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)強度再到降解性能的可控制造，本文以3D打印高力學(xué)強度、高生物活性、可控降解的骨支架為主線逐級深入，實現(xiàn)了活性骨支架制造中的控形、控性，將3D打印實現(xiàn)骨修復(fù)的個性化定制從幾何外形定制推進到性能定制（降解性能及降解速度的定制）。

2、論文的具體研究內(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，矩形孔道結(jié)構(gòu)有48MPa的力學(xué)強度，而蜂窩形孔道結(jié)構(gòu)有88MPa的力學(xué)強度。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)過長達3周的浸泡，支架仍具有高達60MPa的

3、力學(xué)強度。
　　(2)雖然CSi-BG支架有高的力學(xué)強度，但與人體皮質(zhì)骨的強度(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，其強度可達120MPa，與皮質(zhì)骨強度相當(dāng)。體外生物活性測試表明CSi-Mg支架有助于堿性磷酸酶活性，能促進細胞增殖和成骨分化。長期的動物實驗（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、定的個體差異性，只有實現(xiàn)可控降解才能更好的實現(xiàn)骨支架的個性化定制。
　　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)工藝對支架力學(xué)強度的影響。當(dāng)支架內(nèi)的β-TCP含量為10％時，在兩步燒結(jié)處理后可具有很高的力學(xué)強度(120-140MPa)，β-TCP含量為20-30％時，支架在一步燒結(jié)處理后的力學(xué)強度也可達80-100

5、MPa。當(dāng)孔徑尺寸為～320μm時，CSi-Mg/TCPx(x=10，20)支架具有高于100MPa的力學(xué)強度和～52％的孔隙率，支架在Tris緩沖液中經(jīng)過長達6周的浸泡后，仍具有高達50MPa的力學(xué)強度。支架的降解速度可隨著β-TCP含量的增加而減小，證明了可通過控制β-TCP的含量和采用優(yōu)化的燒結(jié)工藝實現(xiàn)可控降解，為實現(xiàn)降解速度與新生骨生長速度匹配的個性化定制骨提供了可行的研究思路。
　　(4)提出通過支架孔道結(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)過長達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，復(fù)合支架在體內(nèi)有很好的成骨能力，12周時，其新生骨量更是高達33.8±1.2％。證明可通過控制支架內(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)的個性化定制中的巨大潛力。研究了鎂含量對支架在體內(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，其新生骨量高達29.1±1.1％。同時，因為支架與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，實現(xiàn)了對骨缺損的個性化定制