CN1613435A - 可控微管道结构支架的光固化快速成型间接制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控微管道结构支架的光固化快速成型间接制造方法，方法以计算机辅助设计(CAD)和光固化快速成型设备为基础，精确设计和控制支架内部微观结构，实现支架外形与内部可控微结构一体化制造。根据实际CT数据，应用三维CAD软件重构骨骼外形；依据利于细胞生长和促进成骨的原则，设计不同结构的支架内部微管道，控制微管道的尺寸、形状、走向、分支以及相互连通性。利用光固化快速成型设备构造相应的树脂模具，在模具中填充生物材料，待其固化后，通过热分解去除树脂模具，形成具有可控微结构的组织工程支架。
Description
技术领域
本发明属于光固化快速成型制造技术，涉及一种组织工程支架的制备，特别涉及可控微管道结构支架的光固化快速成型间接制造方法。
背景技术
众所周知，在骨组织工程中，支架作为细胞的临时载体，其外形不但要与所替代部位一致，而且内部微结构一定要满足如下条件：有利于细胞/组织长入，有利于营养成分和血液的供给，有利于气体的交换等。因骨骼的外形十分复杂，如果使用传统的加工方法来制造与骨骼外形相匹配的支架，是很困难的。传统支架的制孔方法(如：相分离/乳化、纤维粘接、溶液浇铸/粒子沥滤、熔融成型、气体发泡以及这几种方法的并用)应用已经十分广泛。但传统的支架制造方法存在着致命的缺点，主要表现为制造过程为人工操作，使用有毒的有机溶剂，很难制造出与骨骼相匹配的外形轮廓，无法准确控制支架内部微孔或微管道的分布、尺寸、空间走向、连通性等结构特征。
快速成型(Rapid Prototyping，RP)技术是近年来形成的一门新型制造技术，其最大的优势是直接由数字驱动，不受形状复杂程度的限制，直接成型三维实体。使用快速成型技术来制造骨组织工程支架不但可以避免上述缺点，而且还可以有效结合CAD技术，实现对支架结构的优化与仿生设计，以及对支架制造过程的精确控制。快速成型技术在支架构造方面的应用，国内外都已见报道，多数是利用熔融沉积(FDM)和三维打印(3DP)技术直接构造三维多孔支架。使用这类方法构造的支架，支架材料多数采用聚合物，因此缺乏足够得机械强度。不能作为承重部位的骨替代物。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种采用光固化快速成型制造技术间接制备可控微管道结构支架的方法。
实现上述目的的技术解决方案是，一种可控微管道结构支架的光固化快速成型间接制造方法，以临床CT数据和计算机辅助设计为基础，采用光固化快速成型设备并结合快速铸造制备可控微管道结构支架，其特征在于，包括下列步骤：
1)依据制备的部位相匹配的骨组织实际临床CT数据，应用CAD软件实现骨骼外形三维重构，设计支架内部微结构；
2)将上述CAD软件设计的实体数据转换成STL格式文件，经过Rpdata软件分层切片处理，生成光固化快速成型设备默认的格式文件，输入到光固化快速成型设备中；
3)由光固化快速成型设备制造出上述相应支架的树脂模具；并在上述树脂模具中填充生物材料，待其固化后烧结成型；
4)烧结成型后去除树脂模具，即可获得可控微管道结构支架。
本发明的方法克服了传统支架制造方法中外形构造困难、内部微管道结构不可控的缺点，利用CAD技术可以方便准确的设计出有利于细胞—组织长入和存活、有利于氧气和营养供给、有利于代谢物排出的三维空间结构。通过快速成型技术实现对制造过程的准确控制，从而构造出无论是外形还是内部微管道的形状、尺寸、分布、空间走向以及相互连通性都与设计完全相符的骨组织工程支架。
附图说明
图1是支架及其负型CAD模型图片；
图2是重构所得狗股骨远端外形以及所设计的内部微管道结构CAD模型图片；
图3是本发明的方法制备可控微结构支架流程图。
以下结合发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细描述。
具体实施方式
按照本发明的技术方案，本发明采用的CAD设计软件选用商业化三维CAD设计软件Unigraphics 18.0作为设计工具。所设计的支架为圆柱体，内部结构为轮辐形。直径14.5mm，高11.6mm；如图1a所示。相应的支架负型如图1b所示。其内部特征描述如下：x-y平面内是300μm×300μm的矩形通道，从支架中心沿径向延伸到外表面；z方向是直径为500μm的圆柱形通道从支架顶端一直贯串到底部，而且这些圆柱形通道在x-y平面内有环形通道将其连通。由这些微管道所产生的孔隙率为21.6％。
将支架负型CAD实体数据转换三角面片(STL)数据格式，经过Rpdata软件分层切片处理，生成快速成型默认格式文件后，输入到光固化快速成形设备(SPS600)，制造出相应的树脂原型模具。光固化快速成形设备的控制参数如下：
填充扫描速度Vs1＝5000mm/s
轮廓扫描速度Vs2＝3000mm/s
扫描间距Gs＝0.10mm
层厚Lh＝0.10mm
光斑直径D1＝0.2mm
激光光源：固体激光器(355nm波长)
将注射型自固化磷酸钙(Calcium phosphate cement，CPC)骨水泥生物材料填充到树脂模具中，待其固化后放入到高温箱式电阻炉，入炉温度为室温，升温速度设定为100℃/h，升至500℃后，将升温速度改为300℃/h，升至900℃，并保温180分钟，随炉冷却至室温后取出，即可去除树脂模具，得到与设计相符的可控微管道结构支架。
如果支架形状为方形，其内部结构为正交网架形，按照上述步骤也很容易得到与设计相符的可控微管道结构支架。
下面给出狗股骨远端仿生支架的具体实施例：
采用发明的方法制备狗股骨远端仿生支架的图片参见图2，其流程如图3所示。根据临床CT数据，经过一系列图像处理后，将连续的CT图片按顺序输入到Mimics软件，获取狗股骨远端点云数据，并以IGES格式文件存储，再将获取的点云数据输入到Surface软件进行曲面重构，由于股骨远端关节表面形状复杂，曲率变化大，加上所获取的点云数据存在一定偏差，如果单纯采用传统的构面方法，如：Loft、Sweep、Through Curve和Through CurveMesh等，都不能很有效地构建出高质量的关节曲面。因此应用点数据贴和自由曲面(fit freeform)和点数据与边界曲线建构曲面(fit freeform with cloud& boundary curve)这两种构面方式，完成关节曲面的三维重构，并以IGES格式文件存储。然后再输入到Unigraphics软件，进行骨外形三维实体重构，并依照利于细胞/组织生长、营养输送和促进成骨的原则设计内部微管道结构，主要包括内部微管道的分布、尺寸、形状、空间走向、分支、相互连通性。重构所得狗的股骨远端外形以及所设计的内部微管道结构CAD模型如图2所示。然后将这些CAD实体数据转换成STL格式文件，经过Rpdata软件分层切片处理，生成快速成型默认格式文件后，输入到光源特征为230-355nm光源的光固化快速成型设备，构造出相应的树脂模型。在树脂模具中填充自固化CPC生物材料，待其固化后放入到高温箱式电阻炉，入炉温度为室温，升温速度设定为100℃/h，升至500℃后，将升温速度改为300℃/h，升至900℃，使树脂模具被热分解，并保温180分钟，随炉冷却至室温后取出。从而形成外形与狗股骨远端个体化匹配，同时又具有可控微管道结构的三维多孔支架。
当然，采用本发明的方法的上述步骤即可制备任何形状的可控微管道结构支架。也可选用其它生物材料，如β-磷酸三钙(TCP)生物陶瓷，其烧结温度是1150℃；羟基磷灰石(HA)，其烧结温度是1250℃。当温度达到900℃时，树脂模具被热分解，再进一步烧结，得到可控微管道结构支架。
由于本发明采用了生物材料，能够制造出外形所替代部位相匹配、内部拥有利于细胞-组织生长微管道结构的生物活性人工骨支架。能够克服目前临床上应用十分广泛的金属(如：不锈钢、钛合金)骨替代物不能被人体吸收降解的缺点，具有生物活性的人工骨支架在植入体内后，生物材料不断降解，而与此同时新骨在支架微管道中不断生成，最终生物材料完全降解，而基于支架所新生的骨组织与体内原有的骨组织长在一起，形成一个新的有机整体。
Claims (6)
1.一种可控微管道结构支架的光固化快速成型间接制造方法，以临床CT数据和计算机辅助设计为基础，采用光固化快速成型设备并结合快速铸造制备可控微管道结构支架，其特征在于，包括下列步骤：
1)依据制备的部位相匹配的骨组织实际临床CT数据，应用CAD软件实现骨骼外形三维重构，设计支架内部微结构；
2)将上述CAD软件设计的实体数据转换成STL格式文件，经过Rpdata软件分层切片处理，生成光固化快速成型设备默认的格式文件，输入到光固化快速成型设备中；
3)由光固化快速成型设备制造出上述相应支架的树脂模具；并在上述树脂模具中填充生物材料，待其固化后热分解去模，并烧结成型；
4)热分解去除树脂模具并烧结成型后，即可获得可控微管道结构支架。
2.如权利1所述的方法，其特征在于，所述的光固化快速成型设备是光源特征为230-355nm光源的光固化快速成型设备。
3.如权利1所述的方法，其特征在于，所述的生物材料选自注射型自固化磷酸钙骨水泥、β-磷酸三钙生物陶瓷、羟基磷灰石之一。
4.如权利2所述的方法，其特征在于，所述的注射型自固化磷酸钙骨水泥的热分解去模温度为900℃，用于去除树脂模具。
5.如权利2所述的方法，其特征在于，所述的β-磷酸三钙生物陶瓷的烧结温度为1150℃，羟基磷灰石烧结温度是1250℃。
6.如权利1所述的方法，其特征在于，所述的支架外形为长方体或半圆柱体，其内部结构为正交网架形或轮辐形。
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