一种多层级仿生主动融合功能的融合器及其制备方法

本发明涉及生物医学材料技术领域，具体涉及到一种多层级仿生主动融合功能的融合器及其制备方法。

背景技术：

脊柱是人体的中轴骨骼，是身体的支柱。脊柱具有支持人体、维持稳定、传导负荷、运动、保护脊髓等重要功能，是人体健康的本源之一。然而，我国中老年人群中有90％患有脊柱疾病，在40岁以下的人群中，也有40％以上患有不同程度的脊柱疾患，而且由于社会发展，远程办公普及，中青年工作强度增大、工作时间延长，“低头族”、“久坐族”应运而生，脊柱疾病发病率逐年上升并呈年轻化趋势。

脊柱融合是脊柱外科应用最广泛的手术技术之一，主要通过建立脊柱即刻稳定以及植入物的骨生成、骨诱导、骨传导作用来促进脊柱骨性融合，已被公认对于这类疾病有较好的疗效。在植入物材料选取过程中，由于自体骨来源少、增加患者创伤、外形不规则，异体骨会与宿主间产生免疫排斥反应，目前，利用椎间融合器实现椎间融合已成为治疗脊柱类疾病的主要手段，其外形可设计、来源广泛、无二次损伤，且能维持椎间隙的高度、恢复前中柱的支撑、增加椎间孔容量、解除神经根受压、防止椎间隙塌陷及假关节的形成。

市场上较为成熟的钛合金椎间融合器多依赖于进口，不仅价格昂贵，且存在各种问题。在宏观尺度，其构型有限，尚且无法与最普通的患者实现精确匹配，面对“疑难杂症”级别的修复时更是束手无策，匹配效果差，治疗效果也差；在微观尺度，只实现了简单的亚毫米级多孔结构设计，在几十微米级别无创新，做不到仿生，导致手术效果不佳；在更微观的尺度，未进行生物性能的改良，同时缺乏活性材料等动态调控过程，导致骨融合缓慢，术后痊愈难，患者生存质量低。以上种种问题，加重了患者身体、心理、经济等多重负担。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明的目的是提供一种多层级仿生主动融合功能的融合器及其制备方法，本发明将逆向工程技术与3d打印技术相结合，利用激光选区熔融技术个性化定制融合器的宏观外形与双尺度类骨多孔结构，利用碱热、烧结与电沉积技术构建融合器纳米尺度的生物活性涂层。可有效解决现有融合器中存在的宏观尺度上构型单一且匹配效果差、微观尺度上孔径尺度不满足使用要求、易脱落、下沉和不具备骨组织主动融合的生物学功能的问题。

为达上述目的，本发明采取如下的技术方案：

本发明提供一种多层级仿生主动融合功能的融合器，包括四层级仿生结构，第一层级仿生结构为融合器的宏观外形结构，第二层级仿生结构为第一层级仿生结构的结构单元体，结构单元体呈宏观多孔结构，第三层级仿生结构为第二层级仿生结构的形貌调控结构，形貌调控结构呈微纳拓扑结构，第四层级仿生结构为第三层级仿生结构表面上的生物活化涂层。

进一步地，宏观外形结构包括植骨区和尾部固定接口。

进一步地，植骨区为上下两个椭圆形开口。

进一步地，宏观外形结构的前部比后部窄。

进一步地，结构单元体的连接方式为空间阵列排布连接，具体为在空间x轴、y轴和z轴三个方向上分别进行阵列，单元体彼此相切。

进一步地，第一层级仿生结构的尺度为毫米尺度。

进一步地，第二层级仿生结构的尺度为微米尺度，其孔隙率为70％～90％，其孔径为600-900μm。

进一步地，第三层级仿生结构的尺度为微纳尺度，其孔径为20-200μm。

进一步地，第四层级仿生结构的尺度为纳米尺度，其孔径为10-1000nm。

进一步地，结构单元体为钻石结构单元体，具体为金刚石立方晶体结构。

进一步地，微纳拓扑结构为规则排列的多孔结构或随机分布的拓扑结构。

进一步地，拓扑结构为星型结构、环型结构、树型结构或网状结构。

进一步地，生物活化涂层为钛酸钠结晶层或羟基磷灰石涂层。

进一步地，融合器的原材料为钛合金。

本发明中第一层级仿生结构为融合器的宏观外形结构，其构型并不作特殊限定，可根据适用个体的几何特征进行建模，进行个性化制作融合器的宏观外形结构，实现与适用个体的相邻上下椎体的高精度匹配；融合器的第二层级仿生结构为在微米尺度仿骨小梁结构构建的宏观仿生力学多孔结构，实现力学性能仿生，实现了融合器与适用个体更进一步地精度匹配；融合器的第三层级仿生结构在微纳尺度上孔径为20-200μm的微观拓扑形貌结构，实现了更高精度的结构以及更好的骨传导能力；融合器的第四层级仿生结构在纳米尺度上的孔径为10-1000nm的生物活化涂层，实现了主动诱导骨组织再生，促进椎间主动融合的生物学功能。

本发明还提供上述多层级仿生主动融合功能的融合器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、构建具有第一层级仿生结构和第二层级仿生结构的融合器模型；

步骤2、根据步骤1所得的融合器模型，构建融合器的第三层级仿生结构，得到具有三层级仿生结构的融合器；

步骤3、将步骤2所得的具有三层级仿生结构的融合器进行生物活化，构建融合器的第四层级仿生结构，得到多层级仿生主动融合功能的融合器。

进一步地，步骤1的具体过程为：

步骤1.1、重建病灶模型；

步骤1.2、根据步骤1.1所得的病灶模型，构建融合器的第一层级仿生结构；

步骤1.3、通过有限元分析和算法计算对融合器植入区域上下锥体真实应力进行仿真，构建融合器的第二层级仿生结构。

进一步地，步骤1.1中重建病灶模型的具体过程为：采集患者个体化病损ct数据，用mimics软件识别并重建病灶模型。

进一步地，步骤2的具体过程为：将步骤1所得的具有第一层级仿生结构和第二层级仿生结构的融合器模型导入3d打印机，通过激光选区熔融技术并控制调节其工艺参数，构建融合器的第三层级仿生结构，得到具有三层级仿生结构的融合器。

进一步地，步骤2中构建融合器的第三层级仿生结构包括以下步骤：

步骤2.1、调控设置3d打印机的工艺参数；包括激光功率10～100w、扫描速度200～2000mm/s、打印间隔0.1～0.5mm、铺粉层厚25-100μm；以调控比最高可打印模型精度更加精细的微纳拓扑结构，可以是规则排列的多孔结构或随机分布的拓扑结构；这种结构最小尺寸可达20μm，低于受激光光斑直径限制的最小可打印形貌尺寸100μm；

步骤2.2、将步骤2.1所设置参数配比的模型进行切片，使用激光选区域熔融技术进行打印；打印过程中，激光根据设定好的路径逐层累积出目标模型，打印得到的样品具有更小尺度微纳形貌结构，达成第三层级仿生结构的建立。

进一步地，步骤3中生物活化的过程为：

步骤3.1、将融合器置于碱性溶液中，55℃～75℃温度下反应1～3小时，生成钛酸钠水凝胶；

步骤3.2、将步骤3.1所得的钛酸钠水凝胶烘干后进行烧结热处理，在500℃～700℃温度下保温1～3小时，升温速率4～7℃/min，随炉冷却，水凝胶脱水为钛酸钠结晶，得到钛酸钠结晶层。

进一步地，步骤3.2中钛酸钠结晶层还可通过电化学沉积方法在融合器表面转化为羟基磷灰石涂层；电化学沉积方法的具体工作参数为：(1)样品、铂板和饱和甘汞电极分别作为阴极、阳极和参比电极；(2)电解液的温度为75℃～90℃；(3)cacl2·6h2o、nh4h2po4和nacl的摩尔比为20～30:10～20:1～3；(4)清水洗涤并室温下干燥。

进一步地，cacl2·6h2o、nh4h2po4和nacl的摩尔比为25:15:1.5，电解液的温度为85℃。

本发明具有以下优点：

1、本发明提供了一种毫米尺度宏观外形、微米尺度类骨多孔、微纳尺度次级多孔、纳米尺度钛酸钠结晶层或羟基磷灰石涂层复合构建的多层级仿生主动融合功能的融合器；在宏观尺度实现外形个性化设计与类骨多孔结构构建，在微观尺度实现微纳拓扑结构与表面生物活性纳米涂层的构建，显著优化了融合器的外形特征、力学性能与生物活性，可以主动诱导骨再生，具有骨主动融合的功能。

2、本发明提供了一种多层级仿生主动融合功能的融合器的制备方法，针对每一位患者个体化病损信息构建模型，采用金属3d打印先进技术进行个性化定制产品，精度高、质量优异、制造成本降低20％-40％，生产周期缩短80％，个体适配率>95％。

3、本发明提供了一种多层级仿生主动融合功能的融合器的制备方法，通过有限元分析仿生天然脊柱系统的应力环境，利用多孔结构力学差异构建不同力学需求的椎间融合器，调节单元体构型、杆径、孔径、孔隙率等参数，降低应力屏蔽，为细胞集落、血管和新骨组织的生长预留空间。

4、本发明提供了一种多层级仿生主动融合功能的融合器的制备方法，通过独创性工艺参数结合，突破机器自身最高可打印精度，可制备<100微米的微拓扑结构，接近成骨细胞尺寸，有利于细胞增殖与黏附，加快新骨长入。

5、本发明提供了一种多层级仿生主动融合功能的融合器的制备方法，通过碱热处理与电化学沉积，在钛合金表面构建生物活性涂层，实现钛合金表界面生物活性从无到有，机体与植入体实现有机骨性结合，骨传导性显著提升。

附图说明

图1为实施例1中获得的具有多层级仿生主动融合功能的融合器的外形实物图以及多层级sem图；其中，图1(a)为实施例中融合器的第一层级毫米尺度宏观外形结构实物图；图1(b)为实施例中融合器的第二层级微米尺度宏观多孔结构与第三层级微纳尺度表面拓扑结构共同sem形貌图，得到单元体棱宽(即杆径)为400μm，孔径为660μm，孔隙率为61.3％的钻石结构单元体组合的宏观多孔结构；图1(c)为实施例中融合器的第三层级微纳尺度表面拓扑结构sem形貌图，得到微纳尺度的形貌结构具体为70-85μm尺寸的规则排列的多孔结构；图1(d)为实施例中融合器的第四层级纳米尺度表面拓扑结构sem形貌图，得到钛合金表面10-100nm尺寸纳米级钛酸钠结晶。

图2为实施例4中获得的具有多层级仿生主动融合功能的融合器的第二、第三层级sem图。其中图2(a)为实施例中融合器的第二层级微米尺度宏观多孔结构与第三层级微纳尺度表面拓扑结构共同sem形貌图，第二层级参数同实施例1。其中图2(b)为实施例中融合器的第三层级微纳尺度表面拓扑结构sem形貌图，得到微纳尺度的形貌结构具体为<100μm尺度不规则排列的拓扑结构。

图3为对比例2中获得的只具有第一、第二层级仿生结构的融合器的微米尺度sem图，融合器表面无第三层级微纳尺度构建的微观拓扑结构。

图4为对比例3中获得的只具有第一、第二、第三层级仿生结构的融合器的纳米尺度sem图，融合器表面无第四层级纳米尺度钛酸钠结晶拓扑结构及其毛细微孔。

图5为本发明中多层级仿生主动融合功能的融合器各层级结构及关系示意图；其中，1、第一层级仿生结构；1-1、植骨区；1-2、尾部固定接口；2、第二层级仿生结构；3、第三层级仿生结构；4、第四层级仿生结构。

图6为本发明实施例8中获得的具有多层级仿生主动融合功能的融合器的外形实物图以及多层级sem图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例1

本发明中多层级仿生主动融合功能的融合器，包括四层级仿生结构，第一层级仿生结构为融合器的宏观外形结构，宏观外形结构包括植骨区和尾部固定接口，植骨区为上下两个椭圆形开口，且宏观外形结构的前部比后部窄，第二层级仿生结构为第一层级仿生结构的结构单元体，结构单元体的连接方式空间阵列排布连接，具体为在空间xyz轴三个方向上分别进行阵列，单元体彼此相切，第三层级仿生结构为第二层级仿生结构的形貌调控结构，第四层级仿生结构为第三层级仿生结构表面上的生物活化涂层；其各层级结构及关系示意图如图5所示，图5仅为示意图，但并不限定各层级的具体形状结构仅如图5所示。

下面以山羊颈3-4节段为对象构建的多层级仿生主动融合功能的融合器。其制作具体步骤如下：

(1)构建融合器第一层级仿生结构；

采集山羊的颈部ct数据，用mimics软件重建山羊颈3-4节段模型，经数据处理软件计算提取几何特征，设计融合器的宏观外形结构；

(2)构建融合器第二层级仿生结构；

截取颈4椎体10个平面松质骨的平均ct值，通过公式估算弹性模量。并通过有限元分析对融合器植入后山羊颈3-4节段上下锥体真实应力进行仿真，构建融合器类骨小梁宏观多孔结构；并对融合器进行力学性能测试，测试不同多孔结构融合器的弹性模量和屈服强度；本例宏观尺度多孔采用钻石结构单元体，单元体棱宽(即杆径)为400μm，孔径为660μm，设计孔隙率为70.1％，实测孔隙率为61.3％，屈服强度180.28mpa，弹性模量为6.71gpa；

(3)构建融合器第三层级仿生结构；

将融合器模型进行切片后导入打印机，调控打印机的工艺参数，其中激光功率为100w，扫描速度为900mm/s，打印间隔为190μm，铺粉层厚为25μm。打印得到的融合器样品具有微纳尺度的形貌结构，具体为70-85μm尺寸的有序排列的正交多孔结构；

(4)构建融合器的第四层级仿生结构；

配置浓度为5mol/l的naoh溶液，将钛合金椎间融合器样品植入溶液中，在60℃保温条件下反应1小时，经水洗烘干后，进行烧结热处理，在600℃保温1h，升温速率5℃/min，随炉冷却，在钛合金表面生成10-100nm尺寸纳米级钛酸钠结晶；

(5)经过上述步骤获得的钛合金融合器，具有四层级仿生结构，具体为毫米尺度个性化定制外形，微米尺度实测孔隙率为61.3％的钻石结构单元体力学仿生多孔结构，微纳尺度70-85μm尺寸的规则排列的正交多孔结构，纳米尺度10-100nm尺寸钛酸钠结晶，详情见附图1。

实施例2

选用单元体棱宽(即杆径)为300μm，孔径为760μm，设计孔隙率为81.6％的钻石结构作为宏观多孔结构的单元体。按照实施例1的方法，首先进行第一层级毫米尺度个性化宏观外形结构的定制，然后进行第二层级宏观多孔结构设计，随后进行第三层级微纳尺度表面拓扑结构的构建，最后进行第四层级纳米尺度表面钛酸钠结晶生物活性涂层的构建，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，本实例调整了第二层级微米尺度宏观多孔结构的杆径、孔径、孔隙率几种参数。最终得到融合器第二层级仿生结构为微米尺度实测孔隙率为74.4％的钻石结构单元体组合的宏观多孔结构，改变了融合器的力学性能，相比实施例1，屈服强度下降了48.8％，弹性模量下降了48.6％。

实施例3

按照实施例1的方法，制备多层级仿生主动融合功能的融合器，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，本实例中调整了第二层级微米尺度宏观多孔结构的杆径、孔径、孔隙率几种参数。最终得到融合器第二层级仿生结构为微米尺度单元体棱宽(即杆径)为200μm，孔径为860μm，设计孔隙率91.0％，实测孔隙率87.3％的钻石结构单元体组合的宏观多孔结构，改变了融合器的力学性能，相比实施例1，屈服强度下降了80.1％，弹性模量下降了83.8％。。

实施例4

按照实施例1的方法，制备多层级仿生主动融合功能的融合器，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，本实例中调整了第三层级微纳尺度表面拓扑结构的打印工艺参数。设置激光功率为40w，扫描速度为900mm/s，打印间隔为190μm，铺粉层厚为25μm。打印得到的融合器样品具有微纳尺度的形貌结构，具体为<100μm尺度不规则排列的拓扑结构，改变了融合器的生物学性能，相比实施例1，细胞增殖速率减小，细胞分布形态更加不规则，详情见附图2。

实施例5

按照实施例1的方法，制备多层级仿生主动融合功能的融合器，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，本实例中调整了第三层级微纳尺度表面拓扑结构的打印工艺参数。设置激光功率为100w，扫描速度为900mm/s，打印间隔为170μm，铺粉层厚为25μm。打印得到的融合器样品具有微纳尺度的形貌结构，具体为50-65μm尺寸的规则排列的正交多孔结构，改变了融合器的生物学性能，相比实施例1，细胞增殖速率增大，细胞分布形态更加规则。

实施例6

按照实施例1的方法，制备多层级仿生主动融合功能的融合器，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，本实例中调整了第三层级微纳尺度表面拓扑结构的打印工艺参数。设置激光功率为100w，扫描速度为900mm/s，打印间隔为210μm，铺粉层厚为25μm。打印得到的融合器样品具有微纳尺度的形貌结构，具体为90-105μm尺寸的规则排列的正交多孔结构，改变了融合器的生物学性能，相比实施例1，细胞增殖速率减小，细胞分布形态更加不规则。

实施例7

按照实施例1的方法，制备多层级仿生主动融合功能的融合器，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，本实例中调整了第三层级微纳尺度表面拓扑结构的打印工艺参数。设置激光功率为100w，扫描速度为900mm/s，打印间隔为190μm，铺粉层厚为100μm。打印得到的融合器样品具有微纳尺度的形貌结构，具体为100-200μm尺度不规则排列的孔洞结构，改变了融合器的生物学性能，相比实施例1，细胞增殖速率减小，细胞分布形态更加不规则。

实施例8

本例与实施例1的区别仅在于：步骤(4)中所得的钛酸钠结晶层再通过电化学沉积方法在融合器表面沉积生物活化涂层-100-1000nm羟基磷灰石涂层，电化学沉积方法的工作参数为：(1)样品、铂板和饱和甘汞电极分别作为阴极、阳极和参比电极；(2)电解液的温度为85℃；(3)cacl2·6h2o、nh4h2po4和nacl的摩尔比为25:15:1.5；(4)清水洗涤并室温下干燥；电化学沉积的具体操作过程为：具体参数及步骤：碱热处理后，在电化学工作站进行电沉积(parstat2273,princetonappliedresearch,usa)；处理后的样品被放置在一个容器中，空气通过真空泵泵入负压状态；然后在容器中加入含有2.5mmcacl26h2o、1.5mmnh4h2po4和0.15mnacl的电解质；采用脉冲电流法和三电极法；样品、铂板和饱和甘汞电极分别作为阴极、阳极和参比电极；电解液的温度为85℃；沉积后，样品用蒸馏水洗涤并在室温下干燥；即可得到羟基磷灰石涂层，以促进骨导电性和骨诱导性；其余步骤及参数均相同；详情见附图6。

对比例1

本例只构建融合器第一层级仿生结构。按照实施例1的方法，首选采集山羊的颈部ct数据，用mimics软件重建山羊颈3-4节段模型，经数据处理软件计算提取几何特征，设计融合器的宏观外形结构，参数选择与构建方法与实施例1相同，不同之处在于，本例不进行第二、第三、第四层级仿生结构的构建。在此例中所得融合器只能得到第一层级毫米尺度上个性化定制融合器宏观外形结构，无法得到第二层级微米尺度仿骨小梁结构构建的宏观仿生力学多孔结构、第三层级微纳尺度构建的微观拓扑结构、第四层级纳米尺度钛酸钠结晶拓扑结构及其毛细微孔。因此本实施例融合器结构致密，弹性模量极大，植入后容易造成应力屏蔽，造成临近骨骨折、骨吸收，以及融合器的移位、下沉等，同时未为细胞集落、血管和新骨组织的生长预留空间，新骨无法长入，难以实现骨融合。且融合器无表面微拓扑结构与生物活性涂层，生物学性能差，细胞增殖与黏附能力弱，成骨分化能力差，新骨难以生成，机体与植入体间难以形成有机骨性结合，骨传导性低，骨融合率低。

对比例2

本例只构建融合器第一、第二层级仿生结构。按照实施例1的方法构建融合器第一、第二层级仿生结构，参数选择与构建方法与实施例1相同，不同之处在于，本例不进行第三、第四层级仿生结构的构建。在此例中所得融合器只能得到第一层级毫米尺度上个性化定制融合器宏观外形结构、第二层级微米尺度仿骨小梁结构构建的宏观仿生力学多孔结构，无法得到第三层级微纳尺度构建的微观拓扑结构、第四层级纳米尺度钛酸钠结晶拓扑结构及其毛细微孔。因此本例融合器无表面微拓扑结构与生物活性涂层，生物学性能较差，没有提供更大的表面积来吸附蛋白质和细胞，支架的渗透性较差，且难以诱导新骨生成，机体与植入体间难以形成有机骨性结合，骨传导性较低，骨融合率较低，详情见附图3。

对比例3

本例只构建融合器第一、第二、第三层级仿生结构。按照实施例1的方法构建融合器第一、第二、第三层级仿生结构，参数选择与构建方法与实施例1相同，不同之处在于，本例不进行第四层级仿生结构的构建。在此实施例中所得融合器只能得到第一层级毫米尺度上个性化定制融合器宏观外形结构、第二层级微米尺度仿骨小梁结构构建的宏观仿生力学多孔结构、第三层级微纳尺度构建的微观拓扑结构，无法得到第四层级纳米尺度钛酸钠结晶拓扑结构及其毛细微孔。因此本例融合器无表面生物活性涂层，生物学性能不佳，无羟基磷灰石涂层诱导新骨快速生成，机体与植入体间形成有机骨性结合较慢，质量较差，骨融合率较低，速度较慢，详情见附图4。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本领域的技术人员不经创造性劳动即对所描述的具体实施例做的修改或补充或采用类似的方式替代仍属本专利的保护范围。