3D打印活性陶瓷骨修復(fù)支架研究.pdf

1、由于頻繁的創(chuàng)傷，腫瘤切除等引起的骨缺損導(dǎo)致對(duì)骨植入物的需求大大增加。理想的骨修復(fù)材料需要滿足孔隙率可控、孔道結(jié)構(gòu)貫通、外形與骨缺損區(qū)域相匹配、力學(xué)性能與自然骨接近、降解速度與新生骨形成速度匹配。為系統(tǒng)解決從結(jié)構(gòu)到力學(xué)強(qiáng)度再到降解性能的可控制造，本文以3D打印高力學(xué)強(qiáng)度、高生物活性、可控降解的骨支架為主線逐級(jí)深入，實(shí)現(xiàn)了活性骨支架制造中的控形、控性，將3D打印實(shí)現(xiàn)骨修復(fù)的個(gè)性化定制從幾何外形定制推進(jìn)到性能定制（降解性能及降解速度的定制）。

2、論文的具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果歸納如下:
　　(1)3D打印了硅酸鈣(CSi)多孔支架，系統(tǒng)的探討了墨水的可打印性，研究了燒結(jié)溫度，生物玻璃(BG)摻雜量，孔形態(tài)結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)支架力學(xué)性能的影響。當(dāng)BG的摻雜量為1％，燒結(jié)溫度為1080℃時(shí)，矩形孔道結(jié)構(gòu)有48MPa的力學(xué)強(qiáng)度，而蜂窩形孔道結(jié)構(gòu)有88MPa的力學(xué)強(qiáng)度。支架在模擬體液中浸泡后發(fā)現(xiàn)其表面被羥基磷灰石層覆蓋，表明支架有良好的生物活性，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)3周的浸泡，支架仍具有高達(dá)60MPa的

3、力學(xué)強(qiáng)度。
　　(2)雖然CSi-BG支架有高的力學(xué)強(qiáng)度，但與人體皮質(zhì)骨的強(qiáng)度(100-150MPa)比還有一定的距離，為獲得更好的力學(xué)性能，研發(fā)了摻鎂硅酸鈣(CSi-Mg)陶瓷多孔支架，其強(qiáng)度可達(dá)120MPa，與皮質(zhì)骨強(qiáng)度相當(dāng)。體外生物活性測(cè)試表明CSi-Mg支架有助于堿性磷酸酶活性，能促進(jìn)細(xì)胞增殖和成骨分化。長(zhǎng)期的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)（支架植入兔顱骨缺損12周）結(jié)果表明，新生骨的再生能力較為優(yōu)異。
　　(3)考慮到體內(nèi)骨降解速度有一

4、定的個(gè)體差異性，只有實(shí)現(xiàn)可控降解才能更好的實(shí)現(xiàn)骨支架的個(gè)性化定制。
　　由于磷酸三鈣(β-TCP)具有較好的生物相容性，我們進(jìn)一步研究了摻雜β-TCP的CSi-Mg支架(CSi-Mg/TCP)，探討了β-TCP含量，孔徑尺寸，燒結(jié)工藝對(duì)支架力學(xué)強(qiáng)度的影響。當(dāng)支架內(nèi)的β-TCP含量為10％時(shí)，在兩步燒結(jié)處理后可具有很高的力學(xué)強(qiáng)度(120-140MPa)，β-TCP含量為20-30％時(shí)，支架在一步燒結(jié)處理后的力學(xué)強(qiáng)度也可達(dá)80-100

5、MPa。當(dāng)孔徑尺寸為～320μm時(shí)，CSi-Mg/TCPx(x=10，20)支架具有高于100MPa的力學(xué)強(qiáng)度和～52％的孔隙率，支架在Tris緩沖液中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)6周的浸泡后，仍具有高達(dá)50MPa的力學(xué)強(qiáng)度。支架的降解速度可隨著β-TCP含量的增加而減小，證明了可通過(guò)控制β-TCP的含量和采用優(yōu)化的燒結(jié)工藝實(shí)現(xiàn)可控降解，為實(shí)現(xiàn)降解速度與新生骨生長(zhǎng)速度匹配的個(gè)性化定制骨提供了可行的研究思路。
　　(4)提出通過(guò)支架孔道結(jié)構(gòu)優(yōu)化和TCP

6、摻雜雙管齊下的思路制造成骨性能優(yōu)異的生物陶瓷支架。制造了支架與宿主骨接觸面的孔形態(tài)結(jié)構(gòu)改善的支架。支架經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)8周和12周的兔顱骨缺損植入后，孔道結(jié)構(gòu)改善的支架比常規(guī)支架有更好的成骨能力。在此基礎(chǔ)上，迸一步制造了孔道結(jié)構(gòu)改善的CSi-Mg10/TCP復(fù)合支架。8周時(shí)，復(fù)合支架在體內(nèi)有很好的成骨能力，12周時(shí)，其新生骨量更是高達(dá)33.8±1.2％。證明可通過(guò)控制支架內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)和摻雜適量的TCP改善支架的骨再生修復(fù)能力，為制造高新生骨再生

7、能力的支架提供可行的研究思路。
　　(5)以兔下頜骨缺損的定制修復(fù)為例，通過(guò)Micro-CT掃描，三維重建、及骨支架打印，展示了3D打印技術(shù)在臨床骨修復(fù)的個(gè)性化定制中的巨大潛力。研究了鎂含量對(duì)支架在體內(nèi)骨再生能力的影響，結(jié)果表明CSi-Mg10支架有很好的骨再生修復(fù)能力，16周時(shí)，其新生骨量高達(dá)29.1±1.1％。同時(shí)，因?yàn)橹Ъ芘c骨缺損之間微觀和宏觀結(jié)構(gòu)的良好匹配，導(dǎo)致早期支架與宿主骨之間有很好的骨整合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)骨缺損的個(gè)性化定制