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CN107349472B - 一种促进骨融合的重复梯度多孔钛合金的制备方法 - Google Patents

一种促进骨融合的重复梯度多孔钛合金的制备方法 Download PDF

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CN107349472B CN201710519226.6A CN201710519226A CN107349472B CN 107349472 B CN107349472 B CN 107349472B CN 201710519226 A CN201710519226 A CN 201710519226A CN 107349472 B CN107349472 B CN 107349472B
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Abstract

本专利公开一种促进骨融合的重复梯度多孔钛合金制备的方法，所述的重复梯度多孔钛合金是以钛合金粉为原料，通过3D打印，制备成重复梯度多孔的钛合金棒材，该梯度多孔钛合金的弹性模量在0.53～13.2GPa，压缩屈伸强度在22～356MPa变化，与自然骨弹性模量匹配。通过等离子喷涂技术在重复梯度的多孔钛合金表面构建具有生物活性的羟基磷灰石(HA)涂层。利用多巴胺作为中间介质，把生长因子(VEGF)固定在材料表面。通过这种方法制备的重复梯度的多孔钛合金材料，负载生长因子与HA，具有组织相容性高，能促进骨细胞迁移核生长的特性。重复梯度多孔的结构，增加了骨的融合强度，增加了拔出力。

Description

一种促进骨融合的重复梯度多孔钛合金的制备方法
技术领域
本发明属于医疗领域，特别涉及一种促进骨融合的重复梯度多孔钛合金的制备方法。
背景技术
骨组织损伤的修复是骨科医生临床工作面临的难点。尽管自体骨移植是首选，但在实际的环境中自体骨移植收到很多情况的影响，诸多因素导致自体骨无法满足临床需求。
现有技术中，通常采用单纯多空金属材料来实现骨组织损伤的修复。但是，现有技术中的单纯多孔金属材料的组织相融性差，使得骨长入出现障碍。因此，现有技术中需要一种即具有骨修复能力，又具有较高机械强度，还具有增加骨融合能力的骨修复材料，将满足临床对自体骨的需求。钛合金的弹性模量(110Gpa)远远高于骨组织(12－23Gpa)。
发明内容
本发明正是基于现有技术的上述需求而提出的，本发明要解决的技术问题是提供一种促进骨融合的重复梯度多孔钛合金的制备方法以获得即具有骨修复能力，又具有较高机械强度，还具有增加骨融合能力的骨修复材料。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案包括：
为克服传统钛合金材料弹性模量大，组织相容性差的缺点，本发明提出特别涉及一种促进骨融合的重复梯度多孔钛合金的制备方法。
本发明包括以下步骤：
步骤一、建立重复梯度多孔钛合金的三维数字模型；在本步骤中，使用三维数字建模软件建立多孔钛合金棒材的三维模型；设计所述钛合金棒材的三维模型包括设计所述棒材的结构和尺寸；棒材中形成有多个孔，所述孔从所述棒材的外表面向所述棒材的内部延伸；所述棒材表面的多个孔均匀布置在所述棒材的外表面上；所述孔的剖面为重复梯度设计，所述重复梯度孔包括多个首尾相接重复设置的孔单元，每个孔单元包括位于两端的孔径由大逐渐变小的大孔、以及位于两端的大孔之间、孔径持续不变的小孔；所述大孔的小直径端与所述小孔的直径相等，形成一个大-小-大的孔径单元；多个孔径单元首尾相接重复设置，形成一个从所述棒材的外表面深入到所述棒材内部的重复梯度的孔型；步骤二、制备出与设计相当的重复梯度多孔钛合金材料；将三维数字模型的数据导入3D打印设备，在真空环境中(10－4－10－5mbar)，在650℃的温度条件下，以30mA的电子束流对铺成薄层Ti6Al4V粉末进行预热，所述粉末的颗粒直径50－100μm，扫描速度15000mm/s；随后，根据倒入的断层数据以6mA的电子束在400mm/s的扫描速度下逐层熔融Ti6A4V粉末原料，制备出与设计相当的重复梯度多孔钛合金材料；步骤三、在所述多空钛合金材料表面使用等离子喷涂HA涂层；在本步骤中，采用等离子喷涂技术在多孔钛合金材料表面喷涂羟基磷灰石涂层，即HA涂层，在多孔钛合金表面得到一层连续无裂隙的HA涂层；步骤四、多巴胺涂层制备；将上述步骤三中制得的样本浸入到100ml的多巴胺溶液中，避光反应，过夜；步骤五、附着生长因子的附着；将上述步骤四的样品浸入到100ml的VEGF(75ng/mL)溶液中，避光室温反应，过夜。然后用PBS洗去多余的VEGF。
本专利通过负载有生长因子HA涂层的重复梯度多孔钛合金材料，既保持了金属材料的刚性，又有近似的骨弹性模量，克服了金属材料组织相容性差的缺点，提高了骨的生长速度和长入能力。骨组织长入重复梯度多孔钛合金植入物，使骨和植入物成为一体，重复梯度的使用，增加了融合强度和拔出力。
附图说明
图1是本专利具体实施方式中一种促进骨融合的重复梯度多孔钛合金的制备方法的步骤流程图；
图2是本专利具体实施方式中一种重复梯度多孔钛合金植入棒的结构图；
图3是本专利具体实施方式中一种重复梯度多孔植入棒剖视图及局部放大图；
图4为本专利具体实施方式中一种重复梯度孔内的植骨生长示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本专利的具体实施方式进行详细说明，需要指出的是，该具体实施方式仅仅是对本专利优选技术方案的举例，并不能理解为对本专利保护范围的限制。
如图1所示，本具体实施方式中提供了一种促进骨融合的重复梯度多孔钛合金的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一、建立重复梯度多孔钛合金的三维数字模型
在本步骤中，使用三维数字建模软件建立多孔钛合金棒材的三维模型。设计所述钛合金棒材的三维模型包括设计所述棒材的结构和尺寸。所述多空钛合金棒材用于植入到组织中，以实现骨组织损伤的修复。一种典型的棒材结构设计如图2所示。所述棒材呈棒状，其中形成有多个孔，所述孔从所述棒材的外表面向所述棒材的内部延伸。在如图2所示的结构中，所述棒材表面的多个孔均匀布置在所述棒材的外表面上。通过均匀布置能够帮助组织均匀地附加在所述棒材上，提供稳定的把持力。
尤为重要的，本专利除了设计整体棒材的形状之外，相对于现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步之处在于，所述孔的剖面为重复梯度设计。
所述重复梯度的结构如图3所示，在图3中，重复梯度孔型从钛合金棒材圆柱侧面开始，以大–小–大的次序重复叠放成柱状，直至棒材圆柱中心线，实现了孔径的重复梯度化。
所述重复梯度孔型包括多个首尾相接重复设置的孔单元，每个孔单元的结构如图3所示，其包括位于两端的孔径由大组件变小的大孔，以及位于两端大孔之间，孔径持续不变的小孔，所述大孔的小直径端与所述小孔的端相连，形成一个大-小-大的孔径单元，多个孔径单元首尾相接重复设置，形成一个从所述棒材的外表面深入到所述棒材内部的重复梯度的孔型。
优选地，所述大孔的直径从外圈的300μm渐变为小圈的50μm，轴向距离为150μm，呈圆台状。所述小孔的直径为50μm、长度为100μm呈圆柱型。
孔单元重复叠放，从棒材的圆柱侧面，沿径向，至圆柱中心线，由(1.25D)个孔单元相互连接而成的孔径呈梯度型重复变化的孔形成。整个重复梯度多孔钛合金棒材的孔隙率为59％～79％。
孔在棒材表面为300μm的圆形窗口，微观结构呈大直径的圆形开放，十分有利于骨细胞组织的长入。由于孔的内径重复梯度变化，增加了骨长入后的骨组织的融合强度和拔出力，使得植入物在体内更牢固。
所述优选的孔径形状和尺寸可以通过如下实验得到其技术效果。该实验通过设计不同孔径、不同梯度、不同重复度的材料，通过计算剪切力和抗拉拔能力的力学模型来验证技术效果：
方案一：直径50μm，深度400μm的圆柱孔；
方案二：直径300μm，深度400μm的圆柱孔；
方案三：直径由300μm变到50μm，深度400μm的圆台孔；
方案四：直径由300μm变到50μm，深度150μm圆台孔；中间是直径50μm，深度100μm的圆柱孔；最后直径由50μm变到300μm，深度150μm圆台孔，由这三部分形成的多梯度孔。
本力学验证只计算在相同孔隙率情况下，等大的力作用时，上述四种方案的抗剪切能力和抗拉拔能力。
其中，对于抗剪切能力(防止长入的骨骼断裂)：
剪切应力计算公式：
Figure GDA0002461289170000031
剪切力发生在钛合金棒外表面的圆柱孔处，受到的剪切应力越大，抗剪切能力越差。抗剪切能力越强，骨骼断裂可能性越小，抗剪切能力与横截面积成正比。四种方案单孔的体积比为
Figure GDA0002461289170000032
单孔的表面横截面积比1:36:36:36，在相同孔隙率情况下，抗剪切能力比1:1:2.512:3.273。
其中，对于抗拉拔能力(孔内表面界面结合力)：
抗拉拔能力正比于孔内表面侧面积，抗拉拔能力越强，越不易从表面脱落。单孔的表面横截面积比1:6:3.66625:3.66775，在相同孔隙率情况下，抗拉拔能力为6:1:1.535:2。
综合来看：方案四的抗剪切能力最强，抗拉拔能力第二，从人体受力情况来看，受到的剪切力占主导地位，所以方案四是一种相对较好的方案。
当病人脊柱由于肿瘤、骨折、脊髓压迫等情况，需切除全椎体或次全椎体，并且术后需要恢复脊柱前柱高度及稳定性时，常用钛网融合器完成前柱的重建。重复梯度多孔钛合金棒材制成的钛网融合器(图3)相较于普通钛网融合器，在骨生长融合和稳定性方面，有突出优势。由于重复梯度多孔的结构，钛网内外填充的植骨材料不仅能从钛网原本较大的窗口生长结合，现在也能从钛网表面密集且细小的重复梯度孔中生长。
本具体实施方式中采用了重复梯度多孔钛合金，弹性模量接近骨；重复梯度多孔结构，增加了骨融合强度，提高了骨拔出力，使植入物与骨的融合性更强。
除了确定棒材的结构之外，在本具体实施方式中还需要确定棒材的尺寸，所述棒材的尺寸，例如所述棒材为圆柱形，则其包括直径和高度，如图2所示，其直径为D高度为h，单位为毫米。棒材的尺寸根据实际植入位置的需要而定。
步骤二、制备出与设计相当的重复梯度多孔钛合金材料
将三维数字模型的数据导入3D打印设备，通过计算机控制，在真空环境中(10－4－10－5mbar)，在650℃的温度条件下，以30mA的电子束流对铺成薄层Ti6Al4V粉末，所述粉末的颗粒直径50－100μm，进行预热，扫描速度15000mm/s。随后，在计算机控制下根据倒入的断层数据以6mA，400mm/s的扫描速度逐层熔融Ti6A4V粉末原料，最终制备出与设计相当的重复梯度多孔钛合金材料；
通过三维打印能够快速准确地成型所需要的多孔钛合金材料，并且能够准确实现所需要的重复梯度，在本具体实施方式中，为制作所需性能的，特别是弹性模量与骨骼相近的钛合金材料提供了基础。
步骤三、在所述多空钛合金材料表面使用等离子喷涂HA涂层
在本步骤中，采用等离子喷涂技术在多孔钛合金材料表面喷涂羟基磷灰石涂层，即HA涂层，通过在所述多孔钛合金材料表面喷涂羟基磷灰石涂层，在所述多孔钛合金表面喷涂了所述HA涂层后，可以在多孔钛合金表面(包括孔的表面)得到一层连续无裂隙的涂层，表面粗糙度要大于普通多孔钛合金棒表面。HA具有50～500微米的内联微孔，有很好的组织相容性，无毒性、无抗原性、不被人体吸收、不溶解、不腐蚀、不易发生排斥反应等优点。通过施加上述HA涂层，能够在所述钛合金材料表面形成多孔结构,植入后周围血管可迅速长入，骨细胞沉积于其表面，连续和向心性地长入植入物的微孔中，可使骨化及血管化。
步骤四、多巴胺涂层制备
将上述步骤三中制得的样本浸入到100ml的多巴胺(1.8mg/ml，Tris buffer(pH8.5))溶液中，避光反应，过夜。本步骤中，通过在HA涂层上(包括孔的表面)施加具有粘性特征的多巴胺，能够为进一步地在所述多孔钛合金表面施加其它结构创造条件。多巴胺化学名称是4-(2-氨基乙基)-1,2-苯二酚,其邻二羟基结构是多巴胺发粘的关键结构。研究结果表明，多巴胺对生物组织具有强力粘合性，能够为进一步地在所述多孔钛合金表面施加其它结构创造条件。
步骤五、附着生长因子
将上述步骤四的样品浸入到100ml的VEGF(75ng/mL)溶液中，避光室温反应，过夜。然后用PBS洗去多余的VEGF。
通过这种方式，在所述样品的表面上施加了VEGF层。所述VEGF层能够促进组织的生长，通过VEGF层和重复梯度多孔结构是相互配合的关系，重复梯度能够在组织生长进入钛合金材料后提供更高的把持力，但是重复梯度的结构相对而言需要组织能够有较强的生长能力才能够充分利用重复梯度的好处，而提供了VEGF层，并且VEGF层和重复梯度孔型配合，一方面通过VEGF层的刺激促进组织沿着重复梯度的孔型进行生长，另一方面通过重复梯度孔型引导组织的生长结构，从而提高了所述钛合金棒材的把持力。不同结构的钛合金材料中的细胞生长数据可参考表1所示。
表1多孔钛合金性能数据
Figure GDA0002461289170000051
由表1可以看出，以钛合金粉为原材料，以3D打印法制备的重复梯度多孔钛合金，负载HA和生长因子后(1710μm2),细胞的铺展面积比HA重复梯度多孔钛合金本身(1577μm2)要高；细胞的长入深度要好；对于只负载HA的钛合金材料(1577μm2)来说，细胞的铺展面积比单纯重复梯度多孔钛合金(1170μm2)本身要大；细胞的长入深度要深；
本具体实施方式由于采用的上述技术方案，是本发明具有以下有点：采用本发明3D打印制备多孔钛合金，不需要添加造孔剂和其它材料，工艺简单，没有污染；使用本发明的工艺来制备重复梯度多孔钛合金，计算机控制，操作简单，重复性高，可持续性好；本发明制备的重复梯度多孔钛合金，弹性模量接近骨；重复梯度多孔结构，增加了骨融合强度，提高了骨拔出力，使植入物与骨的融合性更强；本发明工艺制备的的重复梯度多孔钛合金，负载生长因子，提高了骨细胞的长入深度和速度，抗剪切能力和抗拉拔能力强(见实施例分析)，使植入物更牢固，更稳定。

Claims (2)

1.一种促进骨融合的重复梯度多孔钛合金的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一、建立重复梯度多孔钛合金的三维数字模型
在本步骤中，使用三维数字建模软件建立多孔钛合金棒材的三维数字模型；设计所述钛合金棒材的三维数字模型包括设计所述棒材的结构和尺寸；棒材中形成有多个孔，所述孔从所述棒材的外表面向所述棒材的内部延伸；所述棒材表面的多个孔均匀布置在所述棒材的外表面上；所述孔的剖面为重复梯度设计，重复梯度孔包括多个首尾相接重复设置的孔单元，每个孔单元包括位于两端的孔径由大逐渐变小的大孔、以及位于两端的大孔之间、孔径持续不变的小孔；所述大孔的小直径端与所述小孔的直径相等，形成一个大-小-大的孔单元；多个孔单元首尾相接重复设置，形成一个从所述棒材的外表面深入到所述棒材内部的重复梯度的孔型；
步骤二、制备出与设计相当的重复梯度多孔钛合金材料
将三维数字模型的数据导入3D打印设备，在压强为10－4－10－5mbar的真空环境中，在650℃的温度条件下，以30mA的电子束流对铺成薄层Ti6Al4V粉末进行预热，所述粉末的颗粒直径50－100μm，扫描速度15000mm/s；随后，根据导入的数据以6mA的电子束在400mm/s的扫描速度下逐层熔融Ti6A4V粉末原料，制备出与设计相当的重复梯度多孔钛合金材料；
步骤三、在所述多孔钛合金材料表面使用等离子喷涂HA涂层
在本步骤中，采用等离子喷涂技术在多孔钛合金材料表面喷涂羟基磷灰石涂层，即HA涂层，在多孔钛合金表面得到一层连续无裂隙的HA涂层；
步骤四、多巴胺涂层制备
将上述步骤三中制得的样本浸入到100mL的多巴胺溶液中，避光反应，过夜；
步骤五、附着生长因子
将上述步骤四的样品浸入到100mL的浓度为75ng/mL的VEGF溶液中，避光室温反应，过夜，然后用PBS洗去多余的VEGF。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多巴胺溶液中，多巴胺的浓度为1.8mg/mL，其中缓冲液的pH值为8.5。
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Denomination of invention: Preparation method of repeated gradient porous titanium alloy for promoting bone fusion

Effective date of registration: 20210904

Granted publication date: 20200630

Pledgee: China CITIC Bank Co.,Ltd. Jiaxing Branch

Pledgor: ZHEJIANG DECANS MEDICAL INSTRUMENT Co.,Ltd.

Registration number: Y2021330001348