可降解的金属/聚合物复合接骨板及其制备方法与流程

1.本发明涉及复合材料3d打印技术领域，尤其涉及一种可降解的金属/聚合物复合接骨板及其制备方法。


背景技术：

2.骨折是医学领域中一种常见的创伤，目前主要以手术治疗方法为标准，其中接骨板治疗能显著改善术后修复、提高治疗效率，成为了修复肢体骨折固定最常见的方法之一。骨折完整修复过程包括骨愈合和骨重建两个阶段，骨愈合阶段(骨折治疗初期)是骨折处新生骨组织的形成与连接，骨重建(骨折治疗中后期)是指骨折处新生骨组织在力学刺激下结构重新构建和力学强化。
3.目前接骨板常用的材料为钛合金和不锈钢等金属材料，尽管其具有较高的强度和刚度、耐腐蚀性等优点，利于骨折初期愈合，但模量远高于自然骨，容易引起应力遮挡，导致骨质疏松、骨溶解等情况。因此，目前的接骨板材料存在着与人体骨折修复阶段适应性差的问题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种可降解的金属/聚合物复合接骨板及其制备方法，旨在解决接骨板材料与人体骨折修复阶段适应性差的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种可降解的金属/聚合物复合接骨板制备方法，该方法包括：
6.通过骨折部位扫描数据重建骨折部位的立体形貌，根据所述立体形貌设计接骨板的三维模型；
7.根据骨折部位的生理特征选择适配的可降解金属材料和可降解聚合物材料；
8.按照所述三维模型对所述可降解金属材料进行选区激光熔化打印，制备接骨板的骨架部分；
9.将所述骨架部分与模具组装，将所述可降解聚合物材料浇注至组装后的模具中，冷却后去除所述模具，得到金属/聚合物复合接骨板。
10.可选地，所述根据骨折部位的生理特征选择适配的可降解金属材料和可降解聚合物材料的步骤包括：
11.确定所述生理特征中的力学性能特征和骨愈合特征；
12.根据所述力学性能特征确定接骨板的力学条件，根据所述骨愈合特征确定接骨板的降解条件；
13.综合所述力学条件和所述降解条件，选择适配的可降解金属材料和可降解聚合物材料。
14.可选地，在所述根据骨折部位的生理特征选择适配的可降解金属材料和可降解聚合物材料的步骤之后，还包括：
15.根据所述生理特征确定骨折部位的骨重建阶段特征和骨愈合阶段特征；
16.基于所述骨重建阶段特征和所述骨愈合阶段特征，采用拓扑优化技术对接骨板进行材料分布优化，得到优化后的三维模型。
17.可选地，所述将所述骨架部分与模具组装，将所述可降解聚合物材料浇注至组装后的模具中，冷却后去除所述模具，得到金属/聚合物复合接骨板的步骤包括：
18.根据所述三维模型设计模具内部形状，将所述骨架部分置于所述模具内部进行组装；
19.将组装后的模具置于真空或高压环境中，在100-400℃下将所述可降解聚合物材料浇注至组装后的模具中；
20.根据预设的冷却曲线进行冷却处理，去除所述模具后得到金属/聚合物复合接骨板。
21.可选地，所述可降解金属材料为锌合金、锌镁合金、铁合金、铁锌合金和铁镁合金中的至少一种。
22.可选地，所述可降解金属材料的降解周期为6-24个月。
23.可选地，所述可降解聚合物材料为聚乳酸、聚左旋聚乳酸、聚乙醇酸、羟基乙酸、聚羟基丁酸酯和聚己内酯中的至少一种。
24.可选地，所述可降解聚合物材料的降解周期为1-6个月。
25.可选地，所述模具使用的材料为硅胶、陶瓷或树脂。
26.此外，为实现上述目的，本发明还提供一种可降解的金属/聚合物复合接骨板，由上文所述的可降解的金属/聚合物复合接骨板制备方法制备得到，包括可降解金属材质的骨架部分和可降解聚合物材质的基底部分，所述骨架部分包含螺钉固定孔。
27.本发明提供的可降解的金属/聚合物复合接骨板及其制备方法，使用具有不同力学性能和降解速率的材料通过结构设计组合，制备具有梯度降解性能的复合接骨板，骨愈合阶段的高强度和高刚度维持骨折部位稳定，利于新骨长出，骨重建阶段聚合物材料逐渐降解，强度和刚度下降，接骨板承担的力学刺激逐渐转移至骨折处新生骨组织处，促进新骨的重建和成熟，增强了与人体的骨折修复阶段的适应性，且复合接骨板可以在人体内被完全降解吸收，无需二次手术取出，减少了骨折患者的痛苦。
附图说明
28.图1为本发明实施例可降解的金属/聚合物复合接骨板制备方法的流程示意图；
29.图2为本发明实施例可降解的金属/聚合物复合接骨板制备方法涉及的复合接骨板的结构设计过程示意图；
30.图3为本发明实施例可降解的金属/聚合物复合接骨板制备方法涉及的复合接骨板的制备过程示意图；
31.图4为本发明实施例可降解的金属/聚合物复合接骨板的装配示意图。
32.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
33.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
34.目前，使用最为普遍的接骨板材料为钛合金和不锈钢等金属材料，虽能够适应骨折修复初期的特点，但是不利于后期的力学刺激传递，且无法在人体内降解。可降解金属材料的出现弥补了需要二次手术的缺点，但是仍存在降解速率难以匹配骨折修复所需的动态力学特性，从而易引起二次骨折的缺陷。每种生物降解材料具有恒定的讲解速率和力学性能，导致单一的生物降解材料构成的结构强度和刚度无法被设计来适应不同的骨折修复阶段。
35.本发明实施例提供了一种可降解的金属/聚合物复合接骨板制备方法，参照图1，图1为本发明一种可降解的金属/聚合物复合接骨板制备方法一实施例的流程示意图。
36.本实施例中，所述可降解的金属/聚合物复合接骨板制备方法包括：
37.步骤s10，通过骨折部位扫描数据重建骨折部位的立体形貌，根据所述立体形貌设计接骨板的三维模型。
38.骨骼在人体内分布广泛，患者产生骨折的部位也不尽相同。ct(computed tomography，电子计算机断层扫描)是骨折诊断治疗中的一种辅助手段，可以使用ct数据对骨折部位进行立体形貌重建，使用三维软件逆向设计与骨折部位匹配的接骨板三维模型。三维模型的设计可以根据骨折部位进行个性化定制，确保良好的匹配性。
39.步骤s20，根据骨折部位的生理特征选择适配的可降解金属材料和可降解聚合物材料。
40.使用可降解材料制备接骨板，在将接骨板安装至患者骨折部位后，随着时间的推移，接骨板材料在人体环境内逐渐降解，无需二次手术将接骨板取出。骨折部位在修复过程中具有不同的生理特征，在选择可降解材料时，除降解特性之外，还需考虑力学特性，以适应骨修复的不同阶段对接骨板的力学性能要求。
41.作为一种示例，根据骨折部位的生理特征选择适配的可降解金属材料和可降解聚合物材料的步骤可以包括：
42.步骤a1，确定所述生理特征中的力学性能特征和骨愈合特征；
43.步骤a2，根据所述力学性能特征确定接骨板的强度条件，根据所述骨愈合特征确定接骨板的降解条件；
44.步骤a3，综合所述力学条件和所述降解条件，选择适配的可降解金属材料和可降解聚合物材料。
45.对于不同身体健康状况的患者，其力学性能特征和骨愈合特征也存在差异。力学性能特征可视为在修复过程中骨折部位的承受的应力变化特征，骨愈合特征则可视为修复过程中骨骼生长特征。可以理解的是，力学性能特征和骨愈合特征并不是孤立的，他们之间具有相互影响。
46.在制备复合接骨板时，可以先选择与生理特征适合的接骨板材料。适应于力学性能特征，接骨板的力学条件可以为，初期具有较大的强度和刚度，支撑骨折部位，保持骨折部位的稳定性，随着骨折的修复，刚度降低，使应力转移至骨折部位，促进骨折部位新骨的生长和力学强化。适应于骨愈合特征，接骨板的降解条件可以为，降解速率与新骨的生长速率相适配。对于可降解金属材料和可降解聚合物材料，均综合考虑力学条件和降解条件，可降解金属材料作为接骨板中的骨架部分，在可降解聚合物材料的增强作用下在骨植入初期整个骨修复过程中均承担绝大部分应力，可降解聚合物材料随着修复过程逐渐降解，接骨
板整体刚度降低，使应力转移到骨折部位。一般的，金属材料的强度总是高于聚合物材料的强度，而使用聚合物材料与金属材料复合之后，金属材料的各项力学性能比如强度可以得到显著的提高。
47.可降解金属材料可以为锌合金、锌镁合金、铁合金、铁锌合金和铁镁合金中的至少一种，降解周期为6-24个月。在上述可降解金属材料中，镁合金的降解速率较快，锌合金和铁合金的降解速率较慢，可以通过调节合金中的元素来控制降解速率。比如，以镁锌合金为例，镁元素占比提高，镁锌合金的降解速率将加快，而锌元素占比增加，镁锌合金降解速率将减小。
48.可降解聚合物材料可以为聚乳酸、聚左旋聚乳酸、聚乙醇酸、羟基乙酸、聚羟基丁酸酯和聚己内酯中的至少一种，降解周期为1-6个月。不同种类的可降解聚合物材料降解速率不同，可以使用上述聚合物材料的共聚物作为基底部分，通过共聚物中不同组分的调节控制降解速率。比如，采用聚乳酸-羟基乙酸共聚物(plga，poly(lactic-co-glycolic acid))，调节plga中聚乳酸和羟基乙酸的比率，可以有效地改变它的结晶结构、疏水-亲水性和生物力学性能，并控制其降解速率，当增大plga中羟基乙酸的组分含量时，降解速率加快，其中聚乳酸和羟基乙酸的比例为85:15的共聚物降解半衰期是聚乳酸和羟基乙酸的比例为50:50的共聚物的三倍。
49.可降解聚合物材料中还可以包含生物陶瓷颗粒，通过生物陶瓷颗粒的种类和添加量的调节，进一步控制可降解聚合物材料的生物学、力学和降解速率。以可降解聚合物材料聚己内酯为例，在聚己内酯中分别添加不同质量分数的β-磷酸三钙陶瓷颗粒之后，其中聚己内酯分子量为60000，β-磷酸三钙陶瓷颗粒平均粒径为600nm，聚己内酯的力学特性、生物学特性和降解速率出现不同程度的变化。随着β-磷酸三钙陶瓷颗粒含量增加，聚己内酯拉伸模量增加，但拉伸强度呈现先上升后下降的趋势，且添加了陶瓷颗粒的聚己内酯对细胞增殖和分化有明显促进作用，此外添加了陶瓷颗粒的聚己内酯体外降解速率高于不添加陶瓷颗粒的聚己内酯。
50.作为一种示例，在根据骨折部位的生理特征选择适配的可降解金属材料和可降解聚合物材料的步骤之后，还可以包括：
51.步骤a4，根据所述生理特征确定骨折部位的骨重建阶段特征和骨愈合阶段特征；
52.步骤a5，基于所述骨重建阶段特征和所述骨愈合阶段特征，采用拓扑优化技术对接骨板进行材料分布优化，得到优化后的三维模型。
53.在选择合适的可降解材料后，还可以对初步建立的三维模型进行优化，提升接骨板整体使用性能。不同骨折部位的修复周期和修复能力不同，总的来说，均可以分为骨愈合阶段和骨重建阶段。骨愈合阶段骨折部位需要稳定支撑，骨重建阶段则需要避免应力遮挡效应的影响。采用拓扑优化的方式，使降解较慢的骨架部分承担大部分的应力，根据骨折部位的固定要求在骨架部分设计螺钉固定孔，配合基底部分形成整体接骨板，使材料的分布趋于合理。图2为复合接骨板的结构设计过程示意图，如图2所示，先由骨折部位扫描数据重建立体形貌，再根据立体形貌设计复合接骨板整体三维模型1，最后通过拓扑优化设计出骨架部分11和基底部分12的具体结构，骨架部分11中包含螺钉固定孔13。
54.步骤s30，按照所述三维模型对所述可降解金属材料进行选区激光熔化打印，制备接骨板的骨架部分。
55.选区激光熔化(slm，selective laser melting)是使用激光作为能源，对预先铺好的可熔性粉末按照设计的形状进行烧结熔化的工艺。将三维模型导入打印设备，激光的光束按照打印路径进行点线扫描，将可降解金属材料熔化打印成设计好的形状。
56.步骤s40，将所述骨架部分与模具组装，将所述可降解聚合物材料浇注至组装后的模具中，冷却后去除所述模具，得到金属/聚合物复合接骨板。
57.可降解聚合物材料部分可以使用模具浇注方法制作，使用的模具材料可以为硅胶、陶瓷或者树脂。可以根据可降解聚合物材料的浇注特性选择合适的模具材料，当可降解聚合物材料的浇注温度较低时，选择硅胶或者树脂作为模具，当可降解聚合物材料的浇注温度较高时，选择陶瓷作为模具。
58.作为一种示例，步骤s40还可以包括：
59.步骤b1，根据所述三维模型设计模具内部形状，将所述骨架部分置于所述模具内部进行组装；
60.步骤b2，将组装后的模具置于真空或高压环境中，在100-400℃下将所述可降解聚合物材料浇注至组装后的模具中；
61.步骤b3，根据预设的冷却曲线进行冷却处理，去除所述模具后得到金属/聚合物复合接骨板。
62.图3为复合接骨板的制备过程示意图，如图3所示，先通过slm制造金属材质的骨架部分11，将骨架部分11置于模具2内部的合适位置进行组装。将模具2置于真空或者高压环境中，100-400℃温度下将可降解聚合物材料浇注至模具中，形成基底部分12，浇注完成后冷却处理。可以根据可降解聚合物的成分确定冷却曲线，按照冷却曲线对浇注后的模具缓慢冷却，防止聚合物材料内部结构因冷却过快发生改变，影响使用性能。将固化成形的复合材料取出，去掉多余的部分，得到制备好的金属/聚合物复合接骨板。
63.本发明实施例还提供了一种可降解的金属/聚合物复合接骨板，如图4所示，图4为金属/聚合物复合接骨板与骨折部位的装配示意图，复合接骨板包括可降解金属材质的骨架部分和可降解聚合物材质的基底部分，骨架部分包含螺钉固定孔，可以与螺钉连接，将复合接骨板整体固定在骨折部位。
64.本发明实施例提供的可降解的金属/聚合物复合接骨板及其制备方法，使用具有不同力学性能和降解速率的材料通过结构设计组合，制备具有梯度降解性能的复合接骨板，骨愈合阶段的高强度和高刚度维持骨折部位稳定，利于新骨长出，骨重建阶段聚合物材料逐渐降解，强度和刚度下降，接骨板承担的力学刺激逐渐转移至骨折处新生骨组织处，促进新骨的重建和成熟，增强了与人体的骨折修复阶段的适应性，且复合接骨板可以在人体内被完全降解吸收，无需二次手术取出，减少了骨折患者的痛苦。
65.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
66.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
67.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发
明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。