[发明专利]钽涂层多级孔聚醚醚酮人工骨支架的3D打印制造方法

说明书

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，涉及钽涂层多级孔聚醚醚酮人工骨支架的3D打印制造方法，属于生物制造领域，是机械工程，信息，组织工程，生命科学交叉的领域。

背景技术

骨骼是人体的支架，担负着支持、保护、承重、造血、贮钙等功能，是人体重要的组织。临床上常由创伤、感染、先天性缺陷等原因导致骨缺损，这些是骨科每天都面临的治疗问题。用人工材料制造人工骨，填补骨缺陷位置，是一种十分理想的修复方式。人工骨是用人工材料制造的人骨替代品。理想的人工骨要具有良好的骨传导、骨诱导及骨生成作用。随着对人工骨研究的深入，人工骨的功能不仅仅停留在对骨缺损的替换，而更多的是仿制人体骨骼复杂的非均质多孔结构，进而增大人工骨的生物活性的表面积，从而增强成骨细胞的粘附作用，保证与人体骨骼的可靠长合。为提升人工骨与成骨细胞的接触面积，现有的人工骨大多采用多孔的支架结构。美国的Zimmer公司生产的小梁金属就是这其中的代表。但是现有的人工骨的多孔支架结构，其孔的结构单一，孔径固定不变，支架孔隙很难完全贯通，这就导致了制备的人工骨支架与人体骨骼差异大，且生物相容性较差，生物活性低，成骨细胞难以粘附。现有多种人工骨支架典型的制造方法：纤维粘接技术，微粒沥滤技术，气体发泡技术，相分离技术。这些方法均存在着一定的缺陷：(1)在制造过程中都经历高温、高压过程或使用了有机溶剂，这对生物活性是非常有害的；(2)难以成形200μm以上的可控孔隙结构；(3)难以保证孔隙之间的完全贯通；(4)难以实现具有孔隙梯度的多级孔结构和材料梯度结构的成形；(5)难以实现个性化制造。

聚醚醚酮是由英国ICI公司于1977年率先开发出的一种新型工程塑料，其既具有热固性塑料的耐高温性能、优异的机械强度(高强度、高弹性模量、高断裂韧性)、化学稳定性、耐辐射性能，又具有热塑性材料的易加工性。聚醚醚酮材料和用于制造人工骨的金属材料相比，其弹性模量和人骨弹性模量更接近，这就保证了用聚醚醚酮制备的人工骨和人体骨骼弹性模量相近，从而解决了金属材料人工骨因与人体骨骼弹性模量差距过大而造成的应力遮挡、骨吸收、骨发炎、二次手术等问题。聚醚醚酮材料其韧性和刚性兼备，特别是它对交变应力的优良耐疲劳特性，可以制成具有长疲劳寿命的人工骨支架。并且聚醚醚酮具有优良生物相容性，无细胞毒性，是一种临床可植入材料。

钽金属无细胞毒性，生物体内呈惰性，具有良好生物相容性，生物活性高，其使用历史可以追溯到20世纪中期，当时有许多医疗器械就已经采用这种材料进行制作，例如颅骨成形术中使用的金属板，目前钽金属植入物已经在骨科、颅面部等方面广泛使用。

现有人工骨支架孔结构受到加工方式的限制，无法做出较深的、孔隙率可以渐变的多级孔结构。采用3D打印技术，可以制造出符合人体骨骼微观结构的，极其复杂非均质的多级孔结构，保证孔隙的贯通和孔隙率的可调性。现有的人工骨支架制造过程中，均涉及高温、高压过程并使用了大量的有机溶剂，而采用3D打印技术打印聚醚醚酮所制造的支架，可避免这些缺点，保证人工骨支架植入人体内的安全。

发明内容

本发明的目的在于提供钽涂层多级孔聚醚醚酮人工骨支架的3D打印制造方法，解决了现有材料在人工骨支架制造过程中，大部分涉及高温高压过程并使用了大量的对人体有害的有机溶剂问题，实现了具有较高生物活性，与人体骨骼力学性能接近，满足个体差异的人工骨的制备。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1、采用CT扫描人体损伤处的骨组织，缺失处骨组织可扫描对称部位的组织结构，获取损伤骨组织图像数据；

步骤2、将扫描获取的损伤骨组织的图像数据导入Mimics软件，建立人体指定部位的骨骼三维模型；

步骤3、将骨骼三维模型以STL格式输入到3D打印系统；

步骤4、启动聚醚醚酮3D打印系统，采用聚醚醚酮为原材料，通过温控系统对3D打印系统喷头、成形基板、打印室进行预热，送丝速度设定为15-25mm/min，层厚设定为0.1-0.3mm；

步骤5、利用3D打印系统进行聚醚醚酮人工骨支架的打印。在第一层的打印过程中，运动速度为送丝速度的60％，保证打印件和基板的有效粘接。完成第一层打印后，喷头上升0.1-0.3mm，进行第二层打印，打印过程中先走出一圈较密实的外轮廓，保证生成人工骨支架后有较好的结构强度和外形精度，之后再打印内部结构。每完成一层后，喷头上升0.1-0.3mm，进行下一层的打印，直至完成整个人工骨支架的制造过程。悬空部位的支架底层需采用水溶性支撑材料进行打印；