用射频(RF)等离子体放电装置对生物相容性结构进行等离子体处理。在某一实施例中，RF等离子体处理时间约为1-3分钟。在某一实施例中，等离子体处理的生物相容性结构100灭菌后用于动物研究。等离子体处理的目的是断开聚合物的表面键。在等离子体处理后，氧原子“附着”到表面，改变该表面的表面能，从而使该表面变得更亲水且具备富氧和富氮官能团。
[0098]在某一实施例中，生物相容性结构100的制备方法进一步包括将第三组织形成材料加入到生物相容性结构100中。在某一实施例中，第三组织形成材料包括生物活性材料、生物活性细胞或它们的混合物。生物活性材料包括蛋白质、酶、生长因子、氨基酸、骨形态发生蛋白、血小板衍生的生长因子、血管内皮生长因子或者是它们的混合物。生物活性细胞包括上皮细胞、神经细胞、神经胶质细胞、星形胶质细胞、足细胞、乳腺上皮细胞、胰岛细胞、内皮细胞、间质细胞、干细胞、成骨细胞、肌细胞、横纹肌细胞、成纤维细胞、肝细胞、韧带成纤维细胞、腱成纤维细胞、软骨细胞或者是它们的混合物。
[0099]生物相容性结构100可为与植入部位相匹配的任何形状、尺寸和重量。在某一实施例中，通过手术从山羊的胫骨中移除长骨，而本申请的适合于山羊的植入部位的生物相容性结构被用于山羊的骨再生。
[0100]在某一实施例中，当生物相容性结构100被用于牙科骨再生时，HAP纳米粒子的浓度明显高于用于其他骨再生(例如，胫骨再生)的生物相容性结构中的HAP纳米粒子的溶度。在某一实施例中，用于牙科的生物相容性结构可以被粉碎并形成许多高表面积的粒子。
[0101]在某一实施例中，与先制备出生物相容性结构100然后将她用作移植材料不同，生物相容性结构100还可就地形成。例如，将第一聚合物层空气喷射到植入部位或骨缺陷区域，然后将骨颗粒的第一层加入到聚合物层并沉积在聚合物层上。然后，将第二聚合物层空气喷射到第一骨颗粒层上，再加入骨颗粒的第二层。重复上述过程直到包括交替的聚合物层和骨颗粒层的生物相容性结构与植入部位相匹配或能模拟需替换的骨缺陷为止。
[0102]在某一实施例中，医学博士(MD)可以对病人进行三维计算机轴向断层扫描(CAT)并将结果发送给制造商，例如可通过邮件将CAT扫描文件发送给制造商。然后，制造商可构建与实际骨缺陷完美匹配的本发明的移植物。
[0103]图4示出了本发明实施例提供的一个制备生物相容性结构的例子。
[0104]在操作402中，将500ml甲醇加入到IL烧杯中。烧杯放置在磁力搅拌器上并且用磁力搅拌棒进行混合。然后，将SOg聚氨酯114加入到烧杯中的甲醇里。通过搅拌棒混合溶液以使聚氨酯完全溶解在甲醇溶剂中并使聚氨酯114均匀地分布在溶液中。聚氨酯的混合和溶解是在室温下进行的。在某一实施例中，可对溶液加热以加速这个过程。
[0105]在操作406中，再将20g HAP纳米粒子112(例如伯克利先进生物材料公司Berkeley Advanced B1materials, Inc.)加入到溶液中。使用声波处理以确保HAP纳米粒子112均匀地分布在溶液中。(超声波仪，声波处理时间和功率)。
[0106]在操作410中，用吸量管吸取1ml溶液并施加到PTFE的表面。在PTFE表面上形成溶液薄层。溶液薄层可在室温下干燥可变时间，以形成聚合物薄膜。或者，PTFE表面的溶液层可放在烘箱中加热或低压处理一段时间以加速聚合物薄膜的形成。在某一实施例中，加热温度可为约30-70°C，加热时间可为约2-1500分钟。在某一实施例中，可在真空环境下加热少于24小时可使第二溶液在PTFE表面上干燥从而形成聚合物薄膜。聚合物薄膜的厚度约为 0.01 -.SOmnin
[0107]在操作414中，再将聚合物薄膜切成相同的条，其长度约为0.05-20cm、宽度约为
0.02-5cm、厚度约为0.01-50mm。在某一实施例中，聚合物薄膜可切成不同形状和尺寸的条。
[0108]在操作418中，将第一条放置在PTFE表面以形成第一聚合物层102。将骨颗粒106的第一层加入到第一聚合物层102的表面。将第二条放置在第一骨颗粒层106上以形成第二聚合物层102。然后第二聚合物层102表面上形成第二骨颗粒层106。通过交替地放置条和骨颗粒层，就形成了具有预定形状和尺寸的三维支架。
[0109]为了使整个结构保持在一起，例如，可通过吸移管加入甲醇或其他聚合物溶剂，以从表面上液化聚合物层102，从而当该结构干燥时，骨颗粒116可被“陷入”到聚合物层106中。骨颗粒116可部分地嵌入到聚合物层102中。在聚合物层102重新固化后，骨颗粒106与聚合物层102相连接。或者，在加入每一骨颗粒层106后，可加入甲醇或其他溶剂以将骨颗粒116陷入或嵌入到相应的聚合物层102中。
[0110]接着，将Iml甲醇/聚氨酯/HAP纳米粒子溶液加入到三维支架的表面并使该溶液干燥。相应地，三维支架的表面就形成了涂层110。在某一实施例中，涂层110不但覆盖了三维支架的外表面，而且渗入到三维支架内部。
[0111]进一步地，将骨颗粒116或其他合适的粒子加入到涂层110的表面。
[0112]在操作422中，该结构在真空环境中隔夜干燥。在某一实施例中，进一步对该结构进行等离子体处理。
[0113]根据以上例子通过改变HAP的浓度可以制备一系列的生物相容性结构100。聚合物薄膜中HAP的浓度与制备的生物相容性结构100的特性密切相关。
[0114]图5A和5B示出了本发明实施例提供的用于测量具有不同的聚氨酯和HAP纳米粒子浓度的聚合物薄膜550的最大负载和最大应力的拉力测试系统500。在一个实施例中，使用ADMET 7600EX0ERT单柱、万能、机电测试仪分析复合材料的机械特性。该仪器可通过沿着聚合物薄膜的轴向拉伸聚合物薄膜进行“拉力测试”，并通过使用eP2数字控制器和计量器安全基础测试软件(Gauge Safe Basic Testing Software)立即产生“csv”文件。拉力测试系统500包括拉力测试结构510、数字控制器530以及选择性地包括计算机550。拉力测试结构510包括基体511、垂直固定在基体511上的柱子513、与两个正对的底部夹持件517a和517b相连接的下端部515、与两个正对的顶部夹持件519a和519b相连接的上端部521、固定在柱子513上的刻度523以及置于柱子513中的轨道525。上端部521和下端部515中的至少一个通过链条或电缆连接至马达(未示出)，链条或电缆沿着轨道525推动/驱动上端部521。顶部夹持件519a/519b与上端部521 —起以相同的速度移动。
[0115]制备并测试聚合物薄膜550。在某一实施例中，聚合物薄膜550包括各种浓度的聚氨酯和HAP纳米粒子。在一个实施例中，HAP纳米粒子在聚合物薄膜中的重量百分比分别为0%、0.5%、1%、2%、3%、5%、10%、15%、20%和30%。如上所描述的，HAP纳米粒子的重量百分比的定义为用于制备聚合物薄膜的HAP纳米粒子粉末(单位为克)的重量除以用于制备聚合物薄膜550的HAP纳米粒子粉末(单位为克)和固体聚合物(单位为克)重量之和。测试的聚合物薄膜550的尺寸是预定的。在某些实施例中，聚合物薄膜550的尺寸为6CmX1.5CmX0.02cm。在某一实施例中，制备了具有相同的HAP纳米粒子浓度、不同尺寸的聚合物薄膜用于测试。
[0116]在最大负载和最大应力测试过程中，顶部夹持件521a/521b和底部夹持件517a/517b夹持在聚合物薄膜550纵向方向上的聚合物薄膜550的两端。聚合物薄膜550的尺寸和使用的力参数都进入到数字控制器530中。在某些实施例中，计算中使用的聚合物薄膜的长度为有效长度，例如，是以刻度来测量的从顶部夹持件519a/519b的底部边缘到底部夹持件517a/517b的顶部边缘之间的长度。在某些实施例中，如果夹持在顶部夹持件5191b和底部夹持件517a/b的聚合物薄膜550具有狗骨头的形状，那么用于计算的长度则为狗骨头形状的狭窄部分。当开始测试时，马达驱动上端部521和下端部515中的至少一个运动，例如驱动上端部521运动。顶部夹持件519a/519b与上端部521以相同的速度一起运动，从而以预定的速度拉伸聚合物薄膜550。在某一实施例中，预定速度可为0.01-2.5mm/mino顶部夹持件519a/519b沿着轨道525以预定的速度运动从而拉伸聚合物薄膜550直到聚合物薄膜550破裂。聚合物薄膜550的原始尺寸、顶部夹持件519a/519b的运动速度、聚合物薄膜550即将破裂前的速度都被记录了。最大负载和最大应力被计算出来。在某些实施例中，计算是由计算机550中的处理器(未示出)执行的。最大负载是在聚合物薄膜破裂时施加到聚合物薄膜550上的拉力(牛)。最大应力(KPa)是聚合物薄膜550破裂时施加到聚合物薄膜550上的拉力除以聚合物薄膜550的横截面积(聚合物薄膜550的原始宽度乘以原始厚度)。
[0117]本申请对制备的聚合物薄膜550进行负载和应力测试。在某些实施例中，聚合物薄膜包括各种溶度的聚氨酯和HAP纳米粒子。
[0118]图6是聚合物薄膜550在二维坐标系中的负载图表，该图示出了 HAP纳米粒子在聚合物薄膜中的重量百分比与聚合物薄膜的最大负载之间的函数关系。坐标系的X轴为HAP纳米粒子的重量百分比，坐标系的Y轴为聚合物薄膜的最大负载。如图6所示，测试并计算了 HAP纳米粒子的含量为0%、0.5%、1%、2%、3%、5%、10%、15%、20%和30%的聚合物薄膜550的最大负载(单位为牛)。当HAP浓度从O %增加到I %附近时，最大负载从20牛(N)左右急剧上升到44N左右。然后，当HAP溶度从I %增加到10%左右时，最大负载下降到31N左右。接着，当HAP浓度约为20%时，最大负载再次上升到41N并在HAP浓度为30%左右时下降到38N左右。因此，负载图表具有两个峰值，分别对应HAP浓度为1%和20%左右。在某一实施例中，负载图表中，HAP浓度为20%处的第二峰值叫做负载峰值。
[0119]图7为聚合物薄膜550在二维坐标系中的应力图表，该图示出了 HAP纳米粒子在聚合物薄膜中的重量百分比与聚合物薄膜的最大负载之间的函数关系。坐标系的X轴为HAP纳米粒子的重量百分比，坐标系的Y轴为聚合物薄膜550的最大应力。如图7所示，测试并计算了 HAP纳米粒子的含量为0%、0.5%、1%、2%、3%、5%、10%、15%、20%和30%的聚合物薄膜的最大应力(单位为KPa)。当HAP浓度从0%增加到I %左右时，最大应力从IlOOOKPa左右增加到15000KPa左右。然后，当HAP浓度从1%增加到3%左右时，最大应力下降到13600KPa左右。接着，当HAP浓度从3%增加到20%左右时，最大应力增加到22000KPa左右。当HAP浓度进一步从20%增加到30%左右时，最大应力从22000KPa下降到20800KPa左右。因此，应力图表具有两个峰值，分别对应于HAP浓度为I %和20 %。在某一实施例中，在应力图表中，HAP浓度为20%处的第二峰值叫做应力峰值。
[0120]在某些实施例中，根据上述一些列聚合物薄膜550的负载和应力图表，计算机550可用于计算聚合物薄膜550中的HAP的最优重量百分比。计算机550利用一个或多个CPU可从拉力测试结构510和数字控制器530中接收数据，执行计算软件，然后将结果呈现在显示屏上。
[0121]基于负载图表和应力图表上的结果，可通过计算机530确定聚合物薄膜550中的HAP的最优重量百分比。在某些实施例中，负载图表和应力图表都有最少两个峰值。负载图表上的第一峰值604对应于较低HAP浓度，而负载图表上的第二峰值608对应于