半月型3D打印PLGA/羟基磷灰石腰部椎间融合器的制备方法及产品和应用与流程

本发明涉及一种半月形3d打印plga/羟基磷灰石腰部椎间融合器的制备方法及产品和应用，属于医疗器械制备及加工的应用领域。

技术背景

近年来，“椎间融合术”的提出为脊柱外科带来了新的概念并引起了世界范围的广泛关注。其概念指由融合器植入的撑开作用所提供的持续张力，融合椎体周围的组织如纤维环、前后纵韧带及椎旁肌，从而整体达到一种超静力学的稳定性，最终通过内植器械与椎体终骨之间的界面接触而达到融合状态。腰椎间盘突出症是一种多发疾病，且腰椎退行性病变往往需要手术治疗，其髓核的摘除造成脊柱生物力学的改变，而脊柱外科手术内固定系统的出现提高了椎间融合的稳定性，有效增加了融合的成功率。

作为介体的椎间融合器需要诸如机械强度、弹性模量、耐腐蚀及抗疲劳等多方面的要求。目前临床应用较多的是聚醚醚酮（peek）材料和钛金属网材料，然而peek作为融合器的制作材料不具有生物活性，与上下骨性终板组织不能实现真正的融合，大多数表面被纤维组织覆盖，容易产生微动，进而影响椎体间的生物力学稳定性；钛金属椎间融合器较高的弹性模量会产生较大的应力屏蔽效应，使得融合器周围新生骨缺少相应的应力刺激，导致成骨缓慢，骨吸收，甚至出现假体周围骨质溶解及假体迁移。理想的可吸收椎间融合器在刚植入时应有足够的强度，随降解过程发展强度逐渐降低，载荷逐渐转移至宿主骨才有利于新骨生成并确保确实的骨融合，植入物完全吸收并被自体骨替代，最终形成生物学融合。plga由聚乳酸和聚乙酸共聚物按一定比例聚合而成，强度与plla相当，具有良好的生物相容性，其降解速率可调，完全吸收时间在9-18个月，比完全吸收耗时3-5.7年的plla显著缩短。羟基磷灰石（hap）分子式为（ca2(po4)6(oh)2）是骨组织中含量较多的一种无机物，它具有良好的生物相容性、可降解性以及促进骨细胞生长的作用，并具有弱碱性。近几年，hap作为支架填充骨修复材料，深入研究发现材料经hap混合填充后其力学强度高，可降解，植入后促进骨修复。

颈部椎间融合器在术后易出现融合器松动、移位、下沉及植骨不融合等问题。市面上的椎间融合器手术使用时开口创伤大，操作繁琐，病人常有感觉有异物，容易引起吞咽困难等情况。

熔融沉积3d打印技术通过将生物相容性的天然高分子或合成高分子等溶解在特定的溶剂中，通过加工头的加热挤压，在计算机的控制下逐层堆积，最终得到成形的立体零件，其成本较低，是目前常见应用的三维打印技术。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种半月形3d打印的plga/羟基磷灰石腰部椎间融合器的制备方法。不但具有优良的生物相容性、可控降解性、促骨生长性能而且力学性能得到改善。

本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的半月形3d打印的plga/羟基磷灰石腰部椎间融合器产品。术后不易出现融合器松动、移位、下沉及植骨不融合等问题，且操作简单。

本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。

本发明目的通过下述方案实现：一种半月形3d打印的plga/羟基磷灰石腰部椎间融合器的制备方法，采用3d打印技术，以聚乳酸-聚乙醇酸（plga）共聚物作为生物支架主体材料，0-30%质量分数纳米级羟基磷灰石颗粒作为填充料，包含以下步骤：

（1）plga/羟基磷灰石复合材料的制备：

将20万分子量的plga剪成小块后填入预先加热到140摄氏度的哈克流变仪的空腔中，分次加入纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1小时，冷却至70℃后拆卸腔体将材料取出，将混合后的材料剪成可放入3d打印机内的小块；

（2）融合器模型的准备：

以有限元人体腰椎真实模型为设计依据，应用cad软件编辑有限元模型，另存为stl标准文件，并修复未闭合的边缘以完善腰椎融合器的适配性数据模型；

（3）应用3dplotter生物打印机熔融沉积制备腰椎间融合器。

本发明首先通过熔融共混改性方法制备plga/羟基磷灰石复合打印材料，以有限元人体腰椎真实模型为设计依据，应用cad软件编辑有限元模型，并修复未闭合的边缘以完善腰椎融合器的适配性数据模型；可应用于载荷与边界条件、材料及骨骼拓扑结构的参数化研究及实际数字化制造。最后在德国3dplotter打印机打印出腰部椎间融合器实体。这种腰部椎间融合器具有优良的生物相容性、可控降解性、促骨生长性能以及杰出的力学性能，是一种应用于骨组织修复工程领域的具有很大的潜力的器件。

本发明以聚乳酸-聚乙醇酸（plga）共聚物为主体结构作为生物支架的主要成分，纳米级羟基磷灰石颗粒作为填充无机材料，与plga混合成plga/hap母料，然后通过熔融沉积成形3d打印制备生物可降解纳米羟基磷灰石复合融合器支架。具有促骨生长，诱导细胞向成骨细胞分化的作用，不但生物相容性、可控降解性、促骨生长性能优越，而且力学性能优异。

在上述方案基础上，步骤（1）所述的hap的颗粒大小为200-400nm。

本发明提供一种根据上述所述制备方法得到的半月型3d打印的plga/羟基磷灰石腰部椎间融合器，腰椎融合器为非规则的半月形空心本体，且边角经过倒角呈圆滑状，该本体至少由前后弧形壁和上下平面壁围成内部空腔，在空腔内设有加强筋，本体的一侧呈尖锐部作为引入端；本体上设有对称贯通的植骨孔，分别位于融合器本体的前后弧形壁上，植骨孔内填入植骨，可加快组织与材料的融合速度，让新骨细胞填充入空心腔内，增强其融合的效果复合后的融合器支架具有促骨生长，诱导细胞向成骨细胞分化的作用；上、下表面为平行平面结构，设有鱼鳞状排布的防滑齿；本体的另一侧设置螺纹孔，该螺纹孔的表面为平面，作为操作端连接手术器械后，提供骨锤操作嵌入融合器的支点，将融合器与椎骨进行固定，能方便手术器械的安装；在本体尖锐部的顶部和上、下表面设置互成交角的显影针，显影针由不锈钢材质制作并牢固的插入本体，在手术操作中，局部x光的照射下，定位针起到腰椎融合器显影并定位的作用，提示医生植入位置是否恰当到位。

本发明设计了包括融合器本体为半月型空心结构，且边角经过倒角呈圆滑特性，对称贯通的植骨孔设置在融合器本体的弧形结构中；融合器本体上、下表面具有锯齿形波浪防滑齿；融合器本体的后端设置螺纹孔与操作器械相连接，以及前端的尖锐部作为切入头，更利于操作。在术后不易出现融合器松动、移位、下沉及植骨不融合等问题。本发明产品具有植入准确，操作方便，加快术后愈合，稳定性好，牢固不易脱出的优点。

所述的防滑齿为30°角的等腰三角形。

所述的加强筋为“m”字形的加强筋，设在本体空腔内分为上下二个m型加强筋，其“m”型的五个支点分别抵顶设有植骨孔的弧形壁内壁，增加了腰椎融合器的抗压缩性能。

所述的植骨孔为椭圆形。

所述的螺纹孔为沉头螺纹孔。

融合器本体在上、下壁及尖锐部的顶端设置有辅助定位孔。

所述的显影针固定在该定位孔内。

本发明提供一种上述半月型3d打印的plga/羟基磷灰石腰部椎间融合器在腰部椎间治疗中的应用。手术开口创伤小，且操作简单，病人无异物感。

本发明所述腰部椎间融合器植入方便、加快术后器件与腰椎的融合，不易滑出植入部位且生物相容性高。

本发明的优点在于：

1.融合器本体上下表面设有类似鱼鳞排布的锯齿状防滑齿，呈平行排列，防滑齿用来增加椎间融合器与椎体椎间接触面积，增加腰椎融合器与腰椎椎体之间摩擦力，使之固定稳定，防止植入器件从椎体间滑出。

2.本发明融合器本体为半月型，且前部小，后部大，在后端操作端设置有螺纹孔，前端为原话处理的尖锐切入头，在安装器械时便于定位、植入更精确。

3.融合器的两弧形面上设置有植骨孔，可填入植骨，增强材料与椎体的融合速度和效果。

4.融合的内部设置有两个“m”字形加强筋，能有效的加强原半月形的承重效果，且易于材料与椎体部的融合，有效防止融合器穿透塌陷入下椎体中。

5.本腰椎融合器由plga/羟基磷灰石复合而成，具有促骨生长，诱导细胞向成骨细胞分化的效果。

附图说明

附图1为实施例1,2,3,4的主视图；

附图2为实施例1,2,3,4的后视图；

附图3为实施例1,2,3,4的右视图；

附图4为实施例1,2,3,4的左视图；

附图5为实施例1,2,3,4的俯视图；

附图6为实施例1,2,3,4的仰视图；

附图7为实施例1,2,3,4的立体图；

附图8为实施例5,6,7,8的主视图；

附图9为实施例5,6,7,8的后视图；

附图10为实施例5,6,7,8的右视图；

附图11为实施例5,6,7,8的左视图；。

附图12为实施例5,6,7,8的俯视图；

附图13为实施例5,6,7,8的仰视图；

附图14为实施例5,6,7,8的立体图；

附图15为使用状态图；

图中标号说明：

1、1’——本体，10、10’——尖锐部；

2、2’——前植骨孔；3、3’——后植骨孔；

4、4’——上防滑齿；8、8’——上、下防滑齿；

5、5’——螺纹孔；

6、6’——显影针一，7、7’——显影针二；

91、91’——上“m”字型支撑、92、92’——下“m”字型支撑。

具体实施方式

实施例1

一种半月形3d打印的plga/羟基磷灰石腰部椎间融合器的制备方法，采用3d打印技术，以聚乳酸-聚乙醇酸（plga）共聚物作为生物支架主体材料，包含以下步骤：

（1）plga/羟基磷灰石复合材料的制备：

将20万分子量的plga剪成可放入3d打印机内的小块；

以有限元人体腰椎真实模型为设计依据，应用cad软件编辑有限元模型，另存为stl标准文件，并修复未闭合的边缘以完善腰椎融合器的适配性数据模型；

应用3dplotter生物打印机熔融沉积制备腰椎间融合器，上述材料小块塞进3dplotter的打印腔体内，140摄氏度预热，层间堆积高度0.5毫米，3d打印制作腰椎椎间融合器。

腰椎融合器数据模型方面，参见图1-7，本实施例中主要包含主体结构呈类半月型空心结构本体1，非对称的半月型一侧由前后弧形相交形成尖锐部10作为引入端，具有植入引导的作用，有利于腰椎融合器的植入手术操作；本体1上设有对称贯通的前、后植骨孔2、3，分别位于融合器本体前、后弧形壁上。植骨孔内填入植骨，可加快组织与材料的融合速度，让新骨细胞填充入空心腔内，增强其融合的效果。

本体1的上、下表面设计有鱼鳞状排布的上、下防滑齿4、8，防滑齿为30°角的等腰三角形，这种设计能增大与腰椎椎体接触面，从而增加了器械与腰椎椎体间的摩擦，不易使椎间融合器从上腰椎椎体的下端面与下腰椎椎体的上端面脱出，能有效的融合上下椎体结构。

本体1的另一侧设置螺纹孔5作为操作端，螺纹孔5连接手术器械后，提供了骨锤操作嵌入融合器的支点，将融合器与椎骨进行固定。螺纹孔5的表面为平面，能方便手术器械的安装。

在本体1尖锐部10的顶端设置有显影针一6，在上壁面设置有显影针二7，显影针由不锈钢材质制作并牢固的插入本体1，在手术操作中，局部x光的照射下，定位针起到腰椎融合器显影并定位的作用，提示医生植入位置是否恰当到位。

在本体1空腔内设置有上、下“m”字型支撑91、92，以加强本体1的压缩强度。

参考图15，手术过程中，本发明本体1从引导端引入，先用器械将椎体撑开，然后填充无机骨水泥或骨质至腰椎间融合器空心内，以水平角度推入椎体空隙中。

实施例2

本实施例与实施例1近似，结构相同，只是以plga为主体材料，加入10%质量分数的纳米羟基磷灰石粉。

首先，将plga(20万分子量)剪成小块后填入预先加热到140摄氏度的哈克流变仪的空腔中，分次加入10%质量分数的纳米羟基磷灰石粉（hap），充分混合约1个小时，冷却至70°后拆卸腔体将材料取出。将混合后的材料用剪刀剪成小块塞进3dplotter的打印腔体内，设置140摄氏度预热30分钟，设置层间堆积高度0.5毫米，打印制作颈部融合器。

所述的hap的颗粒大小为200-400nm。

腰椎融合器数据模型方面，参见图1-图7，本实施例中主要包含主体结构呈类半月型空心本体1，非对称的半月型一侧由前后弧形相交形成尖锐部10作为引导端，具有植入引导的作用，有利于腰椎融合器的植入手术操作。本体1上设有联通的前、后植骨孔2、3，分别位于本体1的前后弧形壁上。植骨孔内填入植骨，可加快组织与材料的融合速度，让新骨细胞填充入空心腔内，增强其融合的效果。

本体1的上下表面设计有鱼鳞状排布的上、下防滑齿4、8，防滑齿为30°角的等腰三角形，这种设计能增大与腰椎椎体接触面，从而增加了器械与腰椎椎体间的摩擦，而不易使椎间融合器从上腰椎椎体的下端面与下腰椎椎体的上端面脱出，能有效的融合上下椎体结构。

本体1的另一侧设置螺纹孔5作为操作端，经螺纹孔5连接手术器械后，提供了骨锤操作嵌入融合器的支点，将融合器与椎骨进行固定。螺孔的表面为平面，能方便手术器械的安装。

本体1在尖锐端顶部设置显影针一6，在上表面设置有显影针二7，显影针由不锈钢材质制作并牢固的插入本体1，在手术操作中，局部x光的照射下，定位针起到腰椎融合器显影并定位的作用，提示医生植入位置是否恰当到位。

本体1在中间空心区域设置有“m”字型支撑，本实施例设置上、下“m”字型支撑91、92，以加强本体1的压缩强度。

参考图15，手术过程中，本体1自引导端引入，先用器械将椎体撑开，然后将填充无机骨水泥或骨质至腰椎间融合器本体1的空心内，以水平角度推入椎体空隙中。

实施例3

本实施例与实施例1近似，结构相同，只是以plga为主体材料，加入20%质量分数的纳米羟基磷灰石粉。

首先，将plga(20万分子量)剪成小块后填入预先加热到140摄氏度的哈克流变仪的空腔中，分次加入20%质量分数的纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1个小时，冷却至70°后拆卸腔体将材料取出。将混合后的材料用剪刀剪成小块塞进3dplotter的打印腔体内，设置140摄氏度预热30分钟，设置层间堆积高度0.5毫米，打印制作颈部融合器。

腰椎融合器数据模型方面，参见图1-图7，本实施例中主要包含主体结构呈类半月型空心本体1，非对称的半月型一侧由前后弧形相交形成尖锐部10作为引导端，具有植入引导的作用，有利于腰椎融合器的植入手术操作。本体1上设有联通的前、后植骨孔2、3，分别位于融合器本体1的两个前、后弧形壁上。植骨孔内填入植骨，可加快组织与材料的融合速度，让新骨细胞填充入空心腔内，增强其融合的效果。

本体1的上下表面设计有鱼鳞状排布的上、下防滑齿4、8，防滑齿为30°角的等腰三角形，这种设计能增大与腰椎椎体接触面，从而增加了器械与腰椎椎体间的摩擦，而不易使椎间融合器从上腰椎椎体的下端面与下腰椎椎体的上端面脱出，能有效的融合上下椎体结构。

腰椎融合器本体1的另一侧设置螺纹孔5作为操作端，经螺纹孔5链接手术器械后，提供了骨锤操作嵌入融合器的支点，将融合器与椎骨进行固定。螺孔的表面为平面，能方便手术器械的安装。

在本体1尖锐端顶部设置显影针一6，在近引导端的上表面设置有显影针二7，显影针由不锈钢材质制作并牢固的插入本体1，在手术操作中，局部x光的照射下，定位针起到腰椎融合器显影并定位的作用，提示医生植入位置是否恰当到位。

腰椎融合器本体1在中间空心区域设置有“m”字型支撑，以加强本体1的压缩强度。

参考图15，手术过程中，自本体1引导端引入，先用器械将椎体撑开，然后将填充无机骨水泥或骨质至腰椎间融合器空心内，以水平角度推入椎体空隙中。

实施例4

本实施例与实施例1近似，结构相同，只是以plga为主体材料，加入30%质量分数的纳米羟基磷灰石粉。

首先，将plga(20万分子量)剪成小块后填入预先加热到140摄氏度的哈克流变仪的空腔中，分次加入约30%质量分数的纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1个小时，冷却至70°后拆卸腔体将材料取出。将混合后的材料用剪刀剪成小块塞进3dplotter的打印腔体内，设置140摄氏度预热30分钟，设置层间堆积高度0.5毫米，打印制作颈部融合器。

腰椎融合器数据模型方面，参见图1-图7，本实施例中主要包含主体结构呈类半月型空心本体1，非对称的半月型一侧由前后弧形相交形成尖锐部10作为引导端，具有植入引导的作用，有利于腰椎融合器的植入手术操作。腰椎融合器本体1上设有联通的植骨孔2、植骨孔3，分别位于融合器本体1的两个弧形的壁上。植骨孔内填入植骨，可加快组织与材料的融合速度，让新骨细胞填充入空心腔内，增强其融合的效果。

本体1的上、下表面设计有鱼鳞状排布的上、下防滑齿4、8，防滑齿为30°角的等腰三角形，这种设计能增大与腰椎椎体接触面，从而增加了器械与腰椎椎体间的摩擦，而不易使椎间融合器从上腰椎椎体的下端面与下腰椎椎体的上端面脱出，能有效的融合上下椎体结构。

腰椎融合器本体1的另一侧设置螺纹孔5作为操作端，经螺纹孔5链接手术器械后，提供了骨锤操作嵌入融合器的支点，将融合器与椎骨进行固定。螺孔的表面为平面，能方便手术器械的安装。

在本体1尖锐部10的顶端设置有显影针一6，在近尖锐部10的上表面设置有显影针二7，二个显影针不在一个平面，该显影针由不锈钢材质制作并牢固的插入本体1，在手术操作中，局部x光的照射下，定位针起到腰椎融合器显影并定位的作用，提示医生植入位置是否恰当到位。

本体1在中间空心区域设置有“m”字型支撑，以加强本体1的压缩强度。

参考图15，手术过程中，本体1自尖锐部10植入椎体，先用器械将椎体撑开，然后将填充无机骨水泥或骨质至腰椎间融合器空心内，以水平角度推入椎体空隙中。

实施例5

将plga(20万分子量)剪成小块状，塞进3dplotter的打印腔体内，140摄氏度预热，层间堆积高度0.5毫米，3d打印制作腰椎椎间融合器。

腰椎融合器数据模型方面，参见图8-图14，本实施例中主要包含主体结构呈类半月型空心本体1’，由二段不同弧度的前弧形壁、后弧形壁、上、下平面壁围成内部空腔，非对称的半月型一侧前一段前弧形壁与后弧形壁相交构成的尖锐部10’作为引导部，具有植入引导的作用，有利于腰椎融合器的植入手术操作。腰椎融合器本体1’上设有联通的前、后植骨孔2’、3’，分别位于本体1’的另一前弧形壁、后弧形壁上。植骨孔内填入植骨，可加快组织与材料的融合速度，让新骨细胞填充入空心腔内，增强其融合的效果。

腰椎融合器本体1’的上、下表面设计有鱼鳞状排布的上、下防滑齿4’、8’，防滑齿为30°角的等腰三角形，这种设计能增大与腰椎椎体接触面，从而增加了器械与腰椎椎体间的摩擦，而不易使椎间融合器从上腰椎椎体的下端面与下腰椎椎体的上端面脱出，能有效的融合上下椎体结构。

与尖锐部10’对应，本体1’的另一侧设置螺纹孔5’作为操作部，经螺纹孔5’链接手术器械后，提供了骨锤操作嵌入融合器的支点，将融合器与椎骨进行固定。螺纹孔5’的表面为平面，能方便手术器械的安装。

腰椎融合器本体1’二段前弧形壁连接处的上表面有显影针一6’，尖锐部10’顶端设置显影针二7’，显影针由不锈钢材质制作并牢固的插入本体1，在手术操作中，局部x光的照射下，定位针起到腰椎融合器显影并定位的作用，提示医生植入位置是否恰当到位。

腰椎融合器本体1’在中间空心区域设置有上、下“m”字型支撑91’、92‘’，以加强本体1’的压缩强度。

参考图15，手术过程中，本体1’自尖锐部10’植入椎体，先用器械将椎体撑开，然后将填充无机骨水泥或骨质至腰椎间融合器空心内，以水平角度推入椎体空隙中。

实施例6

本实施例与实施例5近似，结构相同，只是以plga为主体材料，加入10%质量分数的纳米羟基磷灰石粉。

首先，将plga(20万分子量)剪成小块后填入预先加热到140摄氏度的哈克流变仪的空腔中，分次加入约10%质量分数的纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1个小时，冷却至70°后拆卸腔体将材料取出。将混合后的材料用剪刀剪成小块塞进3dplotter的打印腔体内，设置140摄氏度预热30分钟，设置层间堆积高度0.5毫米，打印制作颈部融合器。

腰椎融合器本体1’结构与实施例5相同。

参考图15，手术过程中，本体1’自尖锐部10’植入椎体，先用器械将椎体撑开，然后将填充无机骨水泥或骨质至腰椎间融合器空心内，以水平角度推入椎体空隙中。

实施例7

本实施例与实施例5近似，结构相同，只是以plga为主体材料，加入20%质量分数的纳米羟基磷灰石粉。

首先，将plga(20万分子量)剪成小块后填入预先加热到140摄氏度的哈克流变仪的空腔中，分次加入20%质量分数的纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1个小时，冷却至70°后拆卸腔体将材料取出。将混合后的材料用剪刀剪成小块塞进3dplotter的打印腔体内，设置140摄氏度预热30分钟，设置层间堆积高度0.5毫米，打印制作颈部融合器。

腰椎融合器本体1’结构与实施例5相同。

参考图15，手术过程中，本体1’自尖锐部10’植入椎体，先用器械将椎体撑开，然后将填充无机骨水泥或骨质至腰椎间融合器空心内，以水平角度推入椎体空隙中。

实施例8

本实施例与实施例5近似，结构相同，只是以plga为主体材料，加入30%质量分数的纳米羟基磷灰石粉。

首先，将plga(20万分子量)剪成小块后填入预先加热到140摄氏度的哈克流变仪的空腔中，分次加入30%质量分数的纳米羟基磷灰石粉，充分混合约1个小时，冷却至70°后拆卸腔体将材料取出。将混合后的材料用剪刀剪成小块塞进3dplotter的打印腔体内，设置140摄氏度预热30分钟，设置层间堆积高度0.5毫米，打印制作颈部融合器。

腰椎融合器本体1’结构与实施例5相同。

参考图15，手术过程中，本体1’自尖锐部10’植入椎体，先用器械将椎体撑开，然后将填充无机骨水泥或骨质至腰椎间融合器空心内，以水平角度推入椎体空隙中。