一种3D打印制备金属垫块用于髋臼骨缺损重建的方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印制备金属垫块用于髋臼骨缺损重建的方法，包括如下步骤：S1、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的制备、表征以及细胞相容性检测；S2、电子束熔融3D打印的钛金属植入物生物学特性的体外表征；S3、电子束熔融3D打印的钛金属植入物生物学特性的体内表征；S4、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的临床研究。本方案基于CT三维重建髋臼骨缺损形态，借助计算机辅助设计(CAD)建立数字化垫块填充物模型，利用电子束熔融(EMB)3D打印技术制作个性化且具有良好生物学特性的金属垫块内植物,以实现对髋臼骨缺损的有效重建，从而为髋关节翻修术中骨缺损难题带来新的解决方案。案。案。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印制备金属垫块用于髋臼骨缺损重建的方法


[0001]本专利技术属于医疗
，具体涉及一种3D打印制备金属垫块用于髋臼骨缺损重建的方法。

技术介绍

[0002]随着我国人口老龄化进程的加快以及国人生活质量的不断提升，因髋关节疾患接受关节置换的患者数量逐年增加且呈年轻化的趋势；据不完全统计，我国每年接受髋关节置换的患者高达近30万人次，随之而来的髋关节翻修数量也与日俱增；髋关节翻修的常见原因包括假体无菌性松动、感染、聚乙烯内衬磨损、骨溶解、假体周围骨折等；在髋关节翻修术中，严重骨缺损的处理可谓是最具挑战性的难题；骨缺损通常以髋臼侧较为多见，髋臼骨缺损过多将直接导致翻修术中臼杯无法获得有效支撑，压配失效，假体稳定性难以保证；据Johanson所报道，在髋关节翻修手术中合并髋臼骨缺损的占17％，但手术失败率却高达30％；因此，髋臼骨缺损是否能得到有效重建，将直接影响髋关节翻修手术的成败；
[0003]正确评估和处理髋臼骨缺损是髋关节翻修手术成功的关键；Paprosky分型由Paprosky等学者在1994年提出，由于这种分型方法可以判断预后和指导治疗，被越来越多地应用于临床；Paprosky分型主要根据坐骨骨溶解程度、泪滴破坏程度、股骨头中心内移及上移程度将髋臼骨缺损分为三型；其中PaproskyⅠ、ⅡA型髋臼骨缺损，由于骨缺损较小通常无需进行额外的植骨；而对于PaproskyⅡB及以上的骨缺损类型则需要进行结构性植骨，通常需借助自体、异体骨块或成品金属垫块来充填；但髋臼骨缺损形态多变，对于结构性植骨，无论是采用自体/异体骨还是使用成品金属垫块，从外型而言都无法与宿主骨的缺损部分形成完好的契合，术中需进行额外的修整磨搓，操作比较繁琐，且无法达到解剖重建的目的；同时同种异体骨块或成品金属垫块价格都十分昂贵，临床也很难推广；因此，对于髋关节翻修术中髋臼侧骨缺损重建的问题目前临床尚缺乏便捷有效且经济实用的填充物；
[0004]3D打印技术是快速成形(RapidPrototype,RP)技术的一种，其以三维数据模型为基础，通过计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)完成一系列模块设计和数字切片处理，并将这些切片的信息传送到3D打印机上,以粉末状或液态的金属、塑料等粘合材料为原料，通过分层加工、叠加成型的方式来构建实体物件，也称为“增材制造”；电子束熔融技术(ElectronBeamMelting，EBM)，是近年来新兴的快速成型制造技术，其原理是将三维模型数据导入EBM打印设备，在真空环境中以金属粉末为原料，通过高能电子束经磁场诱导偏转聚焦后所产生的高能使金属微粒熔融，再通过凝固融合形成金属薄层，经过逐层铺设的方式完成金属实体的构建；目前，国内已有一些采用EBM技术3D打印钛合金内植物(见图1)用于临床，其短期疗效令人满意，但是此方法难以实现对髋臼骨缺损的有效重建。
[0005]随着3D打印技术在医疗领域的不断发展与革新，为骨关节外科个性化人工植入物的运用带来了曙光；本课题基于CT三维重建髋臼骨缺损形态，借助计算机辅助设计(CAD)建立数字化垫块填充物模型，利用电子束熔融(EMB)3D打印技术制作个性化且具有良好生物学特性的金属垫块内植物,以实现对髋臼骨缺损的有效重建，从而为髋关节翻修术中骨缺
损难题带来新的解决方案。
[0006]因此需要设计一种3D打印制备金属垫块用于髋臼骨缺损重建的方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种3D打印制备金属垫块用于髋臼骨缺损重建的方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0009]一种3D打印制备金属垫块用于髋臼骨缺损重建的方法，包括如下步骤：
[0010]S1、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的制备、表征以及细胞相容性检测；
[0011]A1、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的制备：
[0012]工程师在UG软件中分别绘制出直径为1.5cm高度为0.5cm以及直径为0.4cm高度为0.15cm的圆柱形人工垫块的三维数字模型图，并将数据以STL格式保存并导入3D打印主程序中进行分层切片处理，再将获得的各断层数据导入EBM设备，进行产品的打印制作；
[0013]在粉仓内装入钛合金(Ti6Al4V)粉末，由粉耙均匀铺设在工作平台上，厚度为0.5～1mm；关闭舱门，工作舱抽至真空，真空度需达到10
‑
4～10
‑
5mbar；电子束枪在电脑程序控制下发射高能电子束并聚焦至工作平台，受到高能电子束照射的钛金属粉末颗粒瞬间被加热熔融再经冷却凝固，通过分层加工、叠加成型的方式打印出所需要的金属定制物；去除未熔融的金属粉末，并经后续的抛光加工等处理即可获得最终的个性化金属垫块成品，经消毒后无菌存放备用；
[0014]B1、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的孔隙率检测；
[0015]孔隙率的测定：采用排液法测定孔隙率；取直径为1.5cm高度为0.5cm圆柱形3D打印人工垫块及传统成品人工垫块，将其浸没在已知体积(V1)的无水乙醇中，减压使乙醇充满支架内部所有孔隙，总计体积为V2；一段时间后，轻轻取出支架，剩余乙醇体积标记为V3；孔隙率由公式(a)得到；
[0016]Porosity＝(V1
–
V3)/(V2
–
V3)
ꢀꢀ
(a)
[0017]C1、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的表面结构观察；
[0018]形貌及结构：分别将3D打印人工垫块及传统成品人工垫块在20mA条件下喷金2min制备样品，用扫面电镜观察其表面结构以及孔隙大小等；
[0019]D1、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的抗压强度测试；
[0020]分别取直径为1.5cm高度为0.5cm圆柱形3D打印人工垫块及传统成品人工垫块各6个式样，在37℃、100％相对湿度环境中养护72小时，上下表面打磨平整，置于万能试验机上进行压缩测试；加载速率为1mm/mi n，记录载荷
‑
位移曲线；按照以下公式(b)计算得出式样的抗压强度值：
[0021]P＝4NπD2
ꢀꢀ
(b)
[0022]式中P代表式样的抗压强度，N代表载荷峰值，D代表式样的直径；
[0023]S2、电子束熔融3D打印的钛金属植入物生物学特性的体外表征；
[0024]A2、成骨细胞的培养；
[0025]将MC3T3
‑
E1细胞系用0.25％Trypsin
‑
EDTA消化、计数，取1
×
107个细胞，接种于直径为75cm2的细胞培养皿中，于37℃、5％CO2条件下培养，每皿加入8～10mL培养基，隔天换
液；待细胞90％融合后，用0.25％Trypsin
‑
EDTA消化传代；
[0026]B2、细胞在材料表面黏附增殖本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印制备金属垫块用于髋臼骨缺损重建的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的制备、表征以及细胞相容性检测；A1、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的制备：工程师在UG软件中分别绘制出直径为1.5cm高度为0.5cm以及直径为0.4cm高度为0.15cm的圆柱形人工垫块的三维数字模型图，并将数据以STL格式保存并导入3D打印主程序中进行分层切片处理，再将获得的各断层数据导入EBM设备，进行产品的打印制作；在粉仓内装入钛合金(Ti6Al4V)粉末，由粉耙均匀铺设在工作平台上，厚度为0.5～1mm；关闭舱门，工作舱抽至真空，真空度需达到10
‑
4～10
‑
5mbar；电子束枪在电脑程序控制下发射高能电子束并聚焦至工作平台，受到高能电子束照射的钛金属粉末颗粒瞬间被加热熔融再经冷却凝固，通过分层加工、叠加成型的方式打印出所需要的金属定制物；去除未熔融的金属粉末，并经后续的抛光加工等处理即可获得最终的个性化金属垫块成品，经消毒后无菌存放备用；B1、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的孔隙率检测；孔隙率的测定：采用排液法测定孔隙率；取直径为1.5cm高度为0.5cm圆柱形3D打印人工垫块及传统成品人工垫块，将其浸没在已知体积(V1)的无水乙醇中，减压使乙醇充满支架内部所有孔隙，总计体积为V2；一段时间后，轻轻取出支架，剩余乙醇体积标记为V3；孔隙率由公式(a)得到；Porosity＝(V1
–
V3)/(V2
–
V3)
ꢀꢀꢀꢀ
(a)C1、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的表面结构观察；形貌及结构：分别将3D打印人工垫块及传统成品人工垫块在20mA条件下喷金2min制备样品，用扫面电镜观察其表面结构以及孔隙大小等；D1、电子束熔融3D打印的钛金属植入物的抗压强度测试；分别取直径为1.5cm高度为0.5cm圆柱形3D打印人工垫块及传统成品人工垫块各6个式样，在37℃、100％相对湿度环境中养护72小时，上下表面打磨平整，置于万能试验机上进行压缩测试；加载速率为1mm/min，记录载荷
‑
位移曲线；按照以下公式(b)计算得出式样的抗压强度值：P＝4NπD2
ꢀꢀꢀꢀ
(b)式中P代表式样的抗压强度，N代表载荷峰值，D代表式样的直径；S2、电子束熔融3D打印的钛金属植入物生物学特性的体外表征；A2、成骨细胞的培养；将MC3T3
‑
E1细胞系用0.25％Trypsin
‑
EDTA消化、计数，取1
×
107个细胞，接种于直径为75cm2的细胞培养皿中，于37℃、5％CO2条件下培养，每皿加入8～10mL培养基，隔天换液；待细胞90％融合后，用0.25％Trypsin
‑
EDTA消化传代；B2、细胞在材料表面黏附增殖的形态学检测；将直径为1.5cm高度为0.5cm圆柱形3D打印人工垫块及传统成品人工垫块进行辐照灭菌以用于生物学试验；两种垫块各取30个置入24孔板中，一个垫块对应一孔，加入细胞培养基于37℃、5％CO2条件下浸泡3天后，每孔植入1
×
105个MC3T3
‑
E1细胞，另取15孔无材料孔亦植入1
×
105个MC3T3
‑
E1细胞作为空白对照；分别于第1、3、7、14、21天从各组各取3孔吸去培养基并用PBS溶液清洗后，加入4％多聚
甲醛固定10分钟；随后用2％BSA溶液封闭2小时，封闭结束后于避光环境下依次加入工作浓度为5μg/mL的FITC
‑
鬼笔环肽溶液和DAPI溶液，各反应20分钟，反应结束后均吸除反应溶液并用PBS溶液清洗；将染色后的样品置于荧光显微镜下观察各组材料表面细胞形态、数量以及孔隙内细胞长入情况，并与空白对照组细胞形态相对比；另对各时间点的各组细胞
‑
垫块复合物行SEM检测；第1、3、7、14、21天时于3D打印人工垫块组及传统成品人工垫块组各取出3个样品以PBS洗净，并以1％锇酸于4℃固定4小时，随后采用酒精梯度脱水，各浓度脱水时间不小于20分钟；完成脱水后空气干燥，并抽真空、喷金，采用SEM观察垫块表面细胞的数量、数量以及孔隙内细胞长入情况；C2、垫块生物相容性的定量检测；将直径为0.4cm高度为0.15cm3D打印人工垫块及传统成品人工垫块置于96孔板中，另设无材料对照组，于各孔中植入1
×
104个MC3T3
‑
E1细胞进行培养，取第1、3、7、14、21天作为观察点行MTS法检测分析；于各时间点各组取3孔，吸尽孔内的培养基，并用PBS溶液清洗后再于各孔内加入100mL细胞完全培养基及20μL、1.90mg/mL的MTS溶液，并于细胞培养箱内孵育3小时后从各孔内吸出100μL于新孔中，运用紫外分光光度仪检测490nm波长处的OD值，记录结果，绘制各组细胞生长曲线；S3、电子束熔融3D打印的钛金属植入物生物学特性的体内表征；A3、山羊股骨缺损模型的建立及材料植入术前先采用电子束熔融3D打印技术制备φ1cm
×
1cm/φ3cm
×
3cm/φ5cm
×
5cm的钛金属垫块，辐照灭菌消毒后无菌存放备用；选取重20～25...

【专利技术属性】
技术研发人员：方盛，李欢，徐鹏，王益民，孙晓亮，
申请(专利权)人：常州市第一人民医院，
类型：发明
国别省市：