藝流程圖如圖1所示 ο
[0044]1.材料選擇
[0045](I)硬質生物材料:
[0046]溶膠-凝膠法生物活性玻璃納米(Sol-gelderived bioactive glasses, SGBGNBG)粉體；
[0047]羥基磷酸鈣(Ca5(P04) 3 (OH))，化學組分為:60% SiO, 36% CaO, 4% P205 (moI % )；所用原料:去離子水；鹽酸(HCl)(分析純);正硅酸乙酯(Si (0C2H5)4)(分析純);磷酸氫二氨((NH4) 2HP04)(化學純);四水硝酸鈣(Ca(N03)2.4H20)(分析純);無水乙醇(分析純);聚乙二醇(PEG.10000)(分析純)，孔徑分布在幾納米到幾十納米。
[0048]或粉狀羥基磷灰石(HAP)、磷酸三鈣(TCP)。
[0049](2)生物活性支架材料:
[0050]甲殼素；
[0051]磷酰膽堿共聚物；[0052]I)制備磷酰膽堿共聚物所用原料如下:
[0053]甲基丙烯酸丁酯(BMA)，化學純，上海凌峰化學試劑有限公司，減壓蒸餾提純:
[0054]甲基丙烯酸異辛酯(EHMA)，化學純，常州馳源化工有限公司，經減壓蒸餾提純；
[0055]偶氮二異丁 J]~(AIBN)，分析純，上海菲達工貿有限公司，經無水乙醇3次重結晶提純；牛血清白蛋白BsA,生化試劑，Roche,直接使用 ；
[0056]25戊二醛水溶液，生化試劑，上海凌峰化學試劑有限公司，直接使用；
[0057]無水乙醇、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉及抗凝劑檸檬酸鈉均為分析純，上海凌峰化學試劑有限公司，直接使用。
[0058]2)磷酰膽堿共聚物制備方法見《磷酰膽堿共聚物的合成及膜的生物相容性》李琳，辛忠，王俊華(華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室，上海200237)。
[0059]3)粘合劑:
[0060]氰基丙烯酸酯類膠粘劑，其特性為單組分、液態、無溶劑型膠粘劑。
[0061]2、微區圖案技術:采用電腦三維設計進行3DMAX制作
[0062](I)設計毛細血管血管床，設計要點:在硬質材料自成孔之間做管狀連通，管徑〈Φ 100微米Llmm，可容納毛細血管血竇生長；管隙率10-20% ；
[0063](2)生物活性支架設計:模擬人體骨骼骨小梁三維結構(孔)，忽略生物玻璃自成孔，制作Φ 300-500微米，孔隙率30 %細胞生長支架，與毛細血管床自然連接，形成自體細胞生長生物支架供氧體和細胞生長支架系；所述人體骨骼骨小梁三維結構(孔)呈不規則邊界;如圖2所示；
[0064](3)仿生骨小梁之間以100微米孔徑規則、不規則聯通；
[0065](4)表面開窗:血管床制作自然到達人工骨邊緣，制作三維開口，移植后可使受體自體血液早期進入移植骨；
[0066](5)外形設計:根據易發生骨外傷的骨骼、部位，設計不同規格、形態的高精仿的人體骨骼。
[0067]3,3D打印功能結構技術——微區雕刻
[0068](I)硬質生物材料:取溶膠-凝膠法生物活性玻璃納米(NBG)粉體；
[0069](2)支架材料:取仿細胞膜材磷酰膽堿類聚合物和甲殼素；
[0070](3)配比:按溶膠-凝膠法生物活性玻璃納米(NBG)粉體與磷酰膽堿類聚合物和甲殼素質量比8:1:1或7:1.5:1.5混合，得混合物；
[0071](4)配置專用生物活性膠水:取氰基丙烯酸酯類膠粘劑的特性，添加納米甲殼素，納米磷酰膽堿共聚物，配置專用生物活性膠水，替代3D打印機膠水，打印時不改變膠水出口口徑及速度，保持微量、均勻；
[0072](5)逐層打印
[0073]先打印一層步驟(3)所得混合物，打印厚度10微米，均勻噴涂；再在其上打印一層步驟(4)所得生物活性膠水，得到膠水層；
[0074]在膠水層做三維結構:1)采用3D打印技術，用步驟(4)所得生物活性膠水在膠水層上畫出電腦三維設計的3DMAX制作結構；2)采用3D打印技術，在步驟(4)所得生物活性膠水畫出結構上涂一層步驟(3)所得混合物；3)循環I)和2)操作動作至達到設計要求；如圖1所示。[0075](6)粉塵吹除(吸除):完成三維結構后，吹除或吸除未浸膠水的步驟⑶所得混合物的粉末，即得毛細血管床和自體細胞生長的生物活性支架。涂膠后吹除或吸除未浸膠水粉末，避免產品成型后粉末脫落阻塞或填塞功能孔，同時防止納米級粉塵污染環境。
[0076]步驟(6)粉塵吹除(吸除)通過如下裝置進行:(I)對3D打印機加密封罩；2)設置小氣泵，并將小氣泵通過管路連接3D打印機材料噴涂部位；3)打印完成三維結構后啟動氣泵將未粘附粉末吹出操作面。
[0077]總結:本發明通過上述流程一次性解決了人工骨材料化學、分子生物學及結構功能學、結構力學的諸多問題，建立了硬質人工骨材料實現自由配比，結構隨功能而變化的一體化構建技術的全新模式，實現移植骨輕松仿生。
[0078]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，其架構形式能夠靈活多變，可以派生系列產品。只是做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于 本發明由所提交的權利要求書確定的專利保護范圍。
【權利要求】
1.一種復合生物活性材料微區雕刻(3D)仿生人工骨的方法，其特征在于，包括如下步驟: 一、微區圖案制作:采用電腦三維設計進行3DMAX制作 (1)設計毛細血管床:在硬質生物材料溶膠-凝膠法生物活性玻璃納米粉體自成孔之間做管狀連通，管徑〈小100微米Llmm，管隙率10-20%，形成毛細血管床及其血管床之間的交通連接； (2)設計活性生物支架:模擬人體骨骼骨小梁三維結構(孔)，制作0300-500微米，孔隙率30%細胞生長支架，與毛細血管床自然連接，形成自體細胞生長生物支架供氧體系；所述人體骨骼骨小梁三維結構(孔)呈不規則邊界； (3)仿生骨小梁之間以100微米孔徑規則、不規則聯通； (4)表面開窗:血管床制作自然到達人工骨邊緣，制作三維開口； (5)外形設計:根據易發生骨外傷的骨骼部位，設計不同規格、形態的高精仿生人體骨骼； 二、微區雕刻:3D打印毛細血管床及自體細胞生長的生物活性支架 (1)硬質生物材料:取溶膠-凝膠法生物活性玻璃納米(NBG)粉體； (2)自體細胞生長生物活性支架材料:取仿細胞膜材料磷酰膽堿類聚合物和甲殼素； (3)配比:按溶膠-凝膠法生物活性玻璃納米(NBG)粉體與磷酰膽堿類聚合物和甲殼素質量比8:1:1或7:1.5:1.5混合，得混合物； (4)配置專用生物活性膠水:取生物膠氰基丙烯酸酯類膠粘劑，添加納米甲殼素，納米磷酰膽堿共聚物，配置專用生物活性膠水，氰基丙烯酸酯類膠粘劑:甲殼素:納米磷酰膽堿共聚物的質量比為8:1:1; (5)逐層打印 先打印一層步驟(3)所得混合物，打印厚度10微米，均勻噴涂；再在其上打印一層步驟(4)所得生物活性膠水，得到膠水層； 在膠水層做三維結構:1)采用3D打印技術，用步驟(4)所得生物活性膠水在膠水層上畫出電腦三維設計的3DMAX制作結構；2)采用3D打印技術，在步驟(4)所得生物活性膠水畫出結構上涂一層步驟(3)所得混合物；3)循環I)和2)操作動作至達到設計要求； (6)粉塵吹除(吸除):完成三維結構后，吹除或吸除未浸膠水的步驟(3)所得混合物的粉末，即得毛細血管床和自體細胞生長的生物活性支架。
2.如權利要求1所述的一種復合生物活性材料微區雕刻(3D)仿生人工骨的方法，其特征在于，步驟(6)粉塵吹除(吸除)通過如下裝置進行:(I)對3D打印機加密封罩；2)設置小氣泵，并將小氣泵通過管路連接3D打印機材料噴涂部位；3)打印完成三維結構后啟動氣泵將未粘附粉末吹出操作面。
3.如權利要求1所述的一種復合生物活性材料微區雕刻(3D)仿生人工骨的方法，其特征在于，在膠水層做三維結構的方法，將模擬人體硬質骨內質結構骨小梁3D電腦繪畫圖形，在膠水噴涂層用膠水畫出，在粉末噴涂層粉末與膠水粘附，膠水噴涂出不同的點、線，粉末隨之覆蓋，即可完成預定的圖形雕刻——即微區雕刻微圖形。
【文檔編號】A61L27/10GK103520771SQ201310502875
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年10月23日
【發明者】李薔, 康倩, 曲廷瑜, 安躍輝 申請人:北京紀元聯合生物技術有限公司