具有表面双曲面结构的支架及其制造方法与应用技术

公开了具有表面双曲面结构的支架及其制造方法与应用。所述支架内部具有连通孔隙，所述孔隙的表面的所有点均具有双曲面结构。本发明专利技术要求保护的支架的内部具有多孔特征，孔洞表面的每一个点其均具有双曲面结构；由于支架的表面光滑，可以避免应力集中，因此在相同孔隙率下，可以承受更大的外部作用力；同时支架内部的孔洞是连通的，对流体具有更好的通透性，也更有利于组织的长入；此外，支架具有很大的内部表面积，有利于后期在支架的表面进行镀膜等表面处理。等表面处理。等表面处理。

【技术实现步骤摘要】
具有表面双曲面结构的支架及其制造方法与应用


[0001]本专利技术大体上涉及具有表面双曲面结构的支架，具体地，涉及具有表面双曲面结构的生物支架及其制造方法与应用。

技术介绍

[0002]组织工程支架是指能与组织活体细胞结合并能植入生物体不同组织，并根据具体替代组织具备的功能的支架体系。其包括用于骨、软骨、血管、神经、皮肤和人工器官等的支架。
[0003]双曲面是自然界中常见的拓扑结构。例如，珊瑚，一种可追溯到5亿年前的活化石，在其矿化表面保持双曲面特征。巧合的是，经过数百万年的自然选择，植物树叶也形成了这种双曲面结构。双曲面结构在一个点上在两个垂直方向上具有正曲率和负曲率，这被认为有利于促进珊瑚钙化且通过扩大叶子的表面积来增强光合作用。哺乳动物骨小梁的微观结构也证明具有这种双曲面结构。也就是说，双曲面结构可能是自然界进化导向优化的普遍结果。
[0004]具有双曲面结构的组织工程支架体系可以应用于多种组织支架中，例如骨、软骨、血管、神经、皮肤等，但是人们对其具体应用仍然没有深入了解。
[0005]以骨支架为例，具有双曲面结构的骨支架在骨重建中的潜在作用从未被触及。每年，全球有超过200万例骨移植手术，涉及的医疗保健服务支出超过25亿美元。目前，骨组织工程支架被认为是治疗由外伤、肿瘤和其他传染病引起的大骨缺损的最有效方法，因为与自体及异体移植物相比，它们的来源广泛、可批量生产且更加可控。但是，由于成骨和血管生成能力不足，目前的骨组织工程支架无法在大骨缺损中获得良好的临床结果。为了增强骨组织工程支架的成骨和血管生成潜力，可以进行干细胞的接种或与生长因子和/或药物的掺入。然而，由于生长因子/药物的不可控释放和短半衰期，以及干细胞不可避免的伦理和道德问题，导致这些策略具有明显的局限性。
[0006]因此，最近的研究集中在调控支架的物理刺激以调节细胞行为和功能以增强支架成骨和成血管能力。例如，凹面或凸面的表面形貌对干细胞的行为和功能具有显着影响，因为它们可以影响干细胞膜上的蛋白质聚集或使细胞核变形，从而激活不同的细胞信号通路(例如,Rho、Wnt、FAK、TGF
‑
β/BMP)来调控干细胞分化，促进骨修复。然而，具有骨小梁仿生双曲面结构的骨组织工程支架尚未被制备，且双曲面结构对再生的细胞行为和功能的影响也从未被提及。
[0007]本专利技术测目的是制造具有特定双曲面结构的生物支架，应用于例如骨、软骨、血管、神经、皮肤和人工器官等的人体组织、器官中。

技术实现思路

[0008]根据本公开的一个方面，公开了一种具有表面双曲面结构的支架。所述支架内部具有多个孔隙，所述多个孔隙的表面的所有点均具有双曲面结构。
[0009]另一方面，公开了一种制造上述支架的方法。其包括以下步骤：1)准备原材料；2)将所述原材料制备为3D打印墨水；3)利用3D打印技术将所制备的3D打印墨水打印为支架。
附图说明
[0010]当结合附图进行时，本公开的上述和其他目的和特征将从本公开的以下描述变得显而易见。
[0011]图1示出了双曲面构型示意图；
[0012]图2示出了根据本专利技术的一个实施方式的TPMS支架的设计和特征；
[0013]图3A
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3F示出了根据本专利技术的一个实施方式的TPMS支架的图像、性能等。G0、G2、G4和G6支架分别为高斯曲率为0、
‑
2、
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4、
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6的TPMS支架。
[0014]图4A示出了G0、G2、G4和G6支架的生物相容性。
[0015]图4B示出了细胞培养后的存活率。
[0016]图4C示出了rMSCs在支架上的增殖效率。
[0017]图5A
‑
5D示出了G0、G2、G4和G6支架的成骨诱导能力。
[0018]图6A
‑
6D示出了G0、G2、G4和G6支架对细胞形貌的调控作用。
[0019]图7A
‑
7C示出了G0、G2、G4和G6支架对细胞核形貌的调控作用。
[0020]图8A
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8C示出了G0、G2、G4和G6在植入兔股骨缺损后4周和8周的显微CT扫描与骨质定量结果。
[0021]图9A
‑
9C示出了G0、G2、G4和G6在植入兔股骨缺损后4周和8周的组织学染色结果。
具体实施方式
[0022]虽然本专利技术容许许多不同形式的实施方式，但在附图中示出且在本文中将详细描述本专利技术的优选实施方式，其中要理解本公开应被视为本专利技术的原理的举例说明，且并不意图将本专利技术的广泛方面限制于所示的实施方式。出于本详细描述的目的，词语“和”和“或”应为连词和反意连词；词语“所有”意指“任何和所有”；词语“任何”意指“任何和所有”；并且词语“包括”意指“包括但不限于”。
[0023]双曲面是指双曲线绕其对称轴旋转而生成的曲面。双曲面是一种二次曲面，如图1所示，其分为单叶双曲面、双叶双曲面。单页双曲面由以下等式限定：
[0024][0025]双叶双曲面由以下等式限定：
[0026][0027]双曲面的高斯曲率小于0。
[0028]本专利技术旨在将上述双曲面应用于各种支架，制造具有双曲面结构的支架，使得支架内部具有多个孔隙，孔隙的表面的所有点都具有双曲面结构，也即，高斯曲率小于0；每个点可以具有不同的曲率。这些孔隙可以彼此连通。
[0029]上述双曲面结构可以根据需要采取任何合适的架结构，例如三重周期性最小表面(TPMS)结构。TPMS结构是一种由连续和光滑的曲面组成的结构，允许大的表面积和连续的
内部通道，可很好地避免应力集中。其在表面的每一个点，均具有典型的双曲面结构(高斯曲率都小于0)。
[0030]本专利技术所要求保护的支架可以应用于多种场合，例如作为生物支架应用于骨、软骨、血管、神经、皮肤和人工器官等的人体组织、器官中。
[0031]本专利技术所要求保护的支架可以根据具体的应用场景由任何合适的材料通过适合的制备方法制成。例如使用β
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磷酸三钙(β
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TCP)陶瓷粉末通过3D打印制成骨支架体系。β
‑
TCP陶瓷粉末对于骨再生有公认的良好骨传导性和骨诱导性。
[0032]还可以使用诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)等高分子聚合材料，通过光固化打印成皮肤支架体系。使用GelMA具有优异的生物相容性，而与胶原性能相近，可以有效地促进表皮的再生。
[0033]还可以使用诸如钛合金、镁合金等金属材料，通过打印制备关节假体。镁合金具有良好的力学支撑，并且可以形成良好的骨整合界面，降低假体植入后骨溶解的风险。
[0034]在制备上述具有双曲面结构的支架时，为进一步改进材料的性能，可以根据需要，在打印的陶瓷浆料中添加例如ZnCl2、CuCl2、MgCl2、SrCl2等原料，使得所制成的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有表面双曲面结构的支架，所述支架内部具有多个孔隙，其特征在于，所述多个孔隙的表面的所有点均具有双曲面结构。2.如权利要求1所述的支架，其特征在于，所述双曲面结构是三重周期性最小表面结构，且支架的高斯曲率为0至
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6。3.如权利要求1所述的支架，其特征在于，所述支架具有20％
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90％的孔隙率。4.如权利要求1所述的支架，其特征在于，所述多个孔隙彼此连通。5.如权利要求1所述的支架，其特征在于，所述支架由陶瓷材料、金属材料、或高分子聚合物制成。6.如权利要求5所述的支架，其特征在于，所述陶瓷材料是β
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磷酸三钙。7.如权利要求5所述的支架，其特征在于，所述金属材料是钛合金或者镁合金。8.如权利要求5所述的支架，其特征在于，所述高分子聚合物是聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸酐化明胶或者聚醚醚酮。9.如权利要求1所述的支架，其特征在于，所述支架添加一种或者多种具有生物活性的金属离子。10.如权利要求9所述的支架，其特征在于，所述一种或多种金属离子是从由以下离子组成的组中选择出：Zn
2+<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵昕，杨雨禾，徐天鹏，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：发明
国别省市：