CN114870076A - 一种用于椎间融合器的3d打印复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于椎间融合器的3D打印复合材料及制备方法，包括以下重量份数的原料：45S生物玻璃40～60份、SrO 40～60份、盐酸多巴胺1～3份、Tris‑HCl缓冲溶液20～60份、左旋聚乳酸(PLLA)3～6份、无水乙醇1～3份、蒸馏水3～5份；包括Sr/Bioglass复合及改性、混合粉末制备和Sr/Bioglass/PLLA支架/融合器制备。本发明所述的一种用于椎间融合器的3D打印复合材料及制备方法，基于有限元力学仿真及TPMS构建方法实现融合器“控形”与“控性”操作，复合材料的刚度及强度与人体相匹配、可控降解、具有调控炎症反应、促进成骨、抑制破骨等优点，可促进成骨、加速椎间骨性融合、减少终板骨丢失的生物学机制，解决OLIF椎间融合术后终板塌陷、融合器下沉移位及椎体间骨不连的难题。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种用于椎间融合器的3D打印复合材料及制备方法。
背景技术
脊柱退行性椎间盘疾病(DDD)是中老年常见病，是导致颈腰腿痛及四肢功能障碍最常见原因。OLIF手术是近年临床上治疗腰椎退变性疾病的一种微创技术，可以有效解决患者的临床症状。但也出现许多并发症，包括内固定失败、感染、邻近节段病变等，其中终板塌陷、融合器下沉移位及椎体间骨不连是椎间融合手术最常见的并发症。2020年Chang S教授报道了一项前瞻性临床研究，发现术后1周和1年融合器沉降的发生率分别达14.6％和31.7％。终板塌陷常导致脊柱不稳、椎管狭窄、神经受压等病理生理改变，引起患者腰痛加剧、肢体麻木疼痛、肌力下降等，给病人造成严重的生理、心理创伤。多项研究证实终板塌陷、融合器下沉是多因素的，其中融合器的材料及结构设计缺陷是关键因素。
目前椎间融合器的材料分为金属和非金属两大类，包括钛合金、聚醚醚酮(PEEK)、碳纤维增强PEEK、钽合金等。钛合金的机械强度和力学性能优，临床上应用广泛，但由于其弹性模量与皮质骨弹性模量相差较大，易导致应力遮挡，应用逐年减少。PEEK材料的弹性模量接近于正常皮质骨的弹性模量，因此近年来PEEK材料的融合器的临床上应用增多，但PEEK椎间融合器的材质为不可降解、无成骨活性材料，在体内长期占位，导致融合率下降。Jun-Hao Tan研究发现钛合金椎间融合器的融合率是PEEK椎间融合器的2.12倍，但是钛合金融合器的下沉率也是PEEK融合器2.17倍。故此，我们提出了一种用于椎间融合器的3D打印复合材料及制备方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于椎间融合器的3D打印复合材料及制备方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于椎间融合器的3D打印复合材料，所述用于椎间融合器的3D打印复合材料包括以下重量份数的原料：45S生物玻璃40～60份、SrO 40～60份、盐酸多巴胺1～3份、Tris-HCl缓冲溶液20～60份、左旋聚乳酸(PLLA)3～6份、无水乙醇1～3份、蒸馏水3～5份。
优选的，所述SrO的质量百分比浓度为5-10％，所述45S生物玻璃的质量百分比浓度为5-10％。
一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：Sr/Bioglass复合及改性：将SrO和Bioglass按比例分散在Tris-HCl缓冲溶液中进行超声处理，然后向溶液中加入盐酸多巴胺，搅拌均匀，用去离子水过滤溶液并冲洗3次，以去除未粘附在Sr/Bioglass上的多巴胺，在60℃下干燥过夜后，得到Sr/Bioglass粉末；
S2：混合粉末制备：将Sr/Bioglass粉末加入含有无水乙醇的烧杯中进行超声处理，然后在悬浮液中加入左旋聚乳酸(PLLA)，搅拌、过滤悬浮液、干燥、机械研磨得到混合粉末；
S3：Sr/Bioglass/PLLA支架/融合器制备：该支架/融合器采用选择性激光烧结法(SLS)制备。
优选的，在所述S1中，所述超声处理时长为30min。
优选的，在所述S1中，所述加入盐酸多巴胺后需要在室温下搅拌5小时。
优选的，在所述S2中，所述超声处理时长为30min。
优选的，在所述S2中，用超声波振动和磁性搅拌处理30min。
优选的，在所述S2中，在60℃下干燥12小时。
优选的，在所述S3中，在整个烧结过程中保持以下工艺参数：激光功率2.3W，光点直径50μm，扫描速率100mm/s，扫描线间距1mm，粉末层厚度0.1mm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明制备得到的Sr/Bioglass/PLLA支架/融合器制备刚度及强度与人体相匹配、可控降解、具有调控炎症反应、促进成骨、抑制破骨的新型复合材料，通过Sr、PLLA、Bioglass复合材料的协同可促进成骨、加速椎间骨性融合、减少终板骨丢失的生物学机制，解决OLIF椎间融合术后终板塌陷、融合器下沉移位及椎体间骨不连的难题。
2、本发明基于有限元力学仿真及TPMS构建方法实现融合器“控形”与“控性”操作。首先优化融合器的外部仿生设计，使其与椎体终板保持最优的接触面，其次构建融合器的内部多孔结构，模拟松质骨结构，实现结构仿生与力学仿生；最后通过有限元分析及生物力学实验评估椎间融合器力学性能及其在降低终板应力的作用。
附图说明
图1为本发明一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法的流程图
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
一种用于椎间融合器的3D打印复合材料，所述用于椎间融合器的3D打印复合材料包括以下重量份数的原料：45S生物玻璃40份、SrO 40份、盐酸多巴胺1份、Tris-HCl缓冲溶液20份、左旋聚乳酸(PLLA)3份、无水乙醇1份、蒸馏水3份，所述SrO的质量百分比浓度为5wt％，所述45S生物玻璃的质量百分比浓度为10wt％。
一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：Sr/Bioglass复合及改性：将SrO和Bioglass按比例分散在Tris-HCl缓冲溶液中进行超声处理30min，然后向溶液中加入盐酸多巴胺，在室温下搅拌5小时，用去离子水过滤溶液并冲洗3次，以去除未粘附在Sr/Bioglass上的多巴胺，在60℃下干燥过夜后，得到Sr/Bioglass粉末；
S2：混合粉末制备：将Sr/Bioglass粉末加入含有无水乙醇的烧杯中进行超声处理30min，然后在悬浮液中加入左旋聚乳酸(PLLA)，用超声波振动和磁性搅拌处理30min、过滤悬浮液、在60℃下干燥12小时、机械研磨得到混合粉末；
S3：Sr/Bioglass/PLLA支架/融合器制备：该支架/融合器采用选择性激光烧结法(SLS)制备，在整个烧结过程中保持以下工艺参数：激光功率2.3W，光点直径50μm，扫描速率100mm/s，扫描线间距1mm，粉末层厚度0.1mm。
实施例2
一种用于椎间融合器的3D打印复合材料，所述用于椎间融合器的3D打印复合材料包括以下重量份数的原料：45S生物玻璃50份、SrO 50份、盐酸多巴胺2份、Tris-HCl缓冲溶液40份、左旋聚乳酸(PLLA)5份、无水乙醇2份、蒸馏水4份，所述SrO的质量百分比浓度为5wt％，所述45S生物玻璃的质量百分比浓度为10wt％。
一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：Sr/Bioglass复合及改性：将SrO和Bioglass按比例分散在Tris-HCl缓冲溶液中进行超声处理30min，然后向溶液中加入盐酸多巴胺，在室温下搅拌5小时，用去离子水过滤溶液并冲洗3次，以去除未粘附在Sr/Bioglass上的多巴胺，在60℃下干燥过夜后，得到Sr/Bioglass粉末；
S2：混合粉末制备：将Sr/Bioglass粉末加入含有无水乙醇的烧杯中进行超声处理30min，然后在悬浮液中加入左旋聚乳酸(PLLA)，用超声波振动和磁性搅拌处理30min、过滤悬浮液、在60℃下干燥12小时、机械研磨得到混合粉末；
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实施例3
一种用于椎间融合器的3D打印复合材料，所述用于椎间融合器的3D打印复合材料包括以下重量份数的原料：45S生物玻璃60份、SrO 60份、盐酸多巴胺3份、Tris-HCl缓冲溶液60份、左旋聚乳酸(PLLA)6份、无水乙醇3份、蒸馏水5份，所述SrO的质量百分比浓度为5wt％，所述45S生物玻璃的质量百分比浓度为10wt％。
一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：Sr/Bioglass复合及改性：将SrO和Bioglass按比例分散在Tris-HCl缓冲溶液中进行超声处理30min，然后向溶液中加入盐酸多巴胺，在室温下搅拌5小时，用去离子水过滤溶液并冲洗3次，以去除未粘附在Sr/Bioglass上的多巴胺，在60℃下干燥过夜后，得到Sr/Bioglass粉末；
S2：混合粉末制备：将Sr/Bioglass粉末加入含有无水乙醇的烧杯中进行超声处理30min，然后在悬浮液中加入左旋聚乳酸(PLLA)，用超声波振动和磁性搅拌处理30min、过滤悬浮液、在60℃下干燥12小时、机械研磨得到混合粉末；
S3：Sr/Bioglass/PLLA支架/融合器制备：该支架/融合器采用选择性激光烧结法(SLS)制备，在整个烧结过程中保持以下工艺参数：激光功率2.3W，光点直径50μm，扫描速率100mm/s，扫描线间距1mm，粉末层厚度0.1mm。
本发明制备得到的Sr/Bioglass/PLLA支架/融合器制备刚度及强度与人体相匹配、可控降解、具有调控炎症反应、促进成骨、抑制破骨的新型复合材料，通过Sr、PLLA、Bioglass复合材料的协同可促进成骨、加速椎间骨性融合、减少终板骨丢失的生物学机制，解决OLIF椎间融合术后终板塌陷、融合器下沉移位及椎体间骨不连的难题；本发明基于有限元力学仿真及TPMS构建方法实现融合器“控形”与“控性”操作。首先优化融合器的外部仿生设计，使其与椎体终板保持最优的接触面，其次构建融合器的内部多孔结构，模拟松质骨结构，实现结构仿生与力学仿生；最后通过有限元分析及生物力学实验评估椎间融合器力学性能及其在降低终板应力的作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种用于椎间融合器的3D打印复合材料，其特征在于：所述用于椎间融合器的3D打印复合材料包括以下重量份数的原料：45S生物玻璃40～60份、SrO 40～60份、盐酸多巴胺1～3份、Tris-HCl缓冲溶液20～60份、左旋聚乳酸(PLLA)3～6份、无水乙醇1～3份、蒸馏水3～5份。
2.根据权利要求1所述的一种用于椎间融合器的3D打印复合材料，其特征在于：所述SrO的质量百分比浓度为5-10％，所述45S生物玻璃的质量百分比浓度为5-10％。
3.根据权利要求1所述的一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：Sr/Bioglass复合及改性：将SrO和Bioglass按比例分散在Tris-HCl缓冲溶液中进行超声处理，然后向溶液中加入盐酸多巴胺，搅拌均匀，用去离子水过滤溶液并冲洗3次，以去除未粘附在Sr/Bioglass上的多巴胺，在60℃下干燥过夜后，得到Sr/Bioglass粉末；
S2：混合粉末制备：将Sr/Bioglass粉末加入含有无水乙醇的烧杯中进行超声处理，然后在悬浮液中加入左旋聚乳酸(PLLA)，搅拌、过滤悬浮液、干燥、机械研磨得到混合粉末；
S3：Sr/Bioglass/PLLA支架/融合器制备：该支架/融合器采用选择性激光烧结法(SLS)制备。
4.根据权利要求3所述的一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法，其特征在于：在所述S1中，所述超声处理时长为30min。
5.根据权利要求3所述的一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法，其特征在于：在所述S1中，所述加入盐酸多巴胺后需要在室温下搅拌5小时。
6.根据权利要求3所述的一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法，其特征在于：在所述S2中，所述超声处理时长为30min。
7.根据权利要求3所述的一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法，其特征在于：在所述S2中，用超声波振动和磁性搅拌处理30min。
8.根据权利要求3所述的一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法，其特征在于：在所述S2中，在60℃下干燥12小时。
9.根据权利要求3所述的一种用于椎间融合器的3D打印复合材料的制备方法，其特征在于：在所述S3中，在整个烧结过程中保持以下工艺参数：激光功率2.3W，光点直径50μm，扫描速率100mm/s，扫描线间距1mm，粉末层厚度0.1mm。
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