[发明专利]基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法

说明书

技术领域

本发明属于制造工程领域，特别涉及一种基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法。

背景技术

由创伤、肿瘤、先天畸形等因素造成的大面积骨缺损是临床面临的难题，据统计，全世界每年实施的骨缺损修复手术超过220万例，我国每年骨缺损或骨损伤的患者约有350万，全国肢体不自由患者1500万人以上，其中由于缺乏重建手术和骨替代材料，导致300万人截肢。我国每年个体匹配骨骼的市场总额至少在五千万元以上。骨组织工程为骨缺损的永久性修复提供了全新的思路。而构建综合性能优良的骨组织工程支架是实现骨缺损最终修复的关键。

材料方面，生物陶瓷、可降解聚合物已被证实难以单独满足多孔骨支架的力学强度要求，近年来重点研究的生物陶瓷/高分子复合材料，改善了支架的初始强度，但降解过程中陶瓷与高分子存在相分离倾向，导致机械强度迅速丧失。镁及其合金具备常规金属所缺乏的降解性，体内安全性高，通过调节孔隙率和孔径可满足不同部位骨缺损的强度要求，具有成为新型骨组织工程支架材料的潜力，但存在生理环境下腐蚀过快的问题。可见，单从材料学角度出发，可一定程度上提高支架的初始力学强度，却难以解决其体液环境中的结构与力学稳定性问题。材料只有在合适的结构中才能最大限度发挥其优越的性能，但是目前对支架力学功能的研究主要集中于优化结构单元几何形状，这种单一的设计可以提高支架的初始强度，但未考虑体液环境下的力学稳定性要求。

发明内容

本发明的目的在于针对目前存在的骨支架植入早期力学强度与稳定性不足，强度退化率与骨重建过程不匹配的问题，提供一种基于光固化和凝胶注模的镁合金/生物陶瓷骨支架及其成型方法。本发明成型的产品是镁合金/生物陶瓷“芯/壳”复合结构骨支架，在生物陶瓷中构建相互连通的管路结构，使初级管路满足组织生长与营养代谢的需要，管路内填充镁合金用于增强复合支架的早期力学性能，随着镁合金被腐蚀降解，填充镁合金的管路变为相互连通的孔道，满足组织生长与营养代谢需要。

为了达到上述目的，本发明的制备工艺为：

1)首先根据患者骨缺损部位的具体情况借助于反求工程和CAD技术进行骨缺损部位外形相关性和微结构仿生设计，并利用CAE分析软件对支架的受力以及内部形变与流体力学特性和结构进行修改形成具有连通的内部微结构的仿生支架的CAD模型；；

2)采用分层软件对仿生支架的CAD模型进行分层，分层厚度为0.10mm，根据分层后的结果利用光固化成型机制作支架负形树脂模具；

3)将陶瓷粉末、水溶剂、有机单体、分散剂和交联剂按110-120∶60-80∶6-8∶1-2∶1-1.5的质量比混合均匀，放入真空机中去除气泡，并用浓氨水调整使混合物的pH＝9得到浆料，再在浆料中分别加入交联剂质量0.2-0.5倍的引发剂和催化剂形成陶瓷浆料；

4)将陶瓷浆料填充到负形树脂模具中，冷冻干燥后去模、高温烧结得到具有相互连通管路结构的多孔生物陶瓷框架；

5)将熔融镁合金通过真空吸铸的方法浇铸到制作成的生物陶瓷框架的孔隙结构型腔中，冷却凝固后得到镁合金/生物陶瓷复合结构骨支架。

所说的光固化成型机的激光器的波长为355nm；光斑直径为0.2mm；填充扫描速度为5000mm/s；填充向量间距为0.10mm；支撑扫描速度为2000mm/s；跳跨速度为8000mm/s；轮廓扫描速度为3000mm/s；补偿直径为0.12mm；工作台升降速度为4.00mm/s；点支撑扫描时间为0.50ms；纹结构扫描时间为0.50ms。

所说的水溶剂为去离子水；陶瓷粉末为Beta-磷酸三钙(β-TCP)、Alpha-磷酸三钙(α-TCP)、磷灰石、碳酸钙或氧化铝；有机单体为丙烯酰胺、甲基-酰氧乙基三甲基氯化铵或己二酸二酰肼；交联剂为N，N-二亚甲基二丙烯酰胺、N，N-二丙酮基丙烯酰胺或二亚苄基丙酮基丙烯酰胺，分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酸铵，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾，催化剂为N，N，N’N’-四甲基乙二胺、N，N-二甲基环己胺或N，N，N’，N″，N″-五甲基二乙烯三胺。

所述的熔融镁合金是通过真空吸铸的方法浇注到陶瓷支架中的，在浇注过程中利用六氟化硫(SF6)作为保护气体，使浇注环境充满六氟化硫以避免熔融镁液与空气接触。

按照本发明的成型方法制成的镁合金/生物陶瓷仿生复合支架的内部微结构由相互连通的管路组成，在管路内填充镁合金，用于增强复合支架的早期力学性能，随着镁合金被腐蚀降解，填充镁合金的管路变为相互连通的孔道，满足组织生长与营养代谢需要。