[发明专利]一种三维复合多孔结构组织工程支架的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，特别适用于组织工程支架结构材料的设计与制备，具体为一种三维复合多孔结构组织工程支架的数字化设计与制备。

背景技术

多孔结构是制造组织工程支架的关键，孔隙的形态会直接影响细胞的生长过程。原则上，支架的功能是提供一个环境，通过细胞-支架、细胞-细胞间的相互作用来刺激细胞行为，如：粘附、迁移、增殖、分化、维持和死亡。组织工程支架能实现在体内或体外培养中对组织的初始支撑、细胞的初始黏附以及使得细胞能可控地形成组织或器官。理想的支架应具有内部有相连通的高孔隙率多孔结构，能适应细胞生长、营养流的输送与代谢产物的排出。

各向异性的孔隙率可以引导骨沿着孔隙率和力学强度梯度的方向进行再生，这可以控制干细胞分化，进而促进组织功能。不同的孔隙结构能影响靠近和远离该结构的细胞的运动方向和速度，这成为细胞外环境控制细胞行为的一种生理机制。具有一定分布规律的复合孔隙结构是经过自然选择与进化的理想结构。它比规则多孔结构拥有更优越的力学性能和渗透率，拥有更多样性的孔隙形态以便适应细胞的不同需要，其3D连通孔隙，便于把营养物质灌注进支架内部，并排出细胞代谢废物，营造利于细胞生长的环境；同时结构的复合分布带来力学特性的复合分布，以保证结构中力学特性的最优分配。

在多孔支架制造方面，尽管已有一些传统的手工制造方法如：盐过滤法、气体发泡法、冷冻干燥法，但这些方法仅仅能实现对少数参数的粗调(如：孔隙率)，无法进行精细控制。最近发展起来的增材制造技术，如选择性激光烧结、激光快速成型、自由实体制造、3D打印、光固化立体造型等技术，解决了这一问题并成功应用于成型复杂零件。现在，这些技术也被引入组织工程领域，结果证明该技术有潜力用于制造更为复杂、高仿生特征的孔隙结构和力学特性的支架产品，并且能精确形成支架的微观形态、控制生长因子空间分布，以满足个性化组织修复的需要。

目前，针对增材制造的多孔结构设计环节，仍存在很多困难，例如：如何采用简单有效的方式，构造孔隙形态呈空间变化的多孔结构。这些困难成为限制仿生结构组织工程支架设计、制造和应用的瓶颈。

发明内容

本发明目的在于解决传统设计方法不能灵活、精确构建复合多孔结构，及传统制备方法成本高、工艺不稳定、造孔剂残留等问题，提供一种三维复合多孔结构组织工程支架的数字化设计与制备方法。

本发明提供的三维复合多孔结构组织工程支架的数字化设计与制备方法，基于三重周期最小表面(triplyperiodicminimalsurface，简称TPMS)方法设计复合多孔结构，并采用增材制造方法制备该支架，该方法的具体步骤是：

第1、确定所选的子结构以及子结构之间的过渡边界，步骤为：

a、确定需要结合的各个子结构的结构类型；

b、确定子结构之间的过渡边界，对于2D结构，该边界为直线或曲线，对于3D结构，该边界为平面或曲面；

c、应用Sigmoid子结构结合公式，将相邻两子结构根据过渡边界结合成一个复合结构：