一种可定制再生多孔纳米材料3D打印股骨头的制备方法技术

一种可定制再生多孔纳米材料3D打印股骨头的制备方法。用CT扫描得到股骨头图像数据,根据CT图像数据建立适合移植关节的三维模型,以金属纳米复合材料和β磷酸三钙

【技术实现步骤摘要】
一种可定制再生多孔纳米材料3D打印股骨头的制备方法


[0001]本专利技术设计一种医用移植假体，尤其涉及一种定制可再生的多元多孔多层纳米复合物3D打印髋关节股骨头。

技术介绍

[0002]髋关节是维持人体日常活动的重要关节之一，同时也较容易损伤从而引发疾病，目前髋关节置换术是治疗髋关节疾病的有效手段，近年来，随着3D打印技术的发展，学者们对人工髋关节假体的优化设计方面产生了极大的兴趣，很多专家和学者都为人工髋关节的发展都做出了卓越的贡献，并取得了显著成就，人工髋关节假体要求具有良好的生物相容性、灵活性、承载能力、稳定性及较小的摩擦磨损。随着材料科学和生物力学的不断进步，人工髋关节假体在材料、结构形状、固定方式、优化设计等方面的研究都有了很大的突破。
[0003]临床上髋关节置换术存在的问题可分为三个方面，包括患者自身身体状况、医生在手术过程中的操作技术和人工髋关节假体，影响人工髋关节假体的长期稳定性和使用寿命的两个主要因素是骨吸收和无菌性松动，研究发现手术后会伴有疼痛现象，究其主要原因主要是假体植入人体后产生了应力集中和应力遮挡。
[0004]本专利技术打印出的髋关节股骨头与传统方法相比，采用体心立方体型结构打印，优化了力学性能、抗疲劳性能及稳定性，淫羊藿素作为成骨诱导活性物质已被广泛负载于骨科支架材料中，聚酰胺6拥有优良的韧性和耐摩擦性能及生物相容性，他们的加入提高了载药能力和缓释性能，能够刺激骨髓间充质干细胞参与假体周围的骨修复，实现髋关节股骨头的再生，避免二次手术的风险。与本专利技术相关的还有如下文献：1.刘路坦.3D打印多孔钛金属植入物不同孔隙率对骨长入影响的实验研究[J].蚌埠医学院学报.2019.09:1153
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1157.主要描述了通过观察不同孔隙率的3D打印多孔钛金属植入物在兔体内实验中的骨长入情况，评价多孔钛金属植入物不同的孔隙率对骨长入效果的影响。
[0005]2. 李姝博.3D打印髋关节假体多孔结构力学性能的数值仿真和实验研究[D].吉林大学.2020,06.主要描述了设置了4种不同的单元体结构并建立几何模型和有限元模型，模拟压缩实验进行有限元仿真分析，探究不同多孔结构力学性能的差异。
[0006]3. 刘锌，杜―斌.多孔β磷酸三钙
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聚吡咯
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生物素
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淫羊藿素微球复合支架促进骨髓间充质干细胞的募集[J]. 中国组织工程研究.2020.(34): 5532
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5537.主要描述了多孔β磷酸三钙
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聚吡咯
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生物素复合支架较传统缓释支架进一步提高了载药能力及缓释性能，并具有良好的力学强度，同时可能具有更好的募集骨髓间充质干细胞参与支架周围骨修复的作用。
[0007]4. 刘均环.钛合金表面激光熔覆制备含硼CaP生物陶瓷涂层[D].南华大学.2019.05主要描述了采用激光熔覆方法制备出不同含硼量的 CaP生物陶瓷涂层，研究了
CaB6含量对熔覆层耐腐蚀性和生物活性的影响。
[0008]5.胡雅菲.银/羟基磷灰石/聚酰胺6复合材料的制备及性能研究[D].太原理工大学.2018.06主要描述了用不同的络合剂通过溶液共混法制备了不同含量的Ag/HA/PA6复合材料，并对其结构、结晶性能、力学性能、摩擦性能等进行了分析研究。
[0009]6. Oshkour A A,Osman N A A,Davoodi M M,et al.Finite element analysis on longitudinal and radial functionally graded femoral prosthesis[J].International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering,2013,29(12): 1412
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1427.主要描述了不同几何参数对梯度股骨柄的影响，并且对梯度股骨柄进行了有限元分析，结果表明增加梯度指数会增加假体内的应变能，减小应力遮挡现象。
[0010]7. Jett
éꢀ
B,Brailovski V,Dumas M,et al. Femoral stem incorporating a diamond cubic lattice structure:Design,manufacture and testing[J].Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials,2018,77:58
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72.主要讲述了采用有限元和实验相结合的方法对多孔髋关节假体进行研究，结果表明多孔型髋关节假体能够促进骨组织长入，并降低应力遮挡。
[0011]8. Lim mahakhun S,O1oyede A,Chantarapanich N,et al.Altemative desgns of load
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sharing cobalt chromium graded femoral stems[J],Materials Today Communications,2017,12:1
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10.主要讲述了一种中间部位为梯度孔隙结构的髋关节假体，并对其力学性能和应力传递性能进行了有限元计算和三点弯曲实验研究。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的是提供一种可定制再生多孔纳米材料3D打印股骨头的制备方法，通过该方法解决了人造骨骼成分利用率低、股骨头的强度、韧性及耐磨性不足的问题，多层结构所用的材料能够刺激骨细胞的修复与生长，使产品能满足人体骨骼亲和性的同时减少植入物的应力集中和应力遮挡，采用3D方法定制打印出来的产品更加符合人体的骨骼特性，其多孔结构的存在既保证了力学性能的同时也能实现骨骼的二次生长。
[0013]本专利技术是通过以下技术方案来实施：用CT扫描人体两侧髋关节图像数据，根据CT图像通过镜像建立符合破损处髋关节股骨头的三维模型，以金属纳米混合物粉末材料混合银
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羟基磷灰石
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聚酰胺6作为3D打印的材料1，β磷酸三钙
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聚吡咯
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生物素复合材料作为3D打印的材料2，用材料1、2以体心立方体型多孔结构分别进行分层打印股骨头基体，然后在基体上载以淫羊藿素
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生物素
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聚乳酸微球，最后在打印体表面覆以生物陶瓷涂层并抛光，其具体方案如下：1.骨骼建模通过CT扫描设备对髋关节及髋关节股骨头破损处进行三维扫描获取图像数据，根据破损的髋关节股骨头，利用三维软件重新设计出可以移植股骨头的尺寸及形态。
[0014]2.金属纳米混合物粉末材料的制备取Ti粉末（纯度为99.9％），Mg颗粒（纯度为99.8％），Si颗粒（纯度99.8％）、Ca颗
粒、Mo粉按摩尔量比为（30
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50）：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可定制再生多孔纳米材料3D打印股骨头的制备方法，其特征在于：用CT扫描得到股骨头图像数据,根据CT图像数据建立适合移植关节的三维模型,以金属纳米复合材料和β磷酸三钙
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聚吡咯
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生物素复合材料分别作为股骨头基体材料，再加入淫羊藿素
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生物素
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聚乳酸微球进行载球处理，以体心立方体型多孔结构逐层打印股骨头，并在表面覆以生物陶瓷材料，通过该方法制得的股骨头具有优异的载药能力、缓释性能、稳定性及力学性能，并具有良好的骨再生诱导修复作用，所述股骨头制备的具体工艺步骤为：（a）骨骼建模:通过CT扫描设备对髋关节及髋关节破损处进行三维扫描获取图像数据，根据破损的髋关节股骨头，利用三维软件重新设计出可以移植髋关节股骨头的尺寸及形态；（b）金属纳米复合材料的制备：取Ti粉末（纯度为99.9％），Mg颗粒（纯度为99.8％），Si颗粒（纯度99.8％）、Ca颗粒、Mo粉按摩尔量比为（30
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50）：（15
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25）：（30
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40）：（10
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20）：（0.1
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0.3）混合均匀后放入球磨机进行处理，使其获得80
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100nm晶粒尺寸超细复合粉；（c）β磷酸三钙
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聚吡咯
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生物素复合材料的制备：将去离子水、聚丙烯酸钠、β磷酸三钙、羟甲基丙烯、纤维素按质量分数比为（1
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1.2）：（0.8
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1）：（2
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5）：（1
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1.5）：（1.2
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1.6）混合装入密闭容器中，加入等体积的0.1mol/L的吡咯和0.2mol/L聚合氯化铁混合搅拌35min，分离聚合物，用去离子水清洗，最后对成品进行干燥并放入球磨机处理得到晶粒尺寸在80
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100nm的β磷酸三钙
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聚吡咯
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生物素复合材料；（d）将等量的生物素、淫羊藿素、1
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羟基苯并三唑和4
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二甲氨基吡啶置于聚氨基酸溶液中，室温搅拌，冷却至0℃，进行脱水处理并将温度升至24
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26℃下进行充分反应，用去离子水洗涤，复将合物悬浮于无水乙醇中，进行加热过滤，再用热无水乙醇洗涤2次，干燥后获得淫羊藿素
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生物素复合物；乳酸
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羟基乙酸共聚物、聚氨基酸、蒸馏水、淫羊藿素
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生物素复合物按质量分数为（24.6
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25.3）：（24.8
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25.4）：（1.8
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2.6）：（4.8
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5.3）混合，超声15 min，变幅杆振动频率40
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100kHz，振幅30
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100μm，将10g/L聚乙烯醇溶液缓慢滴入上述混合溶液进行乳化操作，超声15 min后得到淫羊藿素
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生物素/聚乳酸
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羟基乙酸共聚物复乳，最后高速12000r/min离心20min，过滤，磷酸缓冲盐溶液清洗2次，将所得混悬液离心取出沉淀，放入冷冻干燥机干燥，得到淫羊藿素
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生物素
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聚乳酸微球，微球直径在2
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20μm范围；（e）银
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羟基磷灰石
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聚酰胺6复合材料的制备：利用络合剂配位溶解的方法制备HA/PA6复合材料，首先在密闭干燥容器中将CaCl2和C2H5OH按摩尔配比为1:5进行混合搅拌10min，温度设置在68
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72℃，将羟基磷灰石（HA）的含量设置在40%与聚酰胺6（PA6）混合后放入上述容器中搅拌20min，得到HA/PA6复合材料，然后选用等离子体还原法...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐淑波，张森，薛现猛，
申请(专利权)人：山东建筑大学，
类型：发明
国别省市：