一种微孔复合生物陶瓷骨修复支架及其制备方法、装置
阅读说明：本技术 一种微孔复合生物陶瓷骨修复支架及其制备方法、装置 (Microporous composite biological ceramic bone repair support and preparation method and device thereof ) 是由 张凯宇 田凯月 李怀学 张晓彤 马晓辉 王琳 陈仁吉 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种微孔复合生物陶瓷骨修复支架及其制备方法、装置,包括由复合材料制成的修复支架本体,修复支架本体包括相叠加的若干层支架层,各支架层均设有若干个微米级微孔,各层之间的多个微孔构成若干个多面体,该复合材料以重量百分比计含：石墨烯1％-5％、氧化锆50％-60％、羟基磷灰石和β-磷酸三钙20％-40％,多面体之间通过微孔联接,利用石墨烯材料的导电性及高韧性,利用氧化锆的高强度及耐磨性,以及羟基磷灰石和β-磷酸三钙的良好骨诱导活性,使得新材料的物理性能,比如抗压强度、弹性模量、断裂韧性等指标更接近天然骨组织,能够承受较大应力发生形变而不发生断裂,并降低材料与邻近组织的磨损情况,同时具有更高的成骨诱导活性。(The invention discloses a micropore composite biological ceramic bone repair bracket and a preparation method and a device thereof, which comprises a repair bracket body made of composite materials, wherein the repair bracket body comprises a plurality of overlapped bracket layers, each bracket layer is provided with a plurality of micron-sized micropores, a plurality of polyhedrons are formed by a plurality of micropores between each layer, and the composite materials comprise the following components in percentage by weight: 1% -5% of graphene, 50% -60% of zirconia, 20% -40% of hydroxyapatite and beta-tricalcium phosphate, polyhedrons are connected through micropores, the physical properties of the new material, such as compressive strength, elastic modulus, fracture toughness and other indexes, are closer to those of natural bone tissues by utilizing the conductivity and high toughness of the graphene material, the high strength and wear resistance of the zirconia and the good bone induction activity of the hydroxyapatite and the beta-tricalcium phosphate, the new material can bear larger stress to deform without fracture, the abrasion condition of the material and adjacent tissues is reduced, and meanwhile, the new material has higher bone induction activity.)
技术领域
本发明涉及口腔颌面部骨缺损修复领域，尤其涉及的是一种微孔复合生物陶瓷骨修复支架及其制备方法、装置。
背景技术
目前骨缺损修复技术如下：
颌骨缺损的修复方法：如图8所示，口腔颌面部外伤、肿瘤、先天畸形以及感染等疾病常会导致颌面部骨组织的部分甚至整体性缺损。目前口腔颌面部骨组织缺损的患者，尤其是大范围骨缺损患者的治疗存在一系列难点问题，首先是骨组织缺损修复的问题，由于上下颌骨是形态不规则骨，而且骨组织缺损往往伴随颜面组织移位、畸形变形、骨愈合不良、骨不连、骨暴露等问题。在目前的临床医疗中，如图9中(a)处和(b)处、图10所示，较大的颌面部骨组织缺损常采用转移身体其他部位的皮瓣或骨组织来修复，既增加了手术复杂程度，也增加了患者的创伤，而且无法做到个性化修复上下颌骨外形，修复效果也不尽如人意。
骨缺损的修复材料：骨缺损的修复材料中，生物陶瓷类材料是目前生物活性最好，也是应用最多的材料。其中能够应用于3D打印制作的陶瓷材料多以单一成分，具有骨诱导活性的材料为主。但是单一成份的陶瓷类材料无论从生物力学性能和成骨性能方面来看，均与人体天然骨差异较大(如表1所示)，尤其在骨不连续、缺损区较大、咬合应力较大且应力集中的部位容易发生断裂，还不能很好地满足临床需要。因此，复合材料的研究应运而生。但是，目前陶瓷类复合材料的3D打印工艺比较复杂，对原材料的性状及打印条件的要求较高，尤其是在空间结构比较复杂的多孔(微孔)结构的3D打印方面，仍存在不少技术难点。
表1：骨组织与陶瓷材料的物理性能差异
通过表1可以看出，目前的单一成分的陶瓷类材料从生物力学性能，例如表中的指标弹性模量、断裂韧性、抗压强度和抗张强度等方面，与人体天然骨差异较大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种微孔复合生物陶瓷骨修复支架及其制备方法、装置。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种微孔复合生物陶瓷骨修复支架，包括由复合材料制成的修复支架本体，修复支架本体包括相叠加的若干层支架层，各支架层均设有若干个微米级微孔，各层之间的多个微孔构成若干个多面体。
优选的，该复合材料以重量百分比计含：石墨烯1％-5％、氧化锆50％-60％、羟基磷灰石和β-磷酸三钙20％-40％。
优选的，微孔的形状为三角形或四边形中的任意一种或多种。
优选的，多面体之间通过微孔联接，且多面体和微孔均可供人骨组织、细胞流通和贴附。
一种根据上述微孔复合生物陶瓷骨修复支架的制备方法，该制备方法包括：
S1:对颌骨区段缺损的CT影像数据进行采集；
S2：将采集的CT影像数据转化为数字化图像模型；
S3：根据数字化模型设计带有微米级多孔结构的虚拟骨修复支架；
S4：根据设计的虚拟修复支架，采用石墨烯与生物陶瓷材料相结合对微孔骨修复支架进行3D打印制作；
S5：将3D打印完成后的微孔骨修复支架进行烧结成型。
优选的，S4中包括：
S41：将打印材料按照重量百分比：石墨烯1％-5％、氧化锆50％-60％、羟基磷灰石和β-磷酸三钙20％-40％进行配比。
S42:由3D打印机根据制备的材料完成溶浆的喷涂，并光敏固化。
优选的，其中羟基磷灰石和β-磷酸三钙打印时的打印墨水的的配比按照重量百分比：羟基磷灰石20％-40％、β-磷酸三钙粉末20％-40％、稀柠檬酸和磷酸二氢钾5％-15％、二氧化硅和氧化锌5％-15％、石蜡微球5％-15％进行配比。
优选的，其中氧化锆打印时的打印墨水的配比按照重量百分比：石墨烯5％-10％、氧化锆60％-80％、无水乙醇、聚丙烯酸及聚丙烯酸铵5％-10％、聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮5％-10％、柠檬酸和油酸5-10％进行配比。
优选的，S42中，喷涂时，喷头的喷孔大小为140μm-160μm，行走速度为90mm/min-110mm/min。
优选的，S4中，微孔骨修复支架的修复支架层之间在3D打印机的X、Y、Z轴上的间隔均为100μm-400μm。
优选的，S4中，采用浆料直写成型或微立体光刻进行3D打印。
优选的，S2中：还需对数字化图像模型进行去噪处理，且去噪后的重建图像和原始图像以均方误差和峰值信噪比为测度指标进行量化比较。
一种根据上述微孔复合生物陶瓷骨修复支架的制备装置，包括：
数据采集部件：对颌骨区段缺损的CT影像数据进行采集；
数据转化部件：将采集的CT影像数据转化为数字化图像模型；
骨修复支架设计部件：根据数字化模型设计带有微米级多孔结构的虚拟骨修复支架；
骨修复支架打印部件：根据设计的虚拟修复支架，采用石墨烯与生物陶瓷材料相结合对微孔骨修复支架进行3D打印制作；
烧结成型部件：将3D打印完成后的微孔骨修复支架进行烧结成型。
优选的，数据采集部件、数据转化部件、骨修复支架设计部件、骨修复支架打印部件以及烧结成型部件之间为有线电连接、无线感应连接中的任意一种或多种。
优选的，石墨烯为高纯度石墨烯或氧化石墨烯。
通过采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：
1、通过调整石墨烯及生物陶瓷材料各组份的比例，利用石墨烯材料的导电性及高韧性，利用氧化锆的高强度及耐磨性，以及羟基磷灰石和β-磷酸三钙的良好骨诱导活性，使得新材料的物理性能，比如抗压强度、弹性模量、断裂韧性等指标更接近天然骨组织，能够承受较大应力发生形变而不发生断裂，并降低材料与邻近组织的磨损情况。
2、由于石墨烯材料的加入,提高了复合陶瓷材料的导电性，通过施加微电流刺激的辅助手段可以大幅提高成骨细胞的分化以及成骨效率，从而达到显著缩短临床愈合时间的目的。
3、采用高精度3D打印技术及设备，使得打印材料的微观结构越来越精密，以微纳尺度为代表的多孔微结构打印技术，极大地改善了材料的空间结构和生物学性能，修复支架本体包括相叠加的若干层支架层，各支架层均设有若干个微米级微孔，各层之间的多个微孔构成若干个多面体，使得微孔构成的多面体能够与组织细胞充分接触使打印的生物材料更有利于细胞组织的附着生长。
附图说明
图1为本发明微孔复合生物陶瓷骨修复支架的制备方法的流程示意图；
图2为本发明微孔复合生物陶瓷骨修复支架的制备方法S4中的流程示意图；
图3为本发明微孔复合生物陶瓷骨修复支架制备装置的结构示意图；
图4为本发明微孔复合生物陶瓷骨修复支架的结构示意图；
图5为本发明微孔复合生物陶瓷骨修复支架与下颌适配示意图；
图6为本发明微孔复合生物陶瓷骨修复支架的支架层连接结构示意图；
图7为本发明多面体结构示意图；
图8为下颌骨颏部区段性骨缺损示意图；
图9为传统方法以下肢腓骨肌皮瓣修复下颌骨过程示意图；
图10为传统方法以下肢腓骨肌皮瓣修复下颌骨缺损示意图；
图11为本发明微孔复合生物陶瓷骨修复支架修复颌骨缺损模拟图；
图12为本发明微孔复合生物陶瓷骨修复支架3D打印示意图；
图13为本发明面投影微立体光刻技术原理示意图。
主要附图标记说明：1制备装置，11数据采集部件，12数据转化部件，13骨修复支架设计部件，14骨修复支架打印部件，15烧结成型部件。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例来进一步说明本发明。
针对于现有技术中颌骨缺损的修复方法及修复材料所具有的劣势：①即现有技术中的修复方法中，较大的颌面部骨组织缺损常采用转移身体其他部位的皮瓣或骨组织来修复，既增加了手术复杂程度，也增加了患者的创伤，而且无法做到个性化修复上下颌骨外形，修复效果也不尽如人意；②即现有技术中的修复材料中，单一成份的陶瓷类材料无论从生物力学性能和成骨性能方面来看，均与人体天然骨差异较大，尤其在骨不连续、缺损区较大、咬合应力较大且应力集中的部位容易发生断裂，还不能很好地满足临床需要，提出了本发明的技术方案和构思。
[根据本发明实施例的微孔复合生物陶瓷骨修复支架]
修复支架的结构
如图4所示，包括由复合材料制成的修复支架本体，如图6所示，修复支架本体包括相叠加的若干层支架层，各支架层均设有若干个微米级微孔，各层之间的多个微孔构成若干个多面体，多面体之间通过微孔联接，且多面体和微孔均可供人骨组织、细胞流通和贴附，极大地改善了材料的空间结构和生物学性能，使复合材料更有利于细胞组织的附着生长。例如，可以根据需要制成2层支架层，甚至是成千上万个支架层，只要能够满足修复支架本体的尺寸需求即可。各支架层均设有若干个微孔，微孔的数量不受限制，只要能够在空间内进行延展以满足尺寸需求即可。
进一步的，如图7所示，微孔的形状为三角形或四边形中的任意一种或多种，三角形的微孔可以提高多面体的稳定性，四边形的微孔便于人骨组织、细胞的流通，，然而本发明不限于此，微孔的形状不限于此，可以是例如六边形等的多边形，只要能够实现便于人骨组织、细胞的流通即可。具体地，骨修复支架相应的孔隙大小(例如，孔隙大小为微米级(100-400微米))及孔隙率可以根据需要进行设计。
修复支架的复合材料
该复合材料以重量百分比计含：石墨烯1％-5％、氧化锆50％-60％、羟基磷灰石和β-磷酸三钙20％-40％；由于石墨烯材料的加入,提高了复合陶瓷材料的导电性，通过施加微电流刺激的辅助手段可以大幅提高成骨细胞的分化以及成骨效率，从而达到显著缩短临床愈合时间的目的。
[根据本发明实施例的微孔复合生物陶瓷骨修复支架的制备方法]
如图1所示，该制备方法包括：
S1:对颌骨区段缺损的CT影像数据进行采集；数据可为螺旋CT或CBCT影像学数据，扫描层厚为0.2-0.625mm，便于得到清晰的CT影响数据。
S2：将采集的CT影像数据转化为数字化图像模型；采用目前常用的商业化图像处理软件，建立颌骨缺损区的数字化三维图像模型，分别显示骨缺损区软硬组织的形态及厚度等指标，通过软硬组织的形态及厚度等指标，便于对数字化图像模型进行数据分析。
S3：根据数字化模型设计带有微米级多孔结构的虚拟骨修复支架；同时根据匹配的3D打印设备的精密程度来设计孔隙大小以及孔隙率相适配的虚拟骨修复支架，便于3D打印设备进行打印。
S4：根据设计的虚拟修复支架，采用石墨烯与生物陶瓷材料相结合对微孔骨修复支架进行3D打印制作，进一步的，石墨烯可为高纯度石墨烯或氧化石墨烯，氧化石墨烯上的含氧官能团增多而使性质更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。
S5：将3D打印完成后的微孔骨修复支架进行烧结成型。
进一步的，如图2所示，S4中包括：
S41：将打印材料配比按照：将打印材料按照重量百分比：石墨烯1％-5％、氧化锆50％-60％、羟基磷灰石和β-磷酸三钙20％-40％进行配比；
其中羟基磷灰石和β-磷酸三钙打印时的打印墨水的的配比按照重量百分比：羟基磷灰石20％-40％、β-磷酸三钙粉末20％-40％、稀柠檬酸和磷酸二氢钾5％-15％、二氧化硅和氧化锌5％-15％、石蜡微球5％-15％进行配比。
其中氧化锆打印时的打印墨水的配比按照重量百分比：石墨烯5％-10％、氧化锆60％-80％、无水乙醇、聚丙烯酸及聚丙烯酸铵5％-10％、聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮5％-10％、柠檬酸和油酸5-10％进行配比。
S42:由3D打印机根据制备的材料和打印墨水完成溶浆的喷涂，并光敏固化。
进一步的，S44中，喷涂时，喷头的喷孔大小为140μm-160μm，行走速度为90mm/min-110mm/min。
进一步的，微孔骨修复支架的修复支架层之间在3D打印机的X、Y、Z轴上的间隔均为100μm-400μm。
进一步的，S4中，如图12所示，采用浆料直写成型或微立体光刻进行3D打印，作为优选的，如图13所示，本实施例中采用微立体光刻进行3D打印，微立体光刻采用更小的激光光斑(几个微米)，树脂在非常小的面积便可发生光固化反应。
进一步的，S2中，还需对数字化图像模型进行去噪处理，且去噪后的重建图像和原始图像以均方误差和峰值信噪比为测度指标进行量化比较，以明确经过处理后的CT重建图像的优化程度，对操作软件进行调整，并反馈调整拍照参数，以获得更清晰准确的CT影像。
随着3D打印技术(增材制造Additive manufacturing,AM)逐渐应用于医学领域，通过数字化成像技术结合医学影像资料，可以模拟重建人体局部组织的三维影像，根据组织缺损的具体情况设计个性化的修复体，不但简化了修复体的设计制作过程，还大大提高了肌体外形及功能的修复效果，既降低了手术难度，缩短了手术时间，提升了外形修复的效果，也减轻了患者所承受的痛苦及创伤。
[根据本发明实施例的一种微孔复合生物陶瓷骨修复支架的制备装置1]
一种微孔复合生物陶瓷骨修复支架的制备装置1，如图3所示，包括
数据采集部件11：对颌骨区段缺损的CT影像数据进行采集；数据可为螺旋CT或CBCT影像学数据，扫描层厚为0.2mm-0.625mm，便于得到清晰的CT影响数据。
数据转化部件12：将采集的CT影像数据转化为数字化图像模型；采用目前常用的商业化图像处理软件，建立颌骨缺损区的数字化三维图像模型，分别显示骨缺损区软硬组织的形态及厚度等指标，通过软硬组织的形态及厚度等指标，便于对数字化图像模型进行数据分析。
骨修复支架设计部件13：根据数字化模型设计带有微米级多孔结构的虚拟骨修复支架；同时根据匹配的3D打印设备的精密程度来设计孔隙大小以及孔隙率相适配的虚拟骨修复支架，便于3D打印设备进行打印。
骨修复支架打印部件14：根据设计的虚拟修复支架，采用石墨烯与生物陶瓷材料相结合对微孔骨修复支架进行3D打印制作。
烧结成型部件15：将3D打印完成后的微孔骨修复支架进行烧结成型。
进一步的，数据采集部件11、数据转化部件12、骨修复支架设计部件13、骨修复支架打印部件14以及烧结成型部件15之间为有线电连接、无线感应连接中的任意一种或多种。
进一步的，石墨烯为高纯度石墨烯或氧化石墨烯；氧化石墨烯上的含氧官能团增多而使性质更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。
实施例1
微孔骨修复支架的数字化设计：通过数据采集部件11采集颌骨区段缺损的螺旋CT或CBCT影像学数据，扫描层厚为0.425mm，可获得清晰的影像学数据，便于进行数据转化与图像处理软件整合，采用数据转化部件12(商业化图像处理软件)建立颌骨缺损区的数字化三维图像模型，分别显示骨缺损区软硬组织的形态及厚度等指标，同时针对数字化三维成像后影像失真或噪点干扰的问题，通过均值滤波进行去燥处理，应用信号均方误差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)两种图像质量评价标准，对去噪后的重建图像和原始图像以均方误差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)为测度指标进行量化比较，以明确经过处理后的CT重建图像的优化程度，对操作软件进行调整，并反馈调整拍照参数，以获得更清晰准确的CT影像；骨缺损区的虚拟修复体设计为精密均匀的微米级多孔结构，根据匹配的3D打印设备的精密程度，通过骨修复支架设计部件13设计骨修复支架相应的孔隙大小及孔隙率为300μm。
通过骨修复支架打印部件143D打印制作微孔骨修复支架时采用氧化石墨烯与生物陶瓷材料(氧化锆，羟基磷灰石，β-磷酸三钙)相结合的方式，氧化石墨烯上的含氧官能团增多而使性质更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质，配比数据为(按重量比)：石墨烯3％、氧化锆58％、羟基磷灰石和β-磷酸三钙39％，采用微立体光刻3D打印方法，按照三维建模设计的微孔骨修复支架模式，微立体光刻根据层面成型固化方式的不同划分为:扫描微立体光刻技术和面投影微立体光刻技术，本实施例中采用面投影微立体光刻技术，如图13所示，利用分层软件对三维的CAD数字模型按照一定的厚度进行分层切片，每一层切片被转化为位图文件，每个位图文件被输入到动态掩模，根据显示在动态掩模上的图形每次曝光固化树脂液面一个层面。
采用上述微孔复合生物陶瓷骨修复支架的制备方法所制备的微孔复合生物陶瓷骨修复支架，如图4所示，如图5所示，包括与颌骨区段缺损形态相适配的修复支架本体，如图6所示，修复支架本体包括相叠加的若干层支架层，各支架层均设有若干个微米级微孔，如图7所示，各层之间的多个微孔构成若干个多面体，多面体之间通过微孔联接，且多面体和微孔均可供人骨组织、细胞流通和贴附，通过多面体结构便于修复支架本体与组织细胞充分接触使打印的生物材料更有利于细胞组织的附着生长，微孔形状为四边形；孔的面积大小为0.08mm2四边形的微孔便于细胞组织与修复支架充分接触，打印制作形态与骨缺损区相吻合的精细的微孔，石墨烯、氧化锆、羟基磷灰石及β-磷酸三钙的复合材料模型；利用配比(重量百分比)为：羟基磷灰石35％、β-磷酸三钙粉末35％、稀柠檬酸和磷酸二氢钾10％、二氧化硅和氧化锌10％、石蜡微球10％制备β-磷酸三钙打印墨水；利用配比(重量百分比)为：石墨烯6％、氧化锆76％、无水乙醇、聚丙烯酸及聚丙烯酸铵6％、聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮6％、柠檬酸和油酸6％制备氧化锆打印墨水；选用150μm喷头，行走速度为100mm/min，层与层之间在X、Y、Z轴上的间隔为100-400μm，由3D打印机完成溶浆的喷涂光敏固化后，支架通过烧结成型部件15在特定温度下烧结成型；制造一种结构精细的新型复合陶瓷类多孔结构骨修复支架，如图13所示，该支架经过陶瓷烧结的流程使其强度及稳定性提升到接近天然骨骼组织的标准，能够承受较大应力发生形变而不发生断裂。
实施例2-3
如表2所示，与实施例1的区别在于:打印材料的各组分重量百分比以及羟基磷灰石、β-磷酸三钙和氧化锆的打印墨水组分重量百分比的不同，其他技术方案与实施例1相同。
表2：实施例1-33D打印材料、羟基磷灰石和β-磷酸三钙打印墨水以及氧化锆打印墨水各组分重量百分比对比表
综上所述，通过调整石墨烯及生物陶瓷材料各组份的比例，利用石墨烯材料的导电性及高韧性，利用氧化锆的高强度及耐磨性，以及羟基磷灰石和β-磷酸三钙的良好骨诱导活性，使得新材料的物理性能，比如抗压强度、弹性模量、断裂韧性等指标更接近天然骨组织，能够承受较大应力发生形变而不发生断裂，并降低材料与邻近组织的磨损情况。
由于石墨烯材料的加入,提高了复合陶瓷材料的导电性，通过施加微电流刺激的辅助手段可以大幅提高成骨细胞的分化以及成骨效率，从而达到显著缩短临床愈合时间的目的。
用高精度3D打印技术及设备，使得打印材料的微观结构越来越精密，以微纳尺度为代表的多孔微结构打印技术，极大地改善了材料的空间结构和生物学性能，修复支架本体包括相叠加的若干层支架层，各支架层均设有若干个微米级微孔，各层之间的多个微孔构成若干个多面体，使得微孔构成的多面体能够与组织细胞充分接触使打印的生物材料更有利于细胞组织的附着生长。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例而已，不能限定本发明的范围，凡是依本发明申请专利范围所作的均等变化与装饰，皆应仍属于本发明涵盖的范围内。