CN103751852A - 一种三维人工随机多孔结构组织工程支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种三维人工随机多孔结构组织工程支架的制备方法，涉及生物材料技术领域。本发明旨在解决组织工程支架仿生结构的设计与制造问题，提出了一种在期望的孔隙率、孔径要求下构造具有仿生形态的随机分布的支架多孔结构的设计方法，并采用3D增材制造方法成形，制成组织替代物。本发明的优点为：支架具有符合仿生要求的3D通孔结构，保证营养物质传输和废物代谢的同时还兼顾一定的仿生力学性能；能方便地控制支架孔隙率和孔隙尺寸的分布范围，构建具有期望功能梯度的随机孔隙结构，以实现结构仿生特性；该方法适用材料广泛，如：金属材料、非金属材料以及医用高分子材料等，可满足用户个性化的组织修复需要。

Description

一种三维人工随机多孔结构组织工程支架的制备方法

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，特别是适用于生物医学组织工程支架材料的制备，具体为一种三维人工随机结构组织工程支架的设计和制备方法。

背景技术

组织工程是一项新兴医学技术，它是应用生命科学与工程学的原理技术，在正确认识组织结构、功能在正常与病理两种状态下的关系基础上，研究开发用于修复、维护人体各组织器官损伤后的功能和形态的生物替代物，因而备受重视。其核心是由生物材料和细胞构成三维空间复合体，其基本方法是将体外培养的正常组织细胞，吸附于一种生物相容性好、结构合理的生物材料上，将此细胞-生物材料复合物植入组织或器官的病损部位，在体内环境下，细胞在生物材料上进行各种生理活动，以达到修复创伤的目的。

制造组织工程支架的关键是制造其内部的多孔结构，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。理想的支架应具有这些特征：1）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；2）具有生物相容性、与组织生长相匹配的可降解速率；3）促进细胞黏附、增殖、分化的表面化学特征；4）与周围组织相匹配的力学性能。

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。具有一定孔隙率的随机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，能在保证一定的孔隙率的同时兼顾一定的力学强度要求，并且其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。

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（如：孔隙率、孔隙尺寸）的粗调，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，针对增材制造的随机多孔支架的设计与构建方法仍存在很多困难，如：怎样设计具有仿生性能的随机分布多孔结构、如何自动决定在各处不规则孔的基本要素（位置和形状）、如何进一步控制该结构的孔隙尺寸分布和孔隙率分布以满足仿生需要等等。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、精确构建随机多孔结构，及传统制备方法成本高、工艺不稳定、造孔剂残留、支架强度低等问题，提供一种三维人工随机多孔结构的组织工程支架的制备方法。

本发明提供的三维人工随机多孔结构的组织工程支架的制备方法，基于三重周期最小表面（triply periodic minimal surface，简称TPMS）方法设计随机多孔结构，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、建立人工随机多孔结构支架的3D数字化内部和外部模型，步骤为：

a、构造随机函数，使得函数值域在自然骨的孔隙率、孔隙尺寸的要求范围内；

b、将随机函数代入TPMS隐式函数中的孔隙率控制项和孔隙尺寸控制项中，支架的内部形态结构由所构建的TPMS隐式函数控制，建立支架3D数字化的内部结构模型；

c.根据自然组织的外部形状数据或者人工植入物的外形数据，建立支架的3D数字化外表面模型。

d.将b步建立的内部结构模型和c步建立的外表面模型相结合，最终所生成的实体模型以STL格式导出，用以指导后续的3D增材制造过程。

第2、采用3D增材制造方法制备人工随机多孔结构支架。

所述的3D增材制造方法包括：选择性激光烧结法，自由实体制造法，3D打印法，和光固化立体造型法。如：选择性激光烧结，其步骤为：

将工作平台铺上一个薄层的生物材料粉末，由计算机控制激光头只烧结特定区域模型指定区域内的粉末，这一层烧结完，计算机控制平台下移一个薄层的距离，再次铺粉，烧结下一层，支架即由这种一层一层的堆积方式成形，这种技术的优点在于：粉末可以充当支撑结构来支撑上一层的成形物，因此可以制造任意复杂的3D孔隙结构。

该支架作为组织替代物具有良好的孔连通性和随机分布形态，利于细胞获得营养物质和排出废物，同时兼顾一定的力学强度，为细胞提供良性的3D生长空间。本发明选用粉末形式材料作为成形原料，可选材料广泛，包括金属、非金属和医用高分子材料等等，具体为：钛、镁、生物活性玻璃、羟基磷灰石、以及生物相容性高分子材料（如：聚乳酸及其聚合物、聚乙交酯、聚乳酸-聚乙交酯共聚物、聚己内酯、聚β-羟基丁酸酯、聚β-羟基丁酸酯-聚羟基戊酸酯共聚物、聚己内酯-聚乙二醇多嵌段共聚物或者聚氨酯）。

本发明的优点和有益效果为：

采用计算机辅助设计的方式，设计具有仿生功能、随机孔隙结构的组织工程支架，并通过增材制造方法精确制造此多孔结构体，可以实现用户个性化的支架制备。在三重周期最小表面隐式函数中的孔隙率控制项和孔隙尺寸控制项可以方便地控制支架孔隙率和孔隙尺寸的分布范围，进而准确地构造具有期望孔隙参数的随机多孔支架材料，并且通过改变各控制项，可以方便的构建具有期望梯度的随机孔隙结构，以实现各种仿生特性。同时，所采用的3D增材制造方法能准确按照模型制造出理想的产品。本发明适用材料广泛，目前组织工程中广泛使用的具有生物惰性/活性的金属材料、非金属材料以及多类高分子聚合物材料都可以采用本发明方式成形。所制产品具有：孔隙和实体的整体连通性、形态随机性、功能梯度性、并兼顾类人体组织/器官的孔隙率、孔径和生物力学性能。既可以作为具有优良的骨生长的引导、诱导能力的植入材料使用，又可以应用于科学研究：控制支架内部结构的微妙改变，考察哪种多孔形态支架最能满足特定细胞的生长需求。

附图说明

图1为本发明人工随机多孔结构立方体支架结构和高度中值层切片图（a），以及与规则多孔结构和切片（b）的对比图。

图2为本发明人工随机多孔结构立方体支架成品和规则结构支架对比图。

图3为人工关节部件外形尺寸图。

图4为采用本发明方案的该关节部件3D模型图。

具体实施方式

实施例1

本发明提供的三维人工随机多孔结构的组织工程支架的制备方法，基于三重周期最小表面方法设计随机多孔结构，并采用增材制造方法制备该支架，具体步骤是：

第1、建立人工随机多孔结构支架的3D数字化内部和外部模型，步骤为：

a、根据自然组织的孔隙率、孔隙尺寸的分布范围构造随机函数，使得函数值域在该分布范围内；

在立方体内撒入t=27个规则分布的3D点，各点坐标为(t1[il,i2[il,x3[il),构造随机函数：

$f(x,y,z)=\underset{i=0}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(i\right)\mathrm{Sin}\left(\frac{{(x-x1[i\left]\right)}^2+{(y-x2[i\left]\right)}^2+{(z-x3[i\left]\right)}^2}{30}\right)---\left(1\right)$

其中h[i]为在-1和1之间均匀分布的随机实数。

求解如下有约束优化问题：

Min(Max)f(x，y，z)

s.t.0≤x≤26

0≤y≤26

0≤z≤26  (2)

其中：立方体支架长、宽、高的尺寸均为26mm。求得以上问题的解，令最大值为Iila,最小值为min。令d1＝2.32，d2＝3.48为所需孔隙直径在最大、最小时对应的（4）式中的系数a，b，c的值（这里a＝b＝c），令k＝(d2-d1)/(max-min)，m＝d2-kmax为两个线性转化系数，构造新的随机函数：

g(x，y，z)＝kf(x，y，z)+m  (3)

其值域必介于d1，d2之间。

b、将随机函数代入三重周期最小表面隐式函数中的孔隙率控制项和孔隙尺寸控制项中，支架的内部形态结构由所构建的三重周期最小表面隐式函数控制：

选择G形三重周期最小表面隐式函数：

θ(ax，by，cz，p)＝Cos(ax)+Cos(by)+Cos(cz)+p  （4）其中a，b，c为孔隙尺寸控制项，p为孔隙率控制项,θ(ax.by,cz,p)≤0代表支架内部充满实体材料的空间，其它为孔隙空间。

将a＝b＝c＝g(x，y，z)，p＝0代入（4）式，即可将孔径控制为1000-1500μm，孔隙

率控制为50%左右。

c、根据自然组织的外部形状数据或者人工植入物的外形数据，建立支架的3D数字化外表面模型；

该外形数据为立方体区域，即式（2）中的约束条件：

s.t.0≤x≤26

0≤y≤26

0≤z≤26

d、将b步建立的内部结构模型和c步建立的外表面模型相结合，最终所生成模型另存为STL格式导出，用以指导后续的3D增材制造过程；

第2、将STL文件导入3D打印机或快速原型机输入系统，选用期望的材料，即可制备出和模型结构一致的人工随机多孔结构支架。

采用本发明方法进行计算机辅助设计，3D设计模型如图1所示（高度中值处取一切片，便于显示其2D特征），从图1中可以看出，随机孔隙比起规则孔隙具有更加多样化的孔隙结构，各处都具有各向异性。该模型以STL格式导出，并输入增材制造系统，采用2D层堆积方式制备出人工随机多孔结构立方体支架成品，结果如图2，该立方体采用ABS树脂材料，尺寸为26×26×26mm³，孔径为1000-1500μm，孔隙率为50%左右。

实施例2

图3为人工关节部件的设计外形图（具体设计过程参见实施例1），要求材料为金属钛，其中半球外表面半径32mm，内表面半径26mm，内外球面偏心距为5.5mm，球壳下接圆柱筒厚度与球壳厚度一致，外表面、内表面高度分别为7mm、12.2mm，球壳顶端打孔Ф3mm，其周围有6个等间距环形阵列的孔Ф6mm，该轴线过外球面球心且与底面夹角50°。要求表层分布随机多孔结构，内层为实体结构。根据本发明方案设计的3D模型如图4所示，有孔层厚度3mm，其余为实体层，孔隙率为67%左右，孔径1-1.5mm，有孔层和实体层浑然一体，二者之间无任何界面。

实施例表明，本发明的设计模型可以灵活、自动、准确结合随机多孔结构和外部形状，一步到位避免二次加工，保证所要求的孔隙率和孔隙尺寸，配合3D增材制造方法，能精确制造出模型所要求的支架结构，以满足仿生个性化的需要。

Claims (4)

1.一种三维人工随机多孔结构的组织工程支架的制备方法，该方法基于三重周期最小表面（triply periodic minimal surface，简称TPMS）方法设计随机多孔结构，并采用增材制造方法制备该支架，具体步骤是：

第1、建立人工随机多孔结构支架的3D数字化内部和外部模型，步骤为：

a、构造随机函数，使得函数值域在自然骨的孔隙率、孔隙尺寸的要求范围内；

b、将随机函数代入TPMS隐式函数中的孔隙率控制项和孔隙尺寸控制项中，支架的内部形态结构由所构建的TPMS隐式函数控制，建立支架3D数字化的内部结构模型；

c、根据自然组织的外部形状数据或者人工植入物的外形数据，建立支架的3D数字化外表面模型；

d、将b步建立的内部结构模型和c步建立的外表面模型相结合，生成最终的实体模型并以STL格式导出，用以指导后续的3D增材制造过程；

第2、采用3D增材制造方法制备人工随机多孔结构支架。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的3D增材制造方法包括：选择性激光烧结法，自由实体制造法，3D打印法，和光固化立体造型法。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述增材制造过程的具体步骤为：

将工作平台铺上一个薄层的生物材料粉末，由计算机控制激光头烧结模型指定区域内的粉末，这一层烧结完，计算机控制平台下移一个薄层的距离，再次铺粉，烧结下一层，直至支架达到所要求的高度，所以支架实体由这种一层一层的堆积方式制成。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的粉末材料为：钛、镁、生物活性玻璃、羟基磷灰石、以及生物相容性高分子材料（如：聚乳酸及其聚合物、聚乙交酯、聚乳酸-聚乙交酯共聚物、聚己内酯、聚β-羟基丁酸酯、聚β-羟基丁酸酯-聚羟基戊酸酯共聚物、聚己内酯-聚乙二醇多嵌段共聚物或者聚氨酯）。

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