[发明专利]一种3d打印技术制备的松质骨仿生支架的设计与应用

说明书

本发明通过3D‑Voronoi算法和随机分布微孔算法构建了新型仿生支架模型，并运用生物3D打印技术制作了高精度的该组织工程支架。运用磷酸二氢铵二次煅烧法煅烧牛股骨，在实现异体骨脱脂脱钙去抗原的基础上，去除了羟基磷灰石等无机成分，使余物为高纯度的β‑磷酸三钙，保留了天然松质骨形态的同时消除了实验中因基质材料带来的变量差异。通过表征检测、结构分析、体外实验、体内植入等多种实验，全面地评价不同支架结构对细胞增殖粘附和体内骨修复效果的影响，为骨组织工程支架的仿生结构设计提供了可靠支架模型和有效检测手段,可用于临床各种骨缺损的使用。

技术领域

本发明属组织工程领域，更具体地说，本发明涉及一种新型仿生支架模型的应用。

背景技术

人体的骨骼系统具有维持运动、保护体内脏器、支撑体重等重要功能。我国每年由于创伤、感染、肿瘤、手术切除等原因造成的骨缺损病例众多，骨缺损修复面临着巨大的临床需求，且一直呈现不断上涨趋势。骨缺损的修复材料较多，根据来源可分为自体材料、异体材料植和人工材料。

自体骨移植是治疗骨缺损的金标准，具有无免疫排斥、可完全吸收、有效诱导骨重建的优点，目前临床上少量骨缺损可用骨碎屑、骨粉进行填充修复；大段下颌骨缺损修复主要用血管化髂骨瓣、腓骨瓣或非血管化髂骨、肋骨游离后移植。但因自体骨来源有限，取骨需要开辟第二术区从而造成新的骨缺损，容易引发感染、血肿、神经损伤等并发症，且在修复过程中易出现二次损伤以及新的骨缺损，造成在临床上的应用受到了限制，自体骨移植尚不能满足庞大的临床需求。异体骨较自体骨来源相对广泛，通常经过加工处理工序来降低抗原性和便于储藏，但即便如此，仍有一些患者出现异体骨排斥反应，以及吸收、不愈合的现象。

人工材料作为一种新型的骨缺损修复材料，可有效地实现骨缺损填充和结构支持作用，解决了供骨量有限、避免了免疫排斥反应，且较易塑形，便于匹配缺损区域的解剖结构。在临床上，医用人工骨修复材料可分为金属材料和非金属材料。医用金属材料有不锈钢、钛基合金、钴基合金等。以钛合金为例，其力学强度好、生物相容性好，术后感染率低。在手术中可以由医生根据病人缺损部位的大小和形状手工剪切钛网板，手工塑形，再用螺钉固定实现缺损修补。也可以结合三维重建技术在术前调整好贴合患者颅部解剖结构的钛网，从而大大缩短手术时间。

骨缺损的修复愈合是一个复杂的病理及生理过程，骨组织工程支架为了有效地负载生长因子和种子细胞，在植入后积极地促进骨生长、血管生成、营养代谢，避免感染、免疫排斥等问题，对于支架的基质材料和三维结构有着一定的要求。总结以往的研究观点，理想的骨组织工程支架应具备以下特性：（1）良好材料可塑性，具有一定的机械强度，使材料在一定时间内可以维持形态结构，并与植入部位原本骨组织的生物力学性质相匹配；（2）良好的生物相容性和表面活性，有利于种子细胞在材料表面黏附、增殖、分泌细胞外基质；（3）良好的骨传导性，有利于新骨组织、血管组织的长入；（4）良好的骨诱导性，能够材料上、刺激植入部位周围的细胞向软骨细胞和成骨细胞分化，形成新骨组织；（5）具有三维多孔结构，有连通的微孔和较高的孔隙率，有利于种子细胞、生长因子的黏附，以及营养物质、代谢产物的交换。

3D打印技术也称为快速成型技术或增材制造技术，是一种以数字三维模型为基础，通过将可粘合材料逐层打印、层层叠加的方式来制造立体实物的制造技术。近年来，因3D打印技术具有快速成型、精确复制、构造复杂结构等优点，逐渐受到了生物医学领域科研人员的青睐并得到应用，具体包括制作植入假物，手术器械，手术导板、生物细胞打印等。将3D打印技术用于构建骨组织工程支架，可以体现出3D打印技术的以下几点优势：（1）可利用三维设计软件设计复杂三维结构作为打印模板；（2）基于数字三维模型，精确打印等比例的立体实物，良好匹配骨组织解剖形态；（3）可以精确控制多孔支架的内部构造以及孔隙率；（4）可打印多种材料，高分子材料如聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸、聚乙醇酸、聚己内酯（PCL）等，生物陶瓷如羟基磷灰石（HA）、β-磷酸三钙（β-TCP）、生物活性玻璃（BG）等，金属材料如钛基合金、钴基合金等，生物材料如组织细胞。