基于选择性激光烧结的磷酸钙/纳米碳管骨组织支架微结构 |
| 2012-10-09 20:41 作者：申营营 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网10月9日讯】据《科技与生活》杂志2012年第15期载文称，采用选择性激光烧结快速成形方法制备β-磷酸三钙（β-TCP）生物陶瓷支架，添加纳米碳管（CNTs）强化增韧，对制取的支架进行Micro-CT扫描重建，分析支架微结构。Micro-CT分析表明制备的多孔陶瓷支架是一种大孔/微孔结构，孔径主要分布在60μm~340μm和500μm~620μm两个区域，孔隙分布均匀，具有较高的相互贯通性，宏观孔壁上分布有大量的微孔相通，能够满足骨组织工程支架基本要求。
仿生支架的研究是骨组织工程研究的主要问题之一。支架微结构包括孔的分布、孔径及表面结构对细胞分化起着重要作用[1]。研究表明植入体孔径应为100μm~600μm[2]，磷酸钙生物陶瓷的孔径大于100μm时允许具有哈弗氏管系统的骨组织的长入及促进骨生长[3]。支架微孔有利于组织液的渗入，促进材料的降解，有利于骨组织的长入。
选择性激光烧结可成形具有复杂外部形状和内部孔隙结构的支架[4]。β-TCP生物陶瓷能够诱导骨原细胞迁移到贯通的微孔处[5]，但其本身强度较低，因此需要对其增加强度和韧性[6]。纳米碳管具有极高的机械强度和良好的生物相容性[7-8]。
1材料和方法
1.1磷酸钙/纳米碳管支架的制备：
支架基体材料为β-TCP，颗粒平均粒径20.1nm。CNTs的粒径约为110µm。将混合材料置于4tanksmixer中混合，在激光烧结成形机中加工成毛坯件，于高温电炉中焙烧。支架直径为10mm，高度为5mm，宏观孔径设计值为800µm。
1.2支架微结构扫描：
Micro-CT系统对支架进行扫描获取连续的二维图像，分辨率为6μm，图像矩阵为1024×1024。图像数据以DICOM格式输出。
1.3空间结构分析
将DICOM格式扫描数据导入到Mimics12.01中。选取合适的阈值（min＝-970，max＝－943），使用3D重建工具，重建为三维实体。在图形处理软件Magics12.1中沿支架宏观孔交叉的平面剖开，观测其内部孔隙分布结构和贯通性。
2结果及讨论
2.1支架外观
实验表明高温焙烧后的支架无坍塌，坯体表面平整，无裂纹，设计的宏观孔清晰可辨。
2.2微区结构
图1所示为支架第20层的Micro-CT断层扫描图像，黑色为骨小梁结构，白色为小梁间隙。图中支架小梁结构相互连接，均匀分布的规则圆孔为CAD所设计的贯通通道，不规则微孔为高温焙烧粘结剂去除所形成的烧结颈形成。有少量的工艺微孔和所设计微孔通道融合形成较大的孔径。
Micro-CT测得的支架内部孔径主要分布在60μm~340μm和500μm~620μm两个区域。高温焙烧阶段烧除支架坯料内部的粘结剂所形成的烧结颈形成了60μm~340μm区域的微观孔，通过CAD设计所设计的800μm的孔径经过烧结成形工艺与高温焙烧收缩，其在X、Y、Z方向收缩因子分别为16.73%、17.30%、16.57%[12]，形成了500μm~620μm区域的宏观孔，少量宏观孔和微观孔贯通形成了800μm附近区域的微孔。
2.3空间结构
图2为重建后支架截面图（Magics软件中沿纵轴方向剖切），支架具有较大的贯通通道和较小的微孔结构。红色部分为平面剖切到的区域，灰白色部分为孔隙在该平面上的投影。图中，支架孔隙结构完整，孔隙分布均匀，具有较高的相互贯通性，而且宏观孔壁上分布有大量的微孔相通。这些微孔有利于毛细血管生长和营养物质运输，能够提高支架的生物特性，促进支架材料的降解吸收。
图1支架的二维断层图像第20层图2支架截面图
3结论
采用选择性激光烧结成形方法制备β-TCP生物陶瓷支架，添加纳米碳管（CNTs）强化增韧。对制取的支架进行Micro-CT扫描重建，分析表明制备的支架孔径主要分布在60μm~340μm和500μm~620μm两个区域，孔隙分布均匀，具有较高的相互贯通性，宏观孔壁上分布有大量的微孔相通，能够满足骨组织工程支架的基本要求。
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