一种复合人工骨氧化锆生物陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及采用复合氧化锆生物陶瓷的人工骨支架制备装置，所述制备装置至少包括螺杆挤压筒、三维打印喷头和中央处理模块，所述制备装置还包括用于与所述中央处理模块相接以辅助所述制备装置调控所述三维打印喷头的制件状态与制动状态的活动杆，其中，所述活动杆被配置为在所述中央处理模块接收到由制件状态转换为制动状态的指示信息而控制位于所述螺杆挤压筒内且包覆于陶瓷基体中的所述螺杆暂停送料运作时通过均设于其杆体上的至少一个区段之间的响应性差异将陶瓷浆料限制于所述三维打印喷头中。

A composite artificial bone zirconia Bioceramic and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种复合人工骨氧化锆生物陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及医用人工骨支架制备的
，尤其涉及一种复合人工骨氧化锆生物陶瓷及其制备方法。
技术介绍
在骨科领域，由于严重创伤、骨肿瘤、骨髓炎等多种原因所致的骨缺损十分常见。目前常用的骨修复材料包括自体骨和金属假体。自体骨增加了患者的创伤和痛苦；金属假体存在松动、断裂等问题。人工骨通常是指可以替代人体骨或者修复骨组织缺损的人工生物材料。当需替换关节或治疗骨断裂时，最理想的方式是通过组织再生功能实现骨的自身修复。然而在许多情形下，人体骨并不能实现自身修复，例如骨组织坏死，骨关节创伤，这时就需要人工骨的帮助。作为骨组织体外培养的重要载体，人工骨支架为种子细胞的黏附和增殖提供生存空间，为细胞获取营养和新陈代谢提供通道，在成骨阶段为组织提供必要的力学支撑。因此，支架的微观孔结构、力学性能、生物活性及降解速度都对骨组织的构建产生重要的影响。特别是支架的微观孔结构对种子细胞的成骨阶段起着决定性作用。支架的微观孔结构主要指孔径大小、孔隙率、孔间连通性、孔分布的均匀性、连通孔道的扭曲度和支架的比表面积。支架具有较高的孔隙率和比表面积，利于种子细胞黏附生长，细胞外基质沉积，营养和氧气进入，代谢产物排出，也有利于血管和神经长入。限制骨组织顺利长入孔洞内的“瓶颈”不是孔径大小，而是孔间连通的程度和孔间通道的大小。连通性是支架内部微观孔相互贯通情况的描述量。骨组织工程要求支架孔隙间必须相互连通，并具有一定的孔道断面尺寸。良好的孔道连通性有利于骨组织和血管组织的长入，便于营养物质的输送和细胞代谢产物的排泄，保证骨组织的传导作用。在骨支架的微观孔结构模型中，如果某一椭球体不与任何椭球体或边界相交，则在支架内部形成不通孔，该孔不具有任何仿生功能。如果某一椭球体只与另一椭球体或边界相交，则在支架内部形成单通孔。如果某一椭球体与两个以上的椭球体或边界相交，则在支架内部形成多通孔。单通孔对骨组织的传导作用很小，而且组织液在内部产生湍流，不利于营养物质的输送和代谢产物的排泄。多通孔对骨组织的传导作用较大，有利于营养物质的输送和代谢产物的排泄。因此，在保证人工骨的承载功能满足要求的前提下，人工骨需要制成多孔结构，具有一定的连通性，从而促进人工骨体内生物相容性，保证骨细胞和营养液物质在支架内的传输。复合人工骨是一种使用复合材料制成的人工骨，基本原理是：将具有骨传导能力的材料与具有骨诱导能力的物质如骨生长因子、骨髓组织等复合制备成复合人工骨，使它们既具有骨传导作用，又具有骨诱导作用。近年来复合人工骨的基础研究以及临床使用热点主要集中在以下几类：羟基磷灰石、珊瑚热转换羟基磷灰石、β-磷酸三钙、磷酸钙水泥和硫酸钙等，这些材料来源丰富、储存和使用方便、具有良好的生物相容性和避免传播疾病的优点，但是根据临床上不同疾病对植骨材料的性能要求不同，均存在一定的缺点和不足。例如：羟基磷灰石人工骨和磷酸钙水泥材料，虽然具有优良的生物相容性，但是由于材料的致密化结构和溶解度较低，使得二者在机体内的降解与新骨替代都无法实现。而多孔的β-磷酸三钙材料作为磷酸钙类生物降解性能最好的材料，虽能够实现新骨的长入或替代，但由于材料本身所具备的多孔结构，又使得这种材料的力学性能大大降低，同时还存在固化性能、塑型性以及可操作性能差的问题。因此，比较理想的复合人工骨材料应该具备的性能是：成骨活性与生物相容性优良，新骨长入速度与材料降解速度一致，并具有一定的力学强度和临床可操作性。氧化锆生物陶瓷由高纯二氧化锆构成的一种近于惰性的生物陶瓷，其是通过将含有少量稳定剂的高纯二氧化锆经过高温烧结而制得，高稳定剂例如为氧化钙、氧化镁或氧化钇。不仅具有良好的耐磨性、抗生理腐蚀性和生物相容性，而且其断裂韧性和强度均优于氧化铝陶瓷。主要用于人造骨、牙种植体等硬组织的修复和替换。虽然现有的磷酸钙生物陶瓷存在一旦孔隙率增高就难于满足人工骨对抗压强度和韧性的要求的缺陷，但在磷酸钙中加入生物陶瓷颗粒后形成生物陶瓷人工骨，生物陶瓷颗粒在具有适应的组织内生长所需的孔径结构的情况下，能够有效地促进新骨组织与细胞、营养供应与血管在孔隙内生长，能够增强人工骨支架的抗压强度和韧性并弥补上述缺陷。在生物陶瓷中，氧化锆具有极高的化学稳定性和热稳定性(Tm＝2953K)，在生理环境中呈现惰性，具有很好的生物相容性。纯氧化锆具有三种同素异型体：单斜氧化锆(m相)、四方氧化锆(t相)以及立方氧化锆(c相)，三种同素异型体存在于不同的温度范围，并在一定条件下可以发生晶型转化(相变)。氧化锆通常室温下仅以单斜相形式存在，但加入适量有利于稳定四方相的MgO、Y2O3、CaO、Sc2O3、La2O3及Mn2O3等氧化物与氧化锆之间形成固溶体，可以使得氧化锆的四方以及立方晶型在室温下仍保持稳定或亚稳态。通过应力诱导相变增韧使氧化锆陶瓷具有很高的力学性能。在承受外力作用时，其四方氧化锆/t相向单斜氧化锆/m相转化的过程需吸收较高的能量，使裂纹尖端应力松弛，增加裂纹扩散阻力而增韧，因而具有非常高的断裂韧性。部分稳定的氧化锆和氧化铝一样，生物相容性良好，在人体内稳定性高，且比氧化铝断裂韧性、耐磨性更高，有利减少植入物尺寸和实现低摩擦、磨损，用以制造牙根、骨、股关节、复合陶瓷人工骨、瓣膜等。虽然氧化锆陶瓷具有优秀的力学性能和稳定的化学性能，但其作为生物惰性材料却不能与骨组织形成化学结合，植入体内后与人体骨结合不牢固，限制了其单独在人体负重部位的使用，影响植入体的可靠性和长期疗效。反观羟基磷灰石、磷酸钙陶瓷以及生物活性玻璃和生物活性微晶玻璃，生物亲和性高而能够与人体骨之间结合，但其受限于自身较低的强度、较大的脆性以及较差的抗疲劳性能，限制了其本身替代人骨的可能性。对目前存在的上述问题，现有技术中往往通过加入生物活性成分或表面改性的方法，使得氧化锆陶瓷上同人骨相交的界面部分具有一定的生物活性，要求其能够达到赋予氧化锆陶瓷生物活性的同时不会对其力学性能产生明显的影响，并且生物活性表面层的接合强度以及长期稳定性要能够满足人工骨的临床应用的要求。其中人工骨支架的制造尤为重要，结合近年来迅速发展的熔融沉积快速成型技术，可以大大降低人工骨支架的制造难度。熔融沉积成型，(Fuseddepositionmodeling，FDM)，是一种将各种热熔性的丝状材料例如蜡、ABS和尼龙等等加热熔化成形的方法，是3D打印技术的一种。其又可被称为FFM熔丝成型(FusedFilamentModeling)或FFF熔丝制造(FusedFilamentFabrication)，其后两个不同名词主要只是为了避开前者FDM专利问题，然而核心技术原理与应用其实均是相同的。热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型的部分温度稍低于固化温度。热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体零件。具体地，先用CAD软件建构出物体的3D立体模型图，将物体模型图输入到FDM的装置。FDM装置的喷嘴就会根据模型图，一层一层移动，同时FDM装置的加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.采用复合氧化锆生物陶瓷的人工骨支架制备装置，所述制备装置至少包括螺杆挤压筒(1)、三维打印喷头(2)和中央处理模块(3)，/n所述螺杆挤压筒(1)，被配置为通过其内部设置的螺杆(10)对输入其筒体内的陶瓷基体进行压缩并将其输出至筒外，/n所述三维打印喷头(2)，被配置为接收由所述螺杆挤压筒(1)输入的陶瓷浆料并在形成于所述螺杆挤压筒(1)内部的流场压力下从其喷嘴部位(11)释放所述陶瓷浆料，/n其特征是，/n所述制备装置还包括用于与所述中央处理模块(3)相接以辅助所述制备装置调控所述三维打印喷头(2)的制件状态与制动状态的活动杆(4)，/n其中，/n所述活动杆(4)被配置为在所述中央处理模块(3)接收到由制件状态转换为制动状态的指示信息而控制位于所述螺杆挤压筒(1)内且包覆于陶瓷基体中的所述螺杆(10)暂停送料运作时通过均设于其杆体上的至少一个区段之间的响应性差异将陶瓷浆料限制于所述三维打印喷头(2)中。/n

【技术特征摘要】
1.采用复合氧化锆生物陶瓷的人工骨支架制备装置，所述制备装置至少包括螺杆挤压筒(1)、三维打印喷头(2)和中央处理模块(3)，
所述螺杆挤压筒(1)，被配置为通过其内部设置的螺杆(10)对输入其筒体内的陶瓷基体进行压缩并将其输出至筒外，
所述三维打印喷头(2)，被配置为接收由所述螺杆挤压筒(1)输入的陶瓷浆料并在形成于所述螺杆挤压筒(1)内部的流场压力下从其喷嘴部位(11)释放所述陶瓷浆料，
其特征是，
所述制备装置还包括用于与所述中央处理模块(3)相接以辅助所述制备装置调控所述三维打印喷头(2)的制件状态与制动状态的活动杆(4)，
其中，
所述活动杆(4)被配置为在所述中央处理模块(3)接收到由制件状态转换为制动状态的指示信息而控制位于所述螺杆挤压筒(1)内且包覆于陶瓷基体中的所述螺杆(10)暂停送料运作时通过均设于其杆体上的至少一个区段之间的响应性差异将陶瓷浆料限制于所述三维打印喷头(2)中。


2.根据权利要求1所述的人工骨支架制备装置，其特征是，所述三维打印喷头(2)上具有位于所述喷嘴部位(11)两端的且分别与所述活动杆(4)上的至少一个区段相对应的至少一个开放端，其中，
所述活动杆(4)的第一区段(8)与所述活动杆(4)的第二区段(9)可以基于彼此之间在所述陶瓷浆料的粘弹性下所形成的响应性差异构成位于所述喷嘴部位(11)的两个开放端之间的流体压力腔(7)，
所述第一区段(8)与所述第二区段(9)能够以解除所述流体压力腔(7)的方式优先释放位于所述三维打印喷头(2)上靠近所述螺杆挤压筒(1)的开放端的两侧的陶瓷浆料的连通受限状态。


3.根据前述权利要求之一所述的人工骨支架制备装置，其特征是，所述喷嘴部位(11)的两端分别为相对靠近所述螺杆挤压筒(1)的第一开放端(5)以及相对远离所述螺杆挤压筒(1)的第二开放端(6)，其中，
在所述中央处理模块(3)接收到由制件状态转换为制动状态的指示信息而控制位于所述螺杆挤压筒(1)内且包覆于陶瓷基体中的所述螺杆(10)暂停送料运作时，所述活动杆(4)基于其与所述螺杆(10)之间的配合使用关系朝向靠近所述三维打印喷头(2)的方向移动，以使得所述第一区段(8)与所述第二区段(9)可以基于彼此之间在所述陶瓷浆料的粘弹性下所形成的响应性差异使位于所述喷嘴部位(11)内的陶瓷浆料可以在所述螺杆挤压筒(1)内部沿所述第二开放端(6)朝向所述第一开放端(5)被迫流动而被受限于所述三维打印喷头(2)中。


4.根据前述权利要求之一所述的人工骨支架制备装置，其特征是，在所述中央处理模块(3)接收到由制动状态转换为制件状态的指示信息而控制位于所述螺杆挤压筒(1)内且包覆于陶瓷基体中的所述螺杆(10)进行送料运作时，由所述螺杆挤压筒(1)输入所述三维打印喷头(2)的陶瓷浆料在所述螺杆挤压筒(1)内部以其依次经过所述第一开放端(5)与所述第二开放端(6)的方式从所述喷嘴部位(11)被释放至所述三维打印喷头(2)外部。


5.根据前述权利要求之一所述的人工骨支架制备装置，其特征是，所述活动杆(4)的第一区段(8)以其能够相对所述活动杆(4)杆体沿其杆体长度方向弹性地移动的方式设于所述活动杆(4)的杆体上，其中，
所述第一区段(8)与所述第二区段(9)之间在所述活动杆(4)杆体上的相对位置关系被配置为在所述螺杆(10)暂停送料运作而所述活动杆(4)基于其与所述螺杆(10)之间的配合使用关系与所述三维打印喷头(2)相接合时所述第一区段(8)与所述第一开放端(5)所在位置相对应且所述第二区段(9)与所述第二开放端(6)所在位置相对应，和/或在所述螺杆(10)进行送料运作而所述活动杆(4)基于其与所述螺杆(10)之间的配合使用关系与所述三维打印喷头(2)脱离接合关系时所述第一区段(8...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令兵，张天舒，刘银，
申请(专利权)人：南京赛诺特斯材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32