一种具有生物活性的个性化定制钛合金植入体支架的制备方法

1.本发明涉及医用植入体内的钛合金支架技术领域，具体是指一种具有表面生物活性的个性化钛合金植入体支架的制备方法。


背景技术：

2.由外伤、感染、肿瘤切除或先天性疾病等原因造成的骨缺损治疗极为困难，是导致肢体功能障碍的主要原因，给家庭和社会造成重大经济负担。金属骨科植入物是治疗大段骨缺损的主要方法之一。
3.医用钛合金具有低密度、高比强度、力学性质接近人骨的优点，还具有耐疲劳、生物相容性优良等特点，广泛应用于骨关节替换、牙齿修复等方面，对其需求也快速增长。
4.骨植入物的个性化定制实现了医源性损害最小化和病患获益最大化，体现和落实了临床实践中新型健康医疗服务范式-精准医疗的理念，是医学发展的趋势。
5.骨整合不足是钛合金植入物失败的重要因素。个性化定制的钛合金支架通常是复杂的多孔状三维结构。多孔结构减少了骨骼与植入物合金之间的弹性模量不匹配，减轻了应力屏蔽效果并改善了植入物的形态，为组织向内生长提供了生物材料锚固效应，增加了植入物的骨整合。
6.提高植入物表面生物适配性有利于成骨细胞的附着、增殖和分化，促进骨整合，是植入物获得长期稳定的基础，也是植入物手术成败的关键。对个性化定制的钛合金支架进行表面改性，采用更适合组织重建的表面成分和多层次的仿生结构表面可以促进有益的组织反应，诱导组织再生，是改善现有常规生物材料满足不断发展的临床需求的一种非常经济和有效的方法。
7.个性化定制的复杂多孔钛合金支架对表面结构和成分的改变提出了新的挑战。喷砂等机械方法和酸碱蚀刻等化学方法是目前最常用的表面微纳结构的制备方法，但其可控性差，难以在纳米尺度产生重复性好的梯度结构和复杂图形。另外，在复杂多孔结构内外表面沉积附着力良好的膜层需要对传统的气相和液相沉积法进行优化和改进以提高膜层界面附着力、改善多孔内部膜层沉积的质量。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是医用钛合金植入支架骨整合不足，通过提供一种具有生物活性的个性化钛合金植入体制备方法，提高钛合金植入支架的骨整合效果。
9.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种具有生物活性的个性化定制钛合金植入体支架的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
10.s1、获取损伤骨组织图像数据；
11.s2、根据损伤骨的图像数据建立人体指定部位的植入支架的三维模型；
12.s3、根据植入支架的三维模型，采用金属3d打印系统，制造出人工骨支架；
13.s4、清洗和干燥钛合金人工骨支架；
14.s5、对钛合金人工骨支架表面进行微纳结构的制备；
15.s6、人工骨支架镀钽膜。
16.进一步地，所述步骤s1中，利用医用ct、3d-micro ct、骨磁共振扫描(mri)等医学图像采集设备扫描人体损伤处或对称部位的骨组织以获取损伤骨组织图像数据。
17.进一步地，所述步骤s2中，所述钛合金植入支架的三维模型是一种多孔连通结构，满足与人体损伤部位相近的弹性模量和力学强度。优选孔型为十二面体，孔隙率60％-90％，孔隙大小300-900μm，以有利于骨组织生长。
18.进一步地，所述步骤s3中，钛合金人工支架采用金属激光或电子束3d打印技术和设备实现，采用医用级钛合金粉末或丝线作为打印材料。采用钛合金粉末时，粉末粒度优选为10～50μm。采用钛合金丝线时，线径优选为0.05-1mm。
19.进一步地，所述步骤s4中，主要是清洗人工支架表面的各种有机和无机污染物。如果是采用金属粉末打印人工支架，则还需要清除人工支架中未熔融的钛合金粉末。
20.进一步地，所述步骤s5中，采用激光技术对钛合金人工骨支架表面进行处理，优先使用飞秒激光对支架进行扫描处理。为使激光对支架内表面也可以处理，根据具体支架对称性对样品进行多维度旋转，或激光采用掠入射进入多孔支架内部进行表面加工。
21.进一步地，所述步骤s6中，钽膜的制备优先使用磁控溅射实现；溅射所用靶材为医用级高纯钽靶；支架镀膜之前必须充分清洗，去掉表面的有机或无机污染物，以实现钽膜与支架基底钛合金之间良好的附着力；为实现多孔支架内部钽膜的沉积，在样品制备中通过不同入射角度镀膜，或者在镀膜过程中对支架进行多方向的旋转，使溅射原子可以进入到多孔支架的内部沉积。
22.进一步地，所述步骤s5中，飞秒激光优选参数为：波长400-1500nm，功率为1-200mw，扫描速度1-100mm/s，扫描间距10-100μm，扫描次数1-10次，扫描方式为线扫描。飞秒激光对支架进行扫描处理后，表面粗糙度优选为1-10μm，表面为超亲水状态。
23.进一步地，所述步骤s6中，采用直流磁控溅射法，优选参数为：溅射功率为100-300w，氩压强0.1-1pa，氩气流量为1-100msc，镀膜时间为10s～30min。钛合金表面钽膜厚度优选为10nm-1μm。
24.本发明具有如下优点：
25.(1)本发明采用比钛合金生物性能更好的钽作为表面成分，结合了钽生物性能优点和钛合金的价格优势。钽作为一种新型的金属生物材料，有“亲生物”金属之称，具有极佳的生物相容性，对机体组织无任何刺激，被视为理想的骨科植入材料。相比钛合金，钽具有两个基本方面的明显优势。一是钽具有更为优异的化学耐蚀性能，常温下，无机盐这类物质不会和钽单质发生化学或者电化学腐蚀作用；二是体组织细胞和钽这种非活性无机物材料产生反应结果更佳，钽植入一段时间后，生物的细胞组织在钽元素表面上正常吸附并且健康生长，所以钽被称为“亲生物金属”。但是，采用纯钽制备假体，重量是钛合金的四倍，且价格昂贵，不利于未来临床推广医用。本发明结合了钛合金和钽优势的新技术，即：先制备个性化钛合金假体，然后在钛基表面制备钽涂层，即利用了钛合金轻质价廉等优势，又发挥了钽生物相容性高的特点。
26.(2)本发明采用激光作为表面微纳结构的制备技术，具有灵活、无污染的优点，适
用于包括有机材料在内的多种材料表面的处理，为表面个性化的设计提供了实现方法。与喷砂等机械技术和酸碱蚀刻等化学技术产生的表面微/纳米结构相比，激光纹理样品显示出更好的细胞附着和增殖。飞秒激光的高峰值功率对材料加工的热影响区域小，是目前最适合于表面微纳制备的激光技术。在植入材料表面制备的微纳结构，不仅可以有效增加基底材料与钽膜的附着力，还可以增大与人体细胞组织的接触面积，调控植入体的表面能，提高细胞的粘附性，进一步增加钛合金的生物活性。通过微纳结构对细胞的调控，还可以实现对细胞生长形态和方向的控制。
27.(3)本发明中个性化骨植入器件系统和表面设计的理念、方法和技术不仅可以用于钛合金，还可以用于其他医用植入材料和器械。本发明中采用的激光尤其是飞秒激光是一种灵活和通用的表面微纳制备技术，适用于包括有机材料在内的多种材料表面的处理，为表面个性化的设计提供了实现方法；磁控溅射则不仅可以实现高质量钽膜的制备，而且还可以用于其他材料的涂层的制备。这些方法普适性强，易推广至其他植入医疗器械产品的制备，具有典型性和代表性，将有力促进医用植入器械表面的发展。
附图说明
28.图1是本发明的流程框架图。
29.图2是本发明中钛合金3d打印支架飞秒激光进行线扫描处理前后的扫描电镜对比图，其中(a)图是未处理的钛合金表面，(b)图是飞秒激光处理后的钛合金表面。
30.图3是本发明中钛合金3d打印支架钽膜沉积前后扫描电镜对比图，(a)图是未处理的钛合金表面，(b)图是钽膜沉积后的钛合金表面。
31.图4是本发明中钛合金3d打印支架飞秒激光处理前后细胞生长图，(a)图是未处理的钛合金表面，支架上细胞形状为星状，(b)图是飞秒激光线扫描处理后的钛合金表面，支架上细胞形状极化，表现为向某一方向上伸长。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
33.结合所有附图，一种具有生物活性的个性化定制钛合金植入体支架的制备方法，包括以下步骤：
34.s1、利用医用ct、3d-micro ct、骨磁共振扫描(mri)等医学图像采集设备扫描人体损伤处或对称部位的骨组织，获取损伤骨组织图像数据。
35.s2、将医学图像采集设备获得的损伤骨图像数据导入可进行骨组织三维建模的软件，如mimics软件，根据损伤骨的图像数据建立缺损骨骼的三维模型；对缺损骨骼三维模型中的缺陷如孔洞、毛刺等进行修复；基于cad模型、基于隐式曲面等设计方法，进行损伤骨多孔结构支架的设计；利用力学分析软件，如ansys、abaqus等有限元分析软件对设计的多孔支架结构进行力学加载计算和分析，对多孔支架结构的孔隙率和孔隙大小等关键设计参数进行优化，确定缺损骨支架的多孔结构。优选孔型为十二面体，孔隙率60％-90％，孔隙大小300-900μm，以有利于骨组织生长。
36.s3、根据已设计的缺损骨多孔结构支架的三维模型，采用金属3d激光或电子束打印系统，制造出钛合金人工骨支架。金属3d打印时可采用医用级高纯钛合金粉末或丝线作
为原材料。采用钛合金粉末时，粉末粒度优选为10～50μm。采用钛合金丝线时，线径优选为0.05mm-1mm。以金属激光3d打印设备制备钛合金人工支架为例，激光器功率可在500w-1000w，光斑大小为50-100μm，切片层厚10-50μm，扫描速度100mm/s-1000mm/s。
37.s4、取出打印完的支架，利用线切割机去除支撑基底材料。将去掉支撑的人工骨支架先后在丙酮和乙醇溶液中超声清洗5-10min，再用超纯水超声清洗5-10min，最后置于干燥箱内干燥。
38.s5、在钛合金支架表面利用激光进行微结构制作。优选钛合金表面微结构的粗糙度为植入人体部位所需要的粗糙度，且选择类骨骼图形对钛合金表面进行微结构加工处理。飞秒激光设备主要控制参数有：激光波长、激光功率、扫描速度等。飞秒激光优选波长400-1500nm，功率为1-200mw，扫描速度1-100mm/s，扫描间距10-100μm，扫描次数1-10次，扫描方式为线扫描。对这些参数的调整可以改变表面微结构深度和形貌，飞秒激光对支架进行扫描处理后，表面粗糙度优选为1-10μm，表面为超亲水状态。在飞秒激光处理过程中，根据支架特点，采用旋转、平移等方式使激光可以入射到支架多孔内部，实现对支架内表面的处理。图2是本发明中钛合金3d打印支架飞秒激光进行线扫描处理前后的扫描电镜对比图，其中(a)图是未处理的钛合金支架表面，(b)图是飞秒激光处理后的钛合金支架表面。其中的钛合金多孔支架采用金属激光3d打印设备制备，为8mm的立方体，孔隙大小为600μm，孔隙率为65％。飞秒激光波长800nm，脉宽104fs，重复频率1khz，入射功率100mw，扫描速度3mm/s，扫描间距30μm，线扫描1次。
39.s6、钛合金人工骨支架镀钽膜。用超声波清洗表面微结构加工后的钛合金，使钛合金表面足够干净以保证钽膜与钛合金基底的附着力，优选为：用超纯水、乙醇、丙酮、乙醇、去离子水的顺序清洗钛合金，每次清洗都需要超声震荡至少3分钟再进行下一次清洗，最后一次清洗完成后将钛合金烘干去除水分。钛合金支架清洗干净之后，表面镀钽膜。优先使用磁控溅射镀膜设备对钛合金支架表面镀钽膜，采用直流溅射法，优选参数为溅射功率100-300w，氩压强0.1-1pa，氩气流量为1-100msc，镀膜时间为10s～30min。钛合金表面钽膜厚度优选为10nm-1μm。图3是本发明中钛合金3d打印支架钽膜沉积前后扫描电镜对比图，(a)图是未处理的钛合金表面，(b)图是钽膜沉积后的钛合金表面，其中钽膜的厚度约为100nm，钽膜制备条件为溅射功率250w，氩压强0.6pa，氩气流量为40msc，镀膜时间为30s。
40.本发明的工作原理：激光表面处理可以使钛合金支架表面积增加，钽膜与钛基体之间接触面增加而具有良好的结合强度，同时又不会影响基体性能。另外，飞秒激光改变材料表面微纳结构来调控生物活性的表面是一项已得到验证的先进技术。用激光对钛合金表面进行处理，细胞实验结果表明与未处理的钛合金表面相比，激光处理过的表面细胞附着率更高，且有利于细胞的分化，比未处理表面有着更高的细胞扩散率。图4是本发明中钛合金3d打印支架飞秒激光处理前后细胞生长图，(a)图是未处理的钛合金表面，支架上细胞形状为星状，(b)图是飞秒激光处理后的钛合金表面，支架上细胞形状极化，表现为向某一方向上伸长。可以看到，飞秒激光制备的条纹结构对细胞生长形态的引导。最后，磁控溅射作为物理气相沉积薄膜的一种技术，具有纯度高，无污染，薄膜附着力强等优点，适合于医学植入材料的膜层制备。
41.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情
况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。