基于3D打印的CPC人工骨支架流道结构设计

人工骨支架植入人体后主要为细胞提供支撑作用。3D打印技术的出现为组织工程化人工骨支架结构的设计、制造与优化提供了新的方法。为研究磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement,CPC)人工骨支架的微孔分布及孔隙率与力学性能的关系,设计了3种不同主流道模型,并在原始模型的基础上对微孔道进行了细化,分别建立这些具有不同孔隙率的支架结构模型,采用Ansys Workbench对这些模型进行有限元分析,提取各个模型的最大等效应力和最大总变形,综合分析支架微孔的分布及孔隙率与上述参数的关系。结果显示,支架的力学性能与微孔道的分布有着紧密的关系,对于同种模型,随着孔隙率的增大,支架的最大总变形呈递增趋势,但不同模型的上述参数对孔隙率的敏感性存在一定的区别。分析结果为后续通过3D打印技术制备生物陶瓷人工骨支架提供了参考依据。     

骨组织工程多孔生物支架设计研究进展

由人口老龄化、严重不愈合骨折等引起的骨缺损,使人们对人工骨替代物的需求急剧增加。支架作为骨缺损的人工骨替代物,在骨组织工程新骨再生中起到至关重要的作用。人体不同组织(硬骨和软骨),甚至是相同组织的不同部位(骨骼的中部和外部)对支架的力学性能、内部微观结构和孔隙率等参数的要求都不尽相同。如何在理想生物材料的基础上,模拟天然骨的性能和结构,设计出具有可控力学性能、结构和渗透率等性能的支架,一直困扰着组织工程研究者。综述了多孔骨支架在设计成型方面近年来国内外代表性的研究工作,重点探究了多孔支架设计方法,阐述了多孔支架在骨组织工程应用中面临的挑战,为深入开展可控多孔支架的研究和应用提供一定的参考。     

新型人工骨支架结构及其功能

提出新的具有渐变性孔隙率特性的同心圆人工骨支架结构,建立数学模型并且编写结构设计和仿真软件。通过宏观把握孔隙率变化,建立人工骨支架结构与自然骨之间的对应关系,建造复杂的、高孔隙率、相互连通的微孔道立体结构,并显示三维图像指导支架内部结构的设计。由软件生成IGS文件导入其他三维辅助设计软件如 PRO／E等生成STL文件,结合快速成形技术直接制造。最后讨论该支架结构与Kammer股骨三维桁架理论结构模型之间的关系,以及该结构对骨再造和人工骨支架结构设计前景的影响。     

骨组织工程支架的不同孔隙率对成形性能的影响分析

生物三维打印成形的支架孔隙率对引导骨组织的再生极其重要。首先对不同孔径大小的骨组织工程支架模型进行有限元分析。再利用易降解、生物相容性良好的聚乙烯醇(PVA)与羟基磷灰石(HA)混合材料制备出不同孔隙率的骨组织工程支架,对其宏观特征、微观结构和力学性能等重要参数进行对比,得出孔隙率约为60%的骨组织工程支架实际平均抗压强度为14.90 MPa,力学性能与生物相容性最佳,为提高成骨效率奠定实验研究基础。     

仿生骨支架微观孔结构的构建与评价

在分析人体骨微观孔结构和影响支架性能因素的基础上,提出仿生骨支架微观孔结构的构建与评价方法。基于多约束背包问题模型的结构,以椭球体作为构建微观孔结构负模型的单元体,利用混合遗传算法求解微观孔结构的负模型;并将孔隙率和连通性作为约束条件,以保证仿生骨支架具有生物活性。通过不含微观孔的支架模型与负模型之间的布尔运算,构建含有微观孔结构的仿生骨支架模型。以支架的孔隙率、孔间的连通性、孔分布的均匀性、孔道的扭曲度和支架的比表面积作为评价指标,建立仿生骨支架微观孔结构的评价体系。基于支架微观孔结构的负模型,提出支架的孔隙率、连通性、均匀性、扭曲度和比表面积的计算方法,以实现对仿生骨支架微观孔结构的评价与优化。通过上述方法构建的仿生骨支架具有良好的生物活性、较好的力学性能以及均衡的降解速度。     

有限元分析在骨支架设计中的应用

生物可降解骨支架设计一直是组织工程的重点,为满足骨支架植入后的性能要求,生物力学特性是其设计过程中首要考虑的问题之一。通过对不同孔隙率骨支架的分析,提出骨支架有效弹性模量与孔隙率和材料弹性模量之间的关系式,作为骨支架设计中的参考。分析中所用骨支架的孔隙率通过组合可控微单元体进行调整,对大量的骨支架的有限元分析表明:0.5%总体压应变下有效弹性模量与孔隙率和弹性模量之间关系是线性的以及对于不同属性材料,其弹性模量越高,随着孔隙率的增大,其有效弹性模量减小速度越快。     

组织工程骨支架微宏观模拟分析

应用沉积挤出快速成型技术制备组织工程骨支架过程中,复合生物材料之间相互作用的稳定性、喷头装置中复合凝胶的流动状态及制备工艺参数影响组织工程骨支架成型及成型后骨支架力学性能和孔隙结构。针对以上问题,应用分子动力学模拟软件Materials studio中经典力学工具Forcite对羟基磷灰石(HA)/聚乙烯醇(PVA)/丝素蛋白(SF)共混体系进行模拟,分析羟基磷灰石与生物复合凝胶聚乙烯醇/丝素蛋白相互作用后稳定性。结合三者混合材料特性,通过有限元模拟软件FLUENT分析复合生物材料的流动状态,依据流体分析结果,调整制备骨支架工艺参数。模拟结果表明,HA/PVA/SF三者混合材料具有良好粘结性及力学性能;有限元模拟计算出高粘度材料制备过程中流体状态分布。通过实验,结合流体分布状态,调整最佳制备参数,制备的骨支架具有良好的力学性能,混合生物材料成分基本未发生变化,表面微观孔隙能够达到生物因子驻留和营养物质交换的要求。     

生物凝胶微孔挤出胀大的有限元模拟与三维打印成形

由于挤出胀大现象的存在,在室温条件下通过三维打印技术(Three-dimensional printing,3DP)成形的凝胶组织工程支架与输入的目标支架原始模型相比,内部微观孔隙结构精度与孔隙率明显降低。针对这一问题,采用流体计算软件Polyflow对明胶-海藻酸钠共混体系交联形成的生物凝胶材料在挤出成形过程中通过喷头直径过渡段时流线的收缩与离开喷头后的挤出胀大现象进行有限元模拟,着重分析凝胶黏度与供料压力对挤出胀大的影响规律,并通过试验验证模拟的合理性。提出将挤出胀大引起的尺寸变形误差引入支架模型的设计过程。通过数值模拟与试验结果的对比,合理调整模型中纤维间距,利用得到的最佳工艺参数进行凝胶组织工程支架的三维打印成形。结果表明,支架内部的微观孔隙结构精度和孔隙率与理想支架要求近似吻合。通过对生物凝胶挤出胀大的模拟分析,可为凝胶组织工程支架的精确打印成形提供理论依据和技术指导。     

多孔氧化锆基体上涂覆羟基磷灰石涂层材料的制备和性能

用凝胶成型法制备了三维网状开孔结构的多孔氧化锆(ZrO2)支架材料,通过改变浸渍循环次数实现了对材料孔隙率的控制;然后在多孔ZrO2支架的表面涂覆了羟基磷灰石(HA)涂层,中间涂覆了氟磷灰石(FA)层,用XRD对其进行了表征,并进行了体外模拟试验。结果表明:加入FA中间层以后,防止了HA和ZrO2之间的化学反应,提高了涂层性能;涂覆了HA的多孔ZrO2材料的强度是多孔HA材料强度的7倍多;这种有涂层的多孔支架材料很适合细胞的生长,具有良好的生物相容性。     

可控微结构支架光固化快速成形间接构造方法

提出一种以计算机辅助设计(CAD)和光固化快速成形为基础,精确设计和控制支架内部微观结构,实现支架外形与内部可控微结构一体化制造的方法。根据实际CT数据,应用三维CAD软件重构骨骼外形;依据利于细胞生长和促进成骨的原则,设计不同结构的支架内部微管道,控制微管道的尺寸、形状、走向、分支以及相互连通性。利用光固化快速成形技术构造相应的树脂模具,在模具中填充生物材料,待其固化后,通过热分解去除树脂模具,形成具有可控微结构的支架。光学显微镜下观察支架内部微管道结构,其结果与设计相符合。与传统支架构造方法相比,该方法在对支架外形重构和内部微结构制造的控制方面得到了改善。     

快速成形中PAN基碳纤维/HA力学性能模拟研究

在人工骨支架增材制造过程中,为了制造出具有不同力学性能的人造骨支架适合不同病患,提出利用分子动力学(Molecular dynamics,MD)模拟方法,研究所用基体复合材料(聚丙烯腈(Poly acrylonitrile,PAN)基碳纤维和羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HA))表面之间的相互作用及力学性能。分别在原子模拟凝聚相优化分子势能力场(Condensed-phase optimized molecular potentials for atomistic simulation studies,COMPASS)和通用力场(Universal force field,UFF)下,对比计算HA和PAN基碳纤维/HA的力学性能,并比较其弹性模量和泊松比,证明羟基磷灰石是一种各向异性材料,并给出羟基磷灰石中添加PAN基碳纤维可以有效改善其力学性能。针对沿不同剪切方向上的PAN基碳纤维/羟基磷灰石进行动力学计算,表明在不同的力场下,羟基磷灰石均是在沿(110)剪切面上与聚丙烯腈纤维产生的结合能值较大。结合径向分布函数分析,揭示了PAN/HA复合材料主要是通过PAN中的N原子与HA表面发生强作用,从而提高PAN/HA基体力学性能。     

Fabrication and characterization of three-dimensional poly(ether- ether- ketone)/-hydroxyapatite biocomposite scaffolds using laser sintering

The ability to have precise control over porosity, scaffold shape, and internal pore architecture is critical in tissue engineering. For anchorage-dependent cells, the presence of three-dimensional scaffolds with interconnected pore networks is crucial to aid in the proliferation and reorganization of cells. This research explored the potential of rapid prototyping techniques such as selective laser sintering to fabricate solvent-free porous composite polymeric scaffolds comprising of different blends of poly(ether-ether-ketone) (PEEK) and hydroxyapatite (HA). The architecture of the scaffolds was created with a scaffold library of cellular units and a corresponding algorithm to generate the structure. Test specimens were produced and characterized by varying the weight percentage, starting with 10 wt% HA to 40 wt% HA, of physically mixed PEEK-HA powder blends. Characterization analyses including porosity, microstructure, composition of the scaffolds, bioactivity, and in vitro cell viability of the scaffolds were conducted. The results obtained showed a promising approach in fabricating scaffolds which can produce controlled microarchitecture and higher consistency.     

Functional graded scaffold of HDPE/HA prepared by selective laser sintering: microstructure and mechanical properties

This paper presents a study on the effect of hydroxyapatite (HA) content on the microstructure and mechanical properties of high-density polyethylene (HDPE)/HA composites and the fabrication of functional graded scaffold of HDPE/HA by selective laser sintering (SLS). The microstructure of the sintered composite scaffolds had interconnected pores with diameters of 30–180 μm and porosity of 45–48 %. The HDPE/HA composite scaffolds had a flexural modulus of 36–161 MPa and ultimate strength of 4.5–33 MPa. The maximum loss modulus peak tended toward lower temperature values for HDPE/HA composites with 10 and 20 % of HA content, indicating that the α_χ relaxation was slightly affected by higher quantities of HA. The HA particles reinforced the matrix and minimized the plastic and definitive deformation under the test conditions. HDPE/HA functional graded scaffold fabricated using SLS with controlled microstructure and properties showed considerable potential for biomedical applications, being suitable for bone and cartilage tissue engineering.     

PLLA/CPC复合支架增强结构设计及制备

为制备用于负重部位骨缺损修复的人工植入体,提出了一种复合增强结构人工骨设计及制备方案,该方案采用聚左旋乳酸支架(PLLA)为增强结构,以自凝固磷酸钙骨水泥(CPC)为复合填充材料,制备了复合增强结构人工骨。研究了PLLA的棒材力学性能、支架设计和制作及其不同增强结构形式对人工骨力学性能的影响。力学试验结果表明,所制作的人工骨有效提高了承载能力,并且该复合结构能有效弥补金属骨无法降解的缺陷。     

生物活性骨的新型制备方法研究

提出了一种制备人工生物活性骨的新方法并建立了相应的工程化制造系统。利用该系统所制作出的人工骨外形与被替代骨一致,内部具有模拟真实骨组织微管系统结构,并通过复合骨生长因子使其具有生物活性,弥补了传统生物填充材料由于缺乏活性而无法实现骨诱导的缺陷。动物试验的结果表明,所制作出的人工骨内部哈佛管与浮克曼管的仿真结构为新生骨细胞的三维并行生长提供了理想的空间条件,有效地促进了人工骨的快速活化。     

孔隙率可控的多孔羟基磷灰石生物陶瓷的制备

采用凝胶成型法制备用作骨移植和药物传递的多孔羟基磷灰石(HA)生物医用陶瓷,通过改变工艺参数制得了孔隙率和孔径可控、内部连通的三维网状开孔结构的HA,对其孔隙率、孔径及生物相容性进行了分析.结果表明:通过改变循环浸渍次数可以控制调节孔隙率在45%～92%之间;通过改变母体模板和浆料涂层的厚度可以控制孔径;制得的HA具有良好的生物相容性,具有这种特点的孔洞结构有利于骨细胞的生长.     

Fabrication of porous beta-tricalcium phosphate with microchannel and customized geometry based on gel-casting and rapid prototyping

The tissue engineering scaffolds with three-dimensional porous structure are regarded to be beneficial to facilitate a sufficient supply of nutrients and enable cell ingrowth in bone reconstruction. However, the pores in scaffolds tend to be blocked by the cell ingrowth and result in a restraint of nutrient supply in the further side of the scaffold. An indirect approach of combining the rapid prototyping and gel-casting technique is introduced in this study to fabricate beta-tricalcium phosphate (beta-TCP) scaffolds which not only have interconnected porous structure, but also have a microchannel network inside. The scaffold was designed with customized geometry that matches the defect area, and a double-scale (micropores-microchannel) porous structure inside that is beneficial for cell ingrowth. The scaffolds fabricated have an open, uniform, and interconnected porous architecture with a pore size of 200-400 microm, and posses an internal channel network with a diameter of 600 microm. The porosity was controllable. The compressive yield strength was 4.5 MPa with a porosity of 70 per cent. X-ray diffraction analysis shows that these fabrication processes do not change the crystal structure and chemical composition of beta-TCP. With this technique, it was also possible to fabricate porous scaffolds with desired pore size, porosity, and microchannel, as well as customized geometries by other bioceramics.