[发明专利]仿生设计类骨多孔骨制品及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生设计类骨多孔骨制品及其制备方法和用途，属于生物医学材料领域。

背景技术

钛及钛合金因具有优异的抗腐蚀性、生物相容性、低密度和高的比强度等特点，在医用外科方面尤其是骨修复领域得到了广泛的应用。生物医用植入体是与人生命健康密切相关的特殊功能材料。同其它金属材料相比，钛及钛合金有着巨大的先天优势。室温时，钛及钛合金的密度为4.5g/cm³,仅为不锈钢的56％。植入体内可大幅度减轻植入体载荷；同时，钛及钛合金的弹性模量较低，纯钛为108.5GPa，仅为不锈钢的53％，植入体内与人体自然骨更接近，可减轻植入体应力屏蔽效应；不同于磁性材料，钛及钛合金为无磁性金属，不受电磁场和雷雨天气的影响，这有利于植入后的人体安全；最重要的是钛及钛合金具有优良的生物相容性、无毒性，它们被称为生物惰性金属材料，在人体血液的浸泡环境中具有优异的耐腐蚀性能，保证与人体血液及细胞组织的生物相容，不产生过敏反应，对人体无毒副作用。

临床应用中，因外伤、肿瘤等因素常导致骨、关节损害，为建立稳固的骨支架，必须借助人工骨钉、棒、弧型板等产品。这些植入物要长期留置于人体内，会受到人体的弯曲、扭转、挤压、肌肉收缩力等作用，要求植入物具有高的强度和韧性。研究与临床应用证明，在人体受力小的部位可以用纯钛，在人体受力大的部位可以用Ti-6Al-4V合金，以满足人体植入物的需求。

天然骨组织为一种具有精细微孔结构的多孔材料，骨组织的三维多孔结构会根据负重相应地改变以适应承载的需要。当外载植入体具有较高弹性模量时，会对天然骨组织形成应力遮挡。如果骨组织修复体的力学性与天然骨组织不匹配，载荷就不能由植入体很好地传到相邻的骨组织，造成植入体周围出现了应力吸收，最终导致植入体的松动和断裂引起应用失败。

为了解决该问题，科研人员提出在钛及钛合金中引入微孔设计的方法，将其制成多孔植入体。微孔设计对植入体的性能有以下几个方面的改善：(1)植入体的密度、强度和弹性模量可以通过对孔隙率的调整来达到与被替换骨组织的力学 性能相匹配(生物力学相容)，从而有效减轻或消除应力屏蔽现象；(2)多孔结构以及大的比表面积有利于成骨细胞的吸附、增殖和分化，促使新骨组织长入孔隙，使植入体同骨之间形成骨键合，并最终形成一个整体；(3)独特的三维连通孔能够保证体液和营养物质在多孔植入体中传输，促进组织再生与重建，加快愈合过程。因此，具有上述优点的生物医用多孔钛合金植入体被视为硬组织修复的关键。

现有的钛及钛合金植入体加工需要经过精密的切削加工，材料消耗比较大，设备要求高，加工周期长，造成制作成本高。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种3D打印钛及钛合金的类骨多孔骨制品及其制备方法，该方法节约原料、加工快捷、成本低。

仿生设计类骨多孔骨制品，具有体心立方晶格微孔空间结构，微孔空间结构单元体中原子的位置由几何体填充，所述的几何体为球壳或者球体，几何体与周围布置球壳或者球体相交，相交位置形成贯通圆孔。

仿生设计类骨多孔骨制品由纯钛或钛合金构成，例如Ti-6Al-4V，具有体心立方晶格(BCC)微孔空间结构。微孔空间结构单元体与BCC晶胞结构相同，不同之处在于晶胞中原子的位置由几何体填充。

微孔空间结构单元体填充球壳或者球体的半径为0.03mm～3mm，厚度为0.01mm～2mm。

仿生设计类骨多孔骨制品的孔隙率为50％～95％，大孔孔径为100～800微米，大孔之间有小孔相互贯通，具有仿生类骨微孔结构。

仿生设计类骨多孔骨制品以纯钛或钛合金粉末为原材料，粉末的粒径为30μm～100μm；仿生设计类骨多孔骨制品的微孔空间结构单元以边长为0.1mm～3mm的正方体为单元体，以该正方体为原点建立三维坐标，向三维坐标的X、Y、Z三个方向阵列再进行布尔运算设计产品；

采用快速成型制造技术打印出产品，所述的快速成型制造技术包括激光选区熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔融(EPM)方法制备；

经快速成型制造技术打印得到的半成品，进行生物活化改性处理，生物活化改性处理方法包括SBF浸泡形成类骨磷灰石层、电化学沉积磷酸钙生物活性层、等离子喷涂磷酸钙生物活性层。

半成品采用SBF浸泡形成类骨磷灰石活性层厚度为200nm～1μm，形貌为片层状羟基磷灰石；经电化学沉积磷酸钙生物活性层厚度为1μm～10μm，形貌为棒状层叠羟基磷灰石；经等离子喷涂磷酸钙生物活性层厚度为10～30μm，形貌为片层状堆覆磷酸钙。