一種骨缺損修復(fù)支架的3d打印制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于組織工程技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于生物醫(yī)學(xué)組織工程支架材料的制備，具體為新型多級(jí)微結(jié)構(gòu)鈣磷硅基活性骨修復(fù)材料支架的3D打印制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]因創(chuàng)傷、感染、腫瘤、先天畸形等因素造成的骨組織缺損給患者的生活帶來(lái)了巨大的不便。骨移植是解決骨缺損問題的常用治療手段。自體骨移植具有療效佳，無(wú)免疫源性的優(yōu)勢(shì)，然而，因自體可供移植的骨量有限，供骨區(qū)的損傷為患者帶來(lái)更多的痛苦。異體骨移植受限于人體免疫反應(yīng)，并伴隨有傳播疾病的風(fēng)險(xiǎn)。骨修復(fù)支架作為骨組織工程的重要研究?jī)?nèi)容，為骨缺損修復(fù)帶來(lái)新的希望。從骨組織自愈合的角度來(lái)看，理想的骨組織支架需要具有良好的生物相容性、生物降解性外，還需要具有三維立體多孔結(jié)構(gòu)及與缺損部位相匹配的復(fù)雜外形。只有這種結(jié)構(gòu)才具有較高的比表面積和空間，利于活性因子的負(fù)載、細(xì)胞粘附生長(zhǎng)、細(xì)胞外基質(zhì)沉積、營(yíng)養(yǎng)和氧氣進(jìn)入以及代謝產(chǎn)物排出，也有利于血管和神經(jīng)等的長(zhǎng)入。此外，由于支架需為新生組織提供支撐直至新生組織具有自身生物力學(xué)特性，可見，可塑性和良好的機(jī)械強(qiáng)度也是衡量骨組織支架性能優(yōu)劣的一大重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的制備多孔支架材料的方法盡管各有不同的優(yōu)點(diǎn)，但均為人工操作，重復(fù)性差；制孔劑存在潛在的毒副作用；缺乏對(duì)孔結(jié)構(gòu)(如孔的尺寸、空間走向、連通性等)的控制，更缺乏制造復(fù)雜外形的能力。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computeraideddesign, CAD)的新型制造技術(shù)---決速成型(Rapidprototyping, RP)技術(shù)，具有制造個(gè)體化和一次成型的特點(diǎn)，可對(duì)孔道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及可控制備，構(gòu)建出任意復(fù)雜形狀的三維實(shí)體，為組織工程支架的仿形與仿生制造提供了一條新途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為解決骨缺損問題，提供一種骨缺損修復(fù)支架的3D打印制備方法，使用含鈣介孔硅材料、采用快速成型法，構(gòu)建具有不同孔道結(jié)構(gòu)的新型多級(jí)微結(jié)構(gòu)鈣磷硅基活性骨修復(fù)材料支架。
[0004]—種骨缺損修復(fù)支架的3D打印制備方法，其特征在于，以磷酸鈣骨水泥、含鈣介孔硅為原料混合研磨，制得鈣磷硅基活性骨修復(fù)材料粉末；再與固化液混合均勻，通過(guò)3D打印快速成型法構(gòu)建得到骨缺損修復(fù)支架。
[0005]進(jìn)一步的，所述磷酸鈣骨水泥的粒徑5 50 μ m。
[0006]進(jìn)一步的，所述鈣磷硅基活性骨修復(fù)材料中磷酸鈣骨水泥和含鈣介孔硅的質(zhì)量比為 50-90:50-10。
[0007]進(jìn)一步的，所述鈣磷硅基活性骨修復(fù)材料與固化液的質(zhì)量比為1:0.1-1.0。
[0008]進(jìn)一步的，所述含鈣介孔硅的制備方法是在酸性條件下，以聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物為模板劑，硅源與四水硝酸鈣進(jìn)行水熱反應(yīng)制備得到的。
[0009]進(jìn)一步的，所述硅源為硅酸鈉、硅溶膠、正硅酸乙酯或硅酸鈉。
[0010]進(jìn)一步的，所述水熱反應(yīng)溫度為100-120°c，反應(yīng)時(shí)間為40-50h。
[0011]進(jìn)一步的，所述所述硅源為正硅酸乙酯，所述正硅酸乙酯與聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物的質(zhì)量比為2-3:1。
[0012]進(jìn)一步的，所述含鈣介孔硅材料中鈣、硅摩爾比為0.5-2:1。
[0013]本發(fā)明的一種骨缺損修復(fù)支架的3D打印制備方法，所述固化液的制備方法是將海藻酸鈉加入到聚乙烯醇水溶液中攪拌至分散均勻，得到含海藻酸鈉的聚乙烯醇溶液；所述含海藻酸鈉的聚乙烯醇溶液中海藻酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% _5%。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:本發(fā)明通過(guò)運(yùn)用3D打印的方法制備鈣磷硅基活性骨修復(fù)材料支架，具有可控的孔道結(jié)構(gòu)和外形，能為支架的組織長(zhǎng)入提供最理想的滲透性，并且優(yōu)化再生組織的力學(xué)性能。本發(fā)明通過(guò)3D打印制備骨修復(fù)材料支架，通過(guò)設(shè)置不同的打印模型、不同的打印參數(shù)(如打印速度、送料速度、針頭直徑等參數(shù))可以準(zhǔn)確控制支架的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、孔隙率，利于細(xì)胞貼壁增殖，同時(shí)選用的鈣磷硅基活性骨修復(fù)材料具有良好的生物活性和成骨效果，適合作為一種新型的骨缺損修復(fù)支架。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1.本發(fā)明制備的骨缺損修復(fù)支架的斷面圖片；
[0016]圖2.圖中(A)是骨缺損修復(fù)支架模型的設(shè)計(jì)圖，圖中(B、C)是本發(fā)明制備的骨缺損修復(fù)支架的立體圖和俯視圖，圖中(D、E、F)是本發(fā)明制備得到的骨缺損修復(fù)支架的電鏡掃描圖；
[0017]圖3.支架植入8周后取出樣本組織圖，圖中(a、b)分別為支架HE染色
20X, 100X ο
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0019]—種骨缺損修復(fù)支架的3D打印制備方法，以磷酸鈣骨水泥、含鈣介孔硅為原料混合研磨，研磨至粒徑5 50μπι，制得鈣磷硅基活性骨修復(fù)材料粉末，再與固化液混合均勻，通過(guò)3D打印快速成型法構(gòu)建得到結(jié)構(gòu)多樣化、具有可控的孔道結(jié)構(gòu)和外形的骨缺損修復(fù)支架。
[0020]所述磷酸鈣骨水泥具有可任意塑形、骨傳導(dǎo)能力強(qiáng)和可快速固化的特性；為防止噴嘴堵塞，所述磷酸鈣骨水泥的粒徑5 50 μ m，可順利通過(guò)直徑為0.52mm的噴嘴成型。所述的鈣磷硅基活性骨修復(fù)材料中磷酸鈣骨水泥和含鈣介孔硅的質(zhì)量比為50-90:50-10。所述鈣磷硅基活性骨修復(fù)材料與固化液的質(zhì)量比為1:0.1-1。
[0021]所述含鈣介孔硅具有良好的生物活性和降解性，制備方法是在酸性條件下，以聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物P123為模板劑，硅源與四水硝酸鈣進(jìn)行水熱反應(yīng)制備得到的，含鈣介孔硅材料中鈣、硅摩爾比為0.5-2:1。所述硅源為硅酸鈉、硅溶膠、正硅酸乙酯或硅酸鈉，本發(fā)明中優(yōu)選為正硅酸乙酯TE0S。具體步驟是:
[0022]1)將聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物P123溶解在鹽酸溶液中攪拌，直到混合液澄清。所述鹽酸溶液的濃度為l-2mol/L，所述P123與鹽酸溶液的用量比為lg:30-40mL。將TE0S逐滴滴加到上述混合液中，所述TE0S與P123的質(zhì)量比為2-3:1 ;待TEOS完全加入并預(yù)水解10-20min后，將四水硝酸鈣逐滴滴加到混合液中，所述四水硝酸鈣與TE0S的鈣硅摩爾比是0.5-2:1 ;在室溫下攪拌4-6h使體系分散均勻，停止攪拌，靜置陳化20-30h，使高分子溶液在靜置過(guò)程中自發(fā)聚集形成沉淀；然后轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜進(jìn)行恒溫反應(yīng)，得到沉淀，水熱反應(yīng)溫度為100-120°C，反應(yīng)時(shí)間為40-50h。過(guò)濾沉淀，用去離子水徹底清洗，并在50-60°C下真空干燥得到白色粉末。
[0023]2)將上述干燥的粉末分散于去離子水，磁力攪拌分散均勻，加入四水硝酸鈣，室溫下攪拌1.5-2.5h后，100-120°C恒溫干燥20-30h得到粉末狀物質(zhì)，經(jīng)580-620°C燒結(jié)上述粉末，升溫速率為1°C /min，保溫5-6h后隨爐冷卻，得到鈣硅摩爾比為0.5-2:1的含鈣介孔硅材料。
[0024]所述含鈣介孔硅的制備方法中分兩次加入鈣源，第一次加入鈣源是起到印記的作用，在材料中形成預(yù)留空間，步驟1)中經(jīng)過(guò)去離子水清洗能夠?qū)⑩}源清洗干凈，步驟2)中加入鈣源后，經(jīng)過(guò)燒結(jié)形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
[0025]上述含鈣介孔硅的制備方法中，水熱反應(yīng)溫度、時(shí)間以及燒結(jié)溫度、升溫速率對(duì)