[發明專利]基于光固化和凝膠注模的鎂合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法

有效

• 申請號: 201110312538.2
• 申請日: 2011-10-15
• 公開（公告）號: CN102335460A
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發明（設計）人: 李滌塵;連芩;靳忠民;劉亞雄;賀健康
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: A61L27/42
• 分類號: A61L27/42;A61L27/50;A61F2/28;B22D19/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明屬于制造工程領域，特別涉及一種基于光固化和凝膠注模的鎂合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法。

背景技術

由創傷、腫瘤、先天畸形等因素造成的大面積骨缺損是臨床面臨的難題，據統計，全世界每年實施的骨缺損修復手術超過220萬例，我國每年骨缺損或骨損傷的患者約有350萬，全國肢體不自由患者1500萬人以上，其中由于缺乏重建手術和骨替代材料，導致300萬人截肢。我國每年個體匹配骨骼的市場總額至少在五千萬元以上。骨組織工程為骨缺損的永久性修復提供了全新的思路。而構建綜合性能優良的骨組織工程支架是實現骨缺損最終修復的關鍵。

材料方面，生物陶瓷、可降解聚合物已被證實難以單獨滿足多孔骨支架的力學強度要求，近年來重點研究的生物陶瓷/高分子復合材料，改善了支架的初始強度，但降解過程中陶瓷與高分子存在相分離傾向，導致機械強度迅速喪失。鎂及其合金具備常規金屬所缺乏的降解性，體內安全性高，通過調節孔隙率和孔徑可滿足不同部位骨缺損的強度要求，具有成為新型骨組織工程支架材料的潛力，但存在生理環境下腐蝕過快的問題。可見，單從材料學角度出發，可一定程度上提高支架的初始力學強度，卻難以解決其體液環境中的結構與力學穩定性問題。材料只有在合適的結構中才能最大限度發揮其優越的性能，但是目前對支架力學功能的研究主要集中于優化結構單元幾何形狀，這種單一的設計可以提高支架的初始強度，但未考慮體液環境下的力學穩定性要求。

發明內容

本發明的目的在于針對目前存在的骨支架植入早期力學強度與穩定性不足，強度退化率與骨重建過程不匹配的問題，提供一種基于光固化和凝膠注模的鎂合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法。本發明成型的產品是鎂合金/生物陶瓷“芯/殼”復合結構骨支架，在生物陶瓷中構建相互連通的管路結構，使初級管路滿足組織生長與營養代謝的需要，管路內填充鎂合金用于增強復合支架的早期力學性能，隨著鎂合金被腐蝕降解，填充鎂合金的管路變為相互連通的孔道，滿足組織生長與營養代謝需要。

為了達到上述目的，本發明的制備工藝為：

1)首先根據患者骨缺損部位的具體情況借助于反求工程和CAD技術進行骨缺損部位外形相關性和微結構仿生設計，并利用CAE分析軟件對支架的受力以及內部形變與流體力學特性和結構進行修改形成具有連通的內部微結構的仿生支架的CAD模型；；

2)采用分層軟件對仿生支架的CAD模型進行分層，分層厚度為0.10mm，根據分層后的結果利用光固化成型機制作支架負形樹脂模具；

3)將陶瓷粉末、水溶劑、有機單體、分散劑和交聯劑按110-120∶60-80∶6-8∶1-2∶1-1.5的質量比混合均勻，放入真空機中去除氣泡，并用濃氨水調整使混合物的pH＝9得到漿料，再在漿料中分別加入交聯劑質量0.2-0.5倍的引發劑和催化劑形成陶瓷漿料；

4)將陶瓷漿料填充到負形樹脂模具中，冷凍干燥后去模、高溫燒結得到具有相互連通管路結構的多孔生物陶瓷框架；

5)將熔融鎂合金通過真空吸鑄的方法澆鑄到制作成的生物陶瓷框架的孔隙結構型腔中，冷卻凝固后得到鎂合金/生物陶瓷復合結構骨支架。

所說的光固化成型機的激光器的波長為355nm；光斑直徑為0.2mm；填充掃描速度為5000mm/s；填充向量間距為0.10mm；支撐掃描速度為2000mm/s；跳跨速度為8000mm/s；輪廓掃描速度為3000mm/s；補償直徑為0.12mm；工作臺升降速度為4.00mm/s；點支撐掃描時間為0.50ms；紋結構掃描時間為0.50ms。

所說的水溶劑為去離子水；陶瓷粉末為Beta-磷酸三鈣(β-TCP)、Alpha-磷酸三鈣(α-TCP)、磷灰石、碳酸鈣或氧化鋁；有機單體為丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化銨或己二酸二酰肼；交聯劑為N，N-二亞甲基二丙烯酰胺、N，N-二丙酮基丙烯酰胺或二亞芐基丙酮基丙烯酰胺，分散劑為聚丙烯酸鈉或聚丙烯酸銨，引發劑為過硫酸銨、過硫酸鈉或過硫酸鉀，催化劑為N，N，N’N’-四甲基乙二胺、N，N-二甲基環己胺或N，N，N’，N″，N″-五甲基二乙烯三胺。

所述的熔融鎂合金是通過真空吸鑄的方法澆注到陶瓷支架中的，在澆注過程中利用六氟化硫(SF6)作為保護氣體，使澆注環境充滿六氟化硫以避免熔融鎂液與空氣接觸。

按照本發明的成型方法制成的鎂合金/生物陶瓷仿生復合支架的內部微結構由相互連通的管路組成，在管路內填充鎂合金，用于增強復合支架的早期力學性能，隨著鎂合金被腐蝕降解，填充鎂合金的管路變為相互連通的孔道，滿足組織生長與營養代謝需要。