阅读说明：本技术 一种3d打印超弹性人工骨及其制备方法 (3D printing super-elastic artificial bone and preparation method thereof ) 是由 兰海 王晓东 龙旭东 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：一种3D打印超弹性人工骨制备方法包括如下步骤：步骤1、将纳米羟基磷灰石粉末和聚己内酯颗粒在40℃的干燥箱内干燥24小时,备用；步骤2、采用熔融共混法制备纳米羟基磷灰石/聚己内酯共混物；步骤3、将共混物颗粒投放到3D打印线材专用挤出机加工成细丝,挤出温度为80℃,得到直径为1.75±0.2mm的3D打印线材；步骤4、用Solidworks软件设计骨组织工程支架模型；步骤5、制得具有良好力学性能及生物相容性的纳米羟基磷灰石/聚己内酯骨组织工程支架。(A preparation method of 3D printing super-elastic artificial bone comprises the following steps: step 1, drying the nano hydroxyapatite powder and the polycaprolactone particles in a drying oven at 40 ℃ for 24 hours for later use; step 2, preparing a nano hydroxyapatite/polycaprolactone blend by a melt blending method; step 3, putting the blend particles into a special extruder for the 3D printing wire rod to be processed into filaments, wherein the extrusion temperature is 80 ℃, and obtaining the 3D printing wire rod with the diameter of 1.75 +/-0.2 mm; step 4, designing a bone tissue engineering scaffold model by using Solidworks software; and 5, preparing the nano hydroxyapatite/polycaprolactone bone tissue engineering scaffold with good mechanical property and biocompatibility.)

一种3D打印超弹性人工骨及其制备方法

技术领域

本发明涉及骨科3D打印技术领域，具体为一种3D打印超弹性人工骨及其制备方法。

背景技术

原来采用传统化学和物理的方法来制造材料支架，制备出的孔隙率无法控制大小，理化性和生物相容性无法满足临床需要。现通过3D打印技术可控制超弹性材料骨的孔隙率，使打印出的超弹性骨骼材料组织具有精准的孔隙率满足临床需要。然而一些低配的3D打印设备没有外壳，其材料盘也外露在外，其会积累灰尘，从而影响打印品的孔隙率。鉴于此，我们提出一种新型超弹性骨材料3D打印设备。

骨缺损患者的骨修复做出贡献。长期以来，创伤或肿瘤造成的骨缺损的修复一直未得到有效地解决，常导致患者残疾或畸形，严重影响患者的生活质量和身心健康，是目前骨科所面临的常见临床治疗难题。采用有效的植骨方式是解决这一问题的关键所在。通过3D 打印超弹性骨材料组织工程人工骨治疗骨缺损，超弹性骨材料组织工程人工骨不仅具有天然骨相近的力学性能，能提供一定的强度，同时能有效地促进新骨形成。本专利构建的人工骨有望成为骨缺损修复的有效生物材料，基于3D打印技术构建超弹性骨材料组织工程人工骨有望成为骨缺损患者的有效治疗方法，该技术有希望解决骨缺损修复的难题，从而提高患者生活质量，有效减轻患者及家属巨大的经济负担。

发明内容

本发明的目的在于提供一种及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种3D打印超弹性人工骨制备方法包括如下步骤：

步骤1、将纳米羟基磷灰石粉末和聚己内酯颗粒在40℃的干燥箱内干燥24小时，备用；

步骤2、采用熔融共混法制备纳米羟基磷灰石/聚己内酯共混物。先在10r/min转速下密炼5min，按1:3比例称取纳米羟基磷灰石粉末和聚己内酯颗粒，机械搅拌混合均匀后，置于转矩流变仪中，再以转子转速100r/min，160℃下共混8min，待转矩水平后停止，即得纳米羟基磷灰石/聚己内酯共混物；

步骤3、将共混物颗粒投放到3D打印线材专用挤出机加工成细丝，挤出温度为80℃，得到直径为1.75±0.2mm的3D打印线材；

步骤4、用Solidworks软件设计骨组织工程支架模型；

步骤5、得到的打印线材经由3D打印机打印出计算机辅助设计的骨组织工程支架，3D打印机打印参数设置如下：195℃打印温度，0.4mm喷头内径，0.4MPa打印气压，10mm/s 打印速度，制得具有良好力学性能及生物相容性的纳米羟基磷灰石/聚己内酯骨组织工程支架。

一种3D打印超弹性人工骨，其特征在于包括：横向挤出结构5、纵向挤出结构6和层间连接点7，横向挤出结构5之间通过纵向挤出结构6连接成单位层堆，单位层堆之间通过层间连接点7连接成整体。

一种3D打印超弹性人工骨3D打印设备，包括底架1及其顶面焊接的门框式支架10，所述支架10的前侧安装有导杆系统架11，所述支架10的顶端安装有控制器2，其特征在于：所述支架10的顶端设置有材料盘3，所述材料盘3的中间凹面上缠绕有呈丝状的超弹性骨骼材料30，所述材料盘3的下方设置有清理座板4，所述清理座板4呈L型结构且一侧面中心设有圆环台40，所述圆环台40的内部紧密卡接有轴承41，所述轴承41的内圈内部插接有旋柱42，所述旋柱42的一端面对称设有凸块420，所述凸块420前端活动连接有清理套43，所述清理套43的内部套接有高密度海绵430，所述超弹性骨骼材料30与所述高密度海绵430的内部插接。

所述导杆系统架11的X轴上安装有打印头110，所述打印头110的内部穿过所述有超弹性骨骼材料30。

所述控制器2的内部主板上安装有孔隙率计算系统模块20，所述控制器2的外侧面安装有孔隙率调节按钮21。

所述材料盘3的一端套接有固定套板31，所述固定套板31与所述支架10通过螺栓固定连接，所述材料盘3的另一端设置有限位旋盖32。

所述清理座板4卡接于所述支架10的棱边处且通过螺栓固定连接。

所述凸块420的前端侧面开设有通孔421，所述清理套43的一侧中心处设有套环431，所述套环431置于两个所述凸块420之间且内部均插接有销钉44。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的社会效益在于为骨缺损患者的骨修复做出贡献。长期以来，创伤或肿瘤造成的骨缺损的修复一直未得到有效地解决，常导致患者残疾或畸形，严重影响患者的生活质量和身心健康，是目前骨科所面临的常见临床治疗难题。采用有效的植骨方式是解决这一问题的关键所在。通过3D打印超弹性骨材料组织工程人工骨治疗骨缺损，超弹性骨材料组织工程人工骨不仅具有天然骨相近的力学性能，能提供一定的强度，同时能有效地促进新骨形成。本发明构建的人工骨有望成为骨缺损修复的有效生物材料，基于3D打印技术构建超弹性骨材料组织工程人工骨有望成为骨缺损患者的有效治疗方法，该技术有希望解决骨缺损修复的难题，从而提高患者生活质量，有效减轻患者及家属巨大的经济负担。

本发明制备的3D打印技术构建超弹性骨材料组织工程人工骨的特点：

①具有良好的生物相容性：人工骨的材料无毒、不致畸，利于种子细胞黏附、增殖，降解产物无毒害作用，不引起炎症反应等。

②具有良好的生物降解性：人工骨在完成支撑作用后能降解，降解速率应与组织细胞生长率相适应。

③具有三维多孔结构：通过3D打印技术构建的超弹性骨材料组织工程人工骨具有合适的孔径、高孔隙率，较高的内比表面积以及孔道间的相互贯穿性，有利于细胞黏附生长，血管和神经长人，又有利于营养成分的渗入和代谢产物排出。

④具有良好的可塑性：通过3D打印技术构建的超弹性骨材料组织工程人工骨可根据骨缺损情况预先制作成特定的形状。

⑤具有一定的机械强度：人工骨可为新生组织提供支撑，并保持一定时间直至新生组织具有自身生物力学特性。

⑥具有良好生物相容性：人工骨利于细胞黏附、增殖，更重要的是能激活细胞特异基因表达，维持细胞正常表型表达。

本发明制备技术的创新性：采用熔融共混联合3D打印技术制备超弹性骨材料组织工程人工骨，该项技术可以根据医学影像和组织结构的数字化信息处理，根据个体情况直接一次性成型所需要的人工骨。不仅可以提供更多的材料选择，还可以实现人工骨的空间多维化及表面生物孔隙处理，在解决以往大块实体的弊端的同时实现轻量化，更接近生生物特性，从而获得更好的相容性，进一步减低了并发症出现的可能，提高患者术后生活质量，具有重大的应用价值。与传统制备方法相比，该项人工骨制备技术不需要有机溶剂，可最大限度消除氯仿等有机溶剂诱发的肝、肾毒性和致畸性，同时克服了传统方法制备的人工骨存在溶剂残留、孔洞形状难以控制、制备过程复杂、细胞相容性差、细胞不易长入粘附等缺点。且可以按骨缺损的形状大小，制作出相应的骨组织工程支架，这是其他传统的制作方法无法比拟的。

人工骨的创新性：本发明的人工骨采用纳米羟基磷灰石/聚己内酯为原材料制备骨组织工程支架，纳米羟基磷灰石与天然骨的成分相似，对骨生长酶及蛋白的分泌具有促进作用，聚己内酯的力学性能较好。制备得到的骨组织工程支架，可集合两种材料的优点，与传统支架相比，具有较好的力学性能、细胞相容性。

该新型超弹性骨材料3D打印设备及工艺，通过操控安装了孔隙率计算系统模块的控制器，并使用孔隙率调节按钮进行调节，使打印的超弹性骨骼材料组织的孔隙率得到精准控制；同时通过在材料盘下方设置了清理座板，通过将丝状的超弹性骨骼材料穿过清理套中，随着设备的打印，超弹性骨骼材料便不断被挤出打印头，从而经清理套中高密度海绵擦拭，使得打印品无杂质，从而利于成品孔隙率的控制。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的控制器结构示意图；

图3为本发明的材料盘分解图；

图4为本发明的清理座板整体结构示意图；

图5为本发明的清理座板***图。

图6为本发明的产品实际产品示意图之一。

图7为本发明的产品实际产品示意图之二。

图中各个标号的意义为：

1、底架；10、支架；11、导杆系统架；110、打印头；2、控制器；20、孔隙率计算系统模块；21、孔隙率调节按钮；3、材料盘；30、超弹性骨骼材料；31、固定套板；32、限位旋盖；4、清理座板；40、圆环台；41、轴承；42、旋柱；420、凸块；421、通孔； 43、清理套；430、高密度海绵；431、套环；44、销钉。5、横向挤出结构；，6、纵向挤出结构；7、层间连接点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“中心线”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“深度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备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，另外在本发明的描述中，“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1-图7，本发明提供一种技术方案：

一种3D打印超弹性人工骨，其特征在于包括：横向挤出结构(5)、纵向挤出结构(6)和层间连接点(7)，横向挤出结构(5)之间通过纵向挤出结构(6)连接成单位层堆，单位层堆之间通过层间连接点(7)连接成整体。

一种新型超弹性骨材料3D打印设备，为了避免打印品内有灰尘等颗粒物的杂质，本发明人设置了清理座板4。其包括底架1及其顶面焊接的门框式支架10，支架10的前侧安装有导杆系统架11，其分为X轴和Y轴导杆，使得打印头110上下左右运动。支架10 的顶端安装有控制器2，用于控制设备的运行和调节打印参数。支架10的顶端设置有材料盘3，材料盘3的中间凹面上缠绕有呈丝状的超弹性骨骼材料30。材料盘3的下方设置有清理座板4，清理座板4呈L型结构且一侧面中心设有圆环台40，圆环台40的内部紧密卡接有轴承41，轴承41的内圈内部插接有旋柱42，使得旋柱42能左右自由旋转。旋柱 42的一端面对称设有凸块420，凸块420前端活动连接有清理套43，使清理套42能前后自由摆动。清理套43的内部套接有高密度海绵430，并粘接使其牢固。超弹性骨骼材料 30与高密度海绵430的内部插接，便于擦拭掉其表面的颗粒物。

本实施例中，清理座板4采用PP材质制成一体成型结构，其质轻、韧性好且强度刚硬，使其经久耐用。其中清理套43可以备用多个，顶出销钉44，便可更换清理套43，清洗其内部的高密度海绵430。其中超弹性骨骼材料30的成分与骨骼成分相近，在医用中用于制造出骨骼的替代物。

进一步的，导杆系统架11的X轴上安装有打印头110，打印头110的内部穿过有超弹性骨骼材料30，打印头110可熔化其内部的超弹性骨骼材料30，使其呈熔融状态而叠加在底架1上安装的工作台上，从而3D成型。

具体的，控制器2的内部主板上安装有孔隙率计算系统模块20，用于计算打印品的孔隙率，保证成品的强度和韧性。控制器2的外侧面安装有孔隙率调节按钮21，用于调节孔隙率的相关参数。

具体的，材料盘3的一端套接有固定套板31，固定套板31与支架10通过螺栓固定连接，材料盘3的另一端设置有限位旋盖32，限位旋盖32与固定套板31螺纹连接，使得材料盘3在固定套板31的中心圆柱上自由旋转，使得超弹性骨骼材料30稳定被拉出。

除此之外，清理座板4卡接于支架10的棱边处且通过螺栓固定连接，使其稳固。

需要补充的是，凸块420的前端侧面开设有通孔421，清理套43的一侧中心处设有套环431，套环431置于两个凸块420之间且内部均插接有销钉44，其中套环431的内径大于销钉44的外径，使得清理套43能在两个凸块420之间前后摆动。

本发明的新型超弹性骨材料3D打印设备在打印前，将超弹性骨骼材料30穿过清理套 43内的高密度海绵430中，再插接到打印头110中，通过接通控制器2的电源使其工作，再通过调节孔隙率调节按钮21进行孔隙率参数的设定即可；随着设备的打印工作，超弹性骨骼材料30便不断被挤出打印头110，从而经清理套43中高密度海绵430擦拭，使得打印品无杂质，从而利于打印品的孔隙率控制。

一种新型超弹性骨材料3D打印工艺包括如下步骤：

步骤1、将纳米羟基磷灰石粉末和聚己内酯颗粒在40℃的干燥箱内干燥24小时，备用；

步骤2、采用熔融共混法制备纳米羟基磷灰石/聚己内酯共混物。先在10r/min转速下密炼5min，按1:3比例称取纳米羟基磷灰石粉末和聚己内酯颗粒，机械搅拌混合均匀后，置于转矩流变仪中，再以转子转速100r/min，160℃下共混8min，待转矩水平后停止，即得纳米羟基磷灰石/聚己内酯共混物；

步骤3、将共混物颗粒投放到3D打印线材专用挤出机加工成细丝，挤出温度为80℃，得到直径为1.75±0.2mm的3D打印线材；

步骤4、用Solidworks软件设计骨组织工程支架模型；

步骤5、得到的打印线材经由3D打印机打印出计算机辅助设计的骨组织工程支架，3D打印机打印参数设置如下：195℃打印温度，0.4mm喷头内径，0.4MPa打印气压，10mm/s 打印速度。制得具有良好力学性能及生物相容性的纳米羟基磷灰石/聚己内酯骨组织工程支架。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，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。