一种大尺寸骨支架制造装置及其制造方法与流程

本发明涉及生物医学工程和组织工程技术领域，尤其是涉及一种大尺寸骨支架制造装置及其制造方法。

背景技术：
目前，随着社会的发展，各种创伤、骨肿瘤、人口老龄化等导致的骨缺损特别是长段骨缺损成为了骨科临床上的棘手问题。面对已有的传统骨缺损治疗方法包括自身骨移植、异体松质骨，以及其他骨移植方法等，存在供体不足、排异反应、手术耗费周期长等缺陷，骨组织工程技术在骨组织缺损治疗领域展现了它的优点，各种具有生物相容性、生物可降解性、具有高度连通有序通孔结构、可控孔形状和孔外形的多孔性骨支架被制造出来，使得细胞和养分能在支架中成功的运输，为细胞依附、生长和增值提供了空间。目前，已有的制造多孔骨支架的方法主要有，选择性激光烧结(selectivelasersintering)，三维印刷(three-dimensionalprinting)，熔融沉积建模(fuseddepositionmodeling)和自动注浆成型(robocasting)等方法，这些方法都能制造出不同尺寸的骨支架结构，但针对于骨缺损中的长段骨缺损问题，上述方法都存在不同的缺陷。如选择性激光烧结方法(例如申请号为201310282922.1的专利文献公开了一种可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的制备方法，利用选择性激光烧结工艺，制备成类似天然骨组织的多孔陶瓷/聚合物基复合骨支架)的设备投入成本高，对制造骨支架的粉体要求高，由于超细的粉体使得设备对外部环境要求高，制造一个大尺寸的骨支架需要预先准备大量的粉体，激光束的光斑直径导致不能制造很细线条的骨支架结构。三维印刷方法是利用设备中的挤出头挤出有粘结性的液滴，液滴落到正下方的粉体上，利用粘性液滴粘连粉体，形成一个具有三维孔结构的骨支架结构，液滴的粘性直接影响支架中线条的粗细，即制造的精度，对于骨支架结构如果内部孔小，结构内的没有粘结的粉体很难去除；熔融沉积建模方法存在只能用特定的热塑性聚合物材料，并且需要预先加工成丝才能制造；自动注浆成型方法能够制造多孔的骨支架结构，但不能制造像大段骨一样的长高度的结构，因为在制造过程中，材料无法继续支撑自身的重量，会坍塌。

技术实现要素：
基于已有的制造大尺寸骨支架设备和方法遇到的问题，本发明提供了一种多孔的大尺寸骨支架制造装置，通过该装置，能够制造出大尺寸的多孔的在高度方向即Z方向大尺寸的骨支架结构。本发明同时提供了一种新的骨支架制造方法，通过本发明方法，能够实现在高度方向大尺寸的多孔骨支架结构的制造，解决了制造多孔大段骨支架的问题，为后期大段骨缺损的治疗提供了很好的技术支持和材料。一种大尺寸骨支架制造装置，包括工作台面、挤出机构、驱动工作台面或挤出机构三维运动的工作框架以及温控单元，所述温控单元包括加热单元，以及驱动加热单元三维运动的运动平台；所述加热单元包括与所述运动平台固定的固定架以及设置在固定架上的加热块，该加热块围成对骨支架进行加热的工作空间。本发明的工作框架一般包括X轴轨道，Y轴轨道，Z轴轨道，通过滑块相互配合，实现三维运动。作为优选，所述的挤出机构固定安装在工作框架的X轴轨道上，其可以是气动挤出装置，也可以是机械式活塞挤出装置，还可以是机械式螺杆挤出装置。作为优选，还包括控制板，所述加热单元受控于该控制板；所述加热单元还包括检测骨支架周围环境温度的温度传感器，控制板采集该温度传感器的温度信号，根据温度信号大小实现对加热单元的控制。骨支架的形状一般为圆柱体型，为了使支架能够受热均匀，固定架的形状设计成U型或者半圆弧型，在制造支架时，支架的中心位于加热块的中心位置附近，使得支架能够均匀的受热。所以，作为优选，所述固定架一端与运动平台安装固定，另一端设有U型或者半圆弧型的安装端，所述加热块固定在安装端内，呈U型或者半圆弧型布置。作为优选，所述加热块为加热膜，加热线圈，加热板等中的一种。为了防止加热块产生的加热环境过大，使得在制造过程中的线条的水分过快蒸发，影响前一层与后一层的线条之间的粘结性能，使得骨支架不能成为一体，上下支架分离，上述的加热块不能太大，同时，对于横截面积很大的支架，如果加热块太小，会导致加热不充分，骨支架结构坍塌，厚度在3mm到15mm之间，可以根据不同的支架，选择不同厚度的加热块和提供不同的加热温度。作为优选，所述加热块的厚度在3mm到15mm之间。本发明中所述的固定架可以更换，通过更换不同尺寸，不同形状的支架，可以实现不同尺寸，不同形状的骨支架的制造。作为优选，所述运动平台包括：与工作台面固定第一水平轨道；垂直滑动设置在第一水平轨道上的第二水平轨道；竖直滑动设置在第二水平轨道上的Z轴轨道；所述固定架通过滑块与Z轴轨道滑动设置。上述第一水平轨道、第二水平轨道可选择X轴轨道或者Y轴轨道中任一种。所述固定架固定安装在上述运动平台的Z轴轨道上，所述Z轴轨道固定安装在X、Y轴轨道上，所述X、Y轴轨道固定安装在上述工作台面上。本发明的加热块和温度传感器都与控制板相连，在制造支架的过程中，控制板控制加热块对骨支架周围的环境进行加热，温度传感器对环境温度进行检测，把检测到的温度实时传输给控制板，形成一个闭环温度控制回路，通过控制板内的算法，再次控制加热块，使得支架周围的温度控制在一定设计的温度范围内。在制造过程中，热量传递到加热块对应位置的支架内部，加速骨支架内部水分的蒸发，使得支架能够在短时间内固化，在支撑自身重量的同时，也能够支撑后面即将在其上方打印的骨支架结构。根据需要制造的支架在工作面上的位置，加热装置在运动平台的作用下，可以快速方便的到达指定的位置，给支架进行加热，同时根据支架的大小，在控制板的作用下，利用预先设定的温度控制参数对支架进行加热。一种大尺寸骨支架制造方法，采用上述任一方案所述的大尺寸骨支架制造装置，包括以下步骤：首先，把粉体和粘性液体按一定的比例混合，配置挤出装置所需要的高粘度的生物墨水；然后：(1)利用分层软件将需要制造的骨支架三维结构模型分层切片处理，形成相应代码，即：将需要制造的骨支架三维结构模型输入计算机，利用分层软件分层切片处理，形成相应代码输入到骨支架制造装置中；(2)根据代码，挤出机构将预先配置好的生物墨水喷射到位于正下方的工作台面上，加热单元同时在运动平台驱动下实时调整加热位置，工作面上获得Z方向长尺寸的三维骨支架结构；即：加热装置根据制造的三维骨支架结构的具体尺寸在三维运动平台下全方位调整，同时随时改变温度值，并且温控装置和工作面一起沿Z轴向下运动，在工作面上获得可控的Z方向长尺寸的三维骨支架结构；(3)把得到的骨支架结构在80～120℃烘箱中干燥20～48小时，然后放到高温炉内高温1000～1500℃保温2～4小时，最后冷却得到骨支架结构。作为优选，所述三维骨支架结构为柱形结构；所述固定架一端与运动平台安装固定，另一端设有U型或者半圆弧型的安装端，所述加热块固定在安装端内，呈U型或者半圆弧型布置；所述三维骨支架结构设置在加热块中心位置。作为优选，所述的挤出装置中的生物墨水是一种高粘度的溶液，可以是水凝胶溶液和粉体的混合物，其具有自我支撑的能力，同时随着水分的蒸发，溶液会变硬。作为优选，所述生物墨水为水凝胶溶液和粉体的混合物；所述水凝胶溶液为PVA水凝胶溶液、CMC水凝胶溶液、PEG水凝胶溶液中的一种或几种混合；所述粉体可以是硅酸盐、磷酸盐、生物玻璃中的一种或几种的混合，其粒径在1到10微米之间。作为进一步优选，所述PVA水凝胶溶液中PVA的质量百分比浓度在1％～15％，CMC水凝胶溶液中的CMC的质量百分比浓度在0.5％～4％，PVA水凝胶溶液为小分子量的溶液，例如平均分子量为2000以下。作为优选，所述大尺寸骨支架制造装置包括还包括控制板，所述加热单元受控于该控制板；所述加热单元还包括检测骨支架周围环境温度的温度传感器，控制板采集该温度传感器的温度信号，根据温度信号大小实现对加热单元的控制；如果检测到的温度低于控制板设定的温度，则控制板输出控制信号给加热块，加热块继续加热；如果检测到的检测到温度达到或低于设定温度时，控制板继续进行判断：如果在设定时间内，设定温度与检测到的温度差值小于等于设定值，则控制加热块停止工作；如果在设定时间内，设定温度与检测到的温度差值大于设定值，降低加热块的功率，控制板继续控制加热块工作。与现有技术相比，本发明具有如下优点：一、本发明的骨支架制造装置结构简单，操作方便，制造成本低，利用生物墨水的特性，再加上控制板对加热温度的精确控制，实现高度方向大尺寸的多孔骨支架结构的制造。二、本发明的制造装置可以制造不同尺寸的骨支架结构，只需要事先更换相应的加热块和支架，操作简单方便。三、本发明的制造装置可以制造不同形状的骨支架结构，包括管状结构，实心圆柱体结构，以及薄片结构，只需要更改输入的支架三维模型结构。四、本发明的制造装置制造的多孔骨支架解决了大段骨制造的问题，为组织工程中的大段骨缺损治疗提供了有利的材料支持。附图说明图1是本发明的大尺寸骨支架制造装置的结构示意图；图2是本发明的大尺寸骨支架的制造方法流程示意图；图3是本发明的温控单元的结构示意图；图4是本发明的温控单元工作原理流程图；图5是本发明的温控单元加热温度控制图；图6是本发明的骨支架制造过程中加热单元的位置变化示意图；图7是本发明制造的多孔性骨支架实物图；图中：1为三维运动工作框架，2为挤出机构，3为温控单元，4为工作台面，5为X、Y轴运动平台，6为Z轴运动平台，7为支架，8为加热块，9为温度传感器。具体实施方式如图1、图3和图6所示，一种大尺寸骨支架制造装置，包括：三维运动工作框架1、挤出机构2，温控单元3，控制板以及工作台面4；如图1所示，三维运动工作框架1包括通过相对固定的四个立柱，以及固定在立柱顶部的Y轴工作轨道、X轴工作轨道，X轴工作轨道底部设有与Y轴工作轨道滑动配合的Y轴滑块；挤出机构2顶部一侧设有与X轴工作轨道滑动配合的X轴滑块。通过Y轴滑块、X轴滑块的移动，可实现挤出机构2X轴、Y轴方向的移动。三维运动工作框架1上同时设有Z轴轨道，工作台面4通过Z轴滑块与Z轴轨道滑动配合。X轴滑块、Y轴滑块、Z轴滑块均可以通过丝杠和电机驱动。挤出机构2固定安装在三维运动工作框架1的X轴上，其可以是气动挤出机构，也可以是机械式活塞挤出机构，还可以是机械式螺杆挤出机构。挤出机构2中的生物墨水是一种高粘度的溶液，可以是水凝胶溶液和粉体的混合物，其具有自我支撑的能力，同时随着水分的蒸发，溶液会变硬。上述水凝胶溶液可以是PVA，CMC，PEG等溶液中的一种或几种混合，PVA的质量百分比浓度在1％～15％，CMC的质量百分比浓度在0.5％～4％，PEG用低分子量的溶液，比如PEG-200，PEG-400，PEG-600，PEG-800，PEG-1000等。上述粉体可以是硅酸盐，磷酸盐，生物玻璃中的一种或几种的混合，其粒径在1到10微米之间。温控单元3包括加热单元以及驱动加热单元三维运动的运动平台，加热单元受控制板控制；温控单元3固定安装在工作台面4上。如图3所示，上述加热单元包括固定架7、固定在固定架7上的加热块8、固定安装在固定架7两个端部的温度传感器9。固定架7固定安装在上述运动平台的Z轴运动平台6上，Z轴运动平台6固定安装在X、Y轴运动平台5上，X、Y轴运动平台5固定安装在上述工作台面4上。上述的加热块8和温度传感器9都与控制板相连，通过X、Y轴运动平台5和Z轴运动平台6的运动，控制固定架7在三维空间内的运动，从而控制固定架7上的加热块8的运动，使其对固定架7进行均匀的加热。上述的X、Y轴运动平台5一般包括与工作台面4相对固定的X轴轨道和Y轴轨道，X轴轨道和Y轴轨道之间通过X轴滑块相连，X轴滑块可通过电机驱动；比如，当设置X轴滑块时，Y轴轨道通过X轴滑块与X轴轨道滑动配合。Z轴运动平台6一般也由Z轴轨道和Z轴滑块构成，Z轴轨道底部可通过Y轴滑块与Y轴轨道滑动配合；固定架7远离加热块8的一端通过Z轴滑块与Z轴轨道滑动配合。在制造过程中，热量通过热传导和对流慢慢传递到加热块对应位置的骨支架内部，加速骨支架内部水分的蒸发，使得骨支架能够在短时间内固化，在支撑自身重量的同时，也能够支撑后面即将在其上方打印的骨支架结构。根据需要制造的骨支架在工作台面上的位置，加热单元在运动平台的作用下，可以快速方便的到达指定的位置，给骨支架进行加热，同时根据骨支架的大小，在控制板的作用下，利用预先设定的温度控制参数对骨支架进行加热。上述的加热块8可以是加热膜，加热线圈，加热板等中的一种。为了防止加热块8产生的加热环境过大，使得在制造过程中的线条的水分过快蒸发，影响前一层与后一层的线条之间的粘结性能，使得骨支架不能成为一体，上下骨支架分离，上述的加热块不能太大，同时，对于横截面积很大的支骨架，如果加热块太小，会导致加热不充分，骨支架结构坍塌，厚度在3mm到15mm之间，可以根据不同的骨支架，选择不同厚度的加热块和提供不同的加热温度。在制造骨支架的过程中，加热块的位置要比挤出机构低，防止加热块在给骨支架提供热量的过程中，使得挤出机构内的未挤出的溶液过分蒸发，影响溶液的流动性，从而影响线条的挤出和整个结构的制造，一般选择在挤出机构已经制造完一部分骨支架后，开始对骨支架进行加热处理。固定架7可以更换，通过更换不同尺寸，不同形状的固定架，可以实现不同尺寸，不同形状的骨支架的制造。骨支架的形状一般为圆柱体型，为了使骨支架能够受热均匀，固定架7的形状设计成U型或者半圆弧型，在制造骨支架时，骨支架的中心位于加热块8的中心位置附近，使得骨支架能够均匀的受热。如图4所示，是本发明的温控单元工作原理流程图，在制造骨支架的过程中，首先把骨支架模型导入计算机，控制板根据骨支架的横截面尺寸和高度方向的尺寸，通过已有的温度控制方法得到相应的温度参数，控制加热块对骨支架周围的环境进行加热，温度传感器对环境温度进行检测，把检测到的温度实时传输给控制板，形成一个闭环温度控制回路，如果检测到的温度低于控制板设定的温度，则控制板输出数据给加热块，加热块继续工作，当检测到环境温度达到设定温度时，控制板继续按照设定的程序进行判断，如果在一段时间内，设定温度与检测到的温度差值比较小，自动认为当前热量流失比较少，则控制加热块停止工作，直到超出设定温度的下限时，控制加热块继续工作，如果在一段时间内，设定温度与检测到的温度差值比较大，则认为当前热量流失比较多，控制板继续控制加热块工作，只是放低加热功率，通过实时比较设定温度与检测温度的差值，调节加热块的加热功率，确保环境温度在一个设定的容许的范围内变化。如图5所示，是针对不同横截面积尺寸和高度尺寸的骨支架结构，所对应的温度调控范围图，当骨支架横截面积比较小时，不需要太高的温度，温度就能传到骨支架的内部，相反，当骨支架横截面积很大时，由于温度的传热速度相同，在相同的时间内，在同一温度下，在骨支架制造过程中，会导致骨支架的内部没有达到足够的温度，以致水分蒸发过慢，无法支撑其上方的骨支架结构，导致结构无法成型，甚至导致坍塌，所以需要更高的温度使得在相同的时间内，温度能够传热到骨支架内部，即使是高度很低的骨支架，由于此时骨支架的横截面积比正常时候要大很多，因此常温下的水分蒸发速度无法满足要求，所以还是需要加热单元的辅助，同时，对于不同高度的骨支架，当高度比较低时，骨支架上部分的结构重量比较轻，骨支架的下部分完全可以支撑，就不需要进行加热处理，或者把温度控制在室温，对于高度高的骨支架，需要进行加热处理，利用线条的固化来骨支撑后面的结构，具体的温度控制参数可以从图5上看出来，当横截面积大，高度又高时，所需要的加热温度最高，对于小尺寸的支架，可以不加热。本发明的装置制造的骨支架结构尺寸在横截面积的分界尺寸是225mm2和900mm2，高度的分界尺寸是15mm，25mm和50mm，对于不同材料的生物墨水，其水分蒸发速度也不同，因此温度存在一个波动，在分界尺寸附近也存在一定的交集。考虑到不同的季节，温度反差大，为了保证支架条件一致，把环境的温度控制在一个恒温范围内，20～24℃。如图2所示，一种大尺寸骨支架制造方法，包括以下步骤：1)把粉体和粘性液体按一定的比例混合，配置挤出机构所需要的高粘度的生物墨水；2)将需要制造的骨支架三维结构模型输入计算机，利用分层软件分层切片处理，形成相应代码输入到骨支架制造装置中，层高设置在0.1～0.4毫米，挤出线条大小为0.1～0.5mm，挤出线条间距为50～2000微米，挤出机构运动速度为2～40mm/s；3)控制板控制所有装置工作，挤出机构在三维运动工作框架的作用下运动到设定的骨支架制造位置，由挤出机构将生物墨水喷射到位于正下方的工作台面上，加热单元根据制造的三维骨支架结构的具体尺寸在三维运动平台下全方位调整，同时随时改变温度参数和加热功率，当制造完一层支架结构时，温控单元和工作台面一起沿三维运动工作框架的Z轴轨道向下运动一层的距离，同时加热块在随后沿运动平台的Z轴轨道上移一段距离，给刚挤出来的骨支架结构进行加热，循环往复，最后在工作台面上获得可控的Z方向长尺寸的三维骨支架结构。4)把得到的支架结构在100℃烘箱中干燥24小时，然后放到高温炉内高温1200℃保温3小时，最后炉内室温冷却得到骨支架结构。实施例如图7所示，是利用本发明的骨支架制造装置制造的高度方向大尺寸的多孔骨支架，以硅酸盐材料的骨支架结构为例，来说明支架的具体制造过程：1)通过化学合成方法制备硅酸盐粉体，通过球磨处理得到5到10微米大小的粉体，配置浓度在5％到8％之间的PVA水溶液，然后把粉体和溶液按重量比1.4～1.6:1的比例混合均匀，得到可挤出的高粘度的生物墨水；2)将需要制造的骨支架圆柱体结构模型输入计算机，利用分层软件分层切片处理，形成相应代码输入到骨支架制造装置中，层高设置在0.5毫米，挤出线条大小为1mm，挤出线条间距为1.9mm，挤出机构运动速度为15mm/s；3)控制板控制所有装置工作，起始位置如图6(a)所示，挤出机构和加热块都位于初始位置；接着如图6(b)所示，挤出机构在三维运动工作框架的作用下运动到设定的骨支架制造位置，由挤出机构将生物墨水喷射到位于正下方的工作台面上，加热单元根据制造的圆柱体支架结构的具体尺寸在其自身的三维运动平台作用下运动到相应位置，同时按照图5所示的加热温度控制图进行加热，当制造完一层骨支架结构时，温控单元和工作台面一起沿Z轴向下运动一层的距离，同时加热块在随后上移一段距离，给刚挤出来的支架结构进行加热，如图6(c)所示，循环往复，最后在工作台面上获得可控的Z方向长尺寸的三维骨支架结构，同时挤出机构和加热块都回到各自的初始位置，如图6(d)所示。4)把得到的支架结构在100℃烘箱中干燥24小时，然后放到高温炉内高温1200℃保温3小时，最后炉内室温冷却得到骨支架结构，如图7所示。