CN105770987A - 一种骨修复支架的3d打印浆料、骨修复支架及其制备方法和应用 - Google Patents

一种骨修复支架的3d打印浆料、骨修复支架及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种骨修复支架的3D打印浆料，所述骨修复支架的3D打印浆料由质量体积浓度为4‑8％的聚乙烯醇水溶液、氧化铜以及含有钙磷的生物陶瓷材料组成，其中，所述含有钙磷的生物陶瓷材料与所述聚乙烯醇水溶液的质量体积比为2.5‑3.5g/mL，所述氧化铜与所述含有钙磷的生物陶瓷材料的质量比为0.005‑0.05：1。所述3D打印浆料配方简单、成分安全，其配方中不含分散剂和除泡剂等，得到浆料的粘度合适、适合连续挤出的3D打印。本发明还提供了基于该3D打印浆料构建骨修复支架的方法及得到的支架。

Description

一种骨修复支架的3D打印浆料、骨修复支架及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及生物医用材料技术领域，具体涉及一种骨修复支架的3D打印浆料、骨修复支架及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，由于工伤事故、交通事故、骨科疾病等导致的骨缺损呈现出高的发病率，加之我国目前正走向老龄化社会，与老年人口相关的骨科退行性疾病不断增加，导致对骨修复生物材料的需求量越来越大。目前，骨组织工程技术克服了传统骨缺损移植技术的缺点，为临床骨修复治疗提供了一种新的选择。其中，多孔骨支架的设计和构建，是决定骨组织工程修复效果的核心要素之一。
传统的支架成型方法(如沥滤法、发泡法、相分离法、颗粒烧结法等)自动化程度不高，难以充分保障支架孔结构的构建质量，而且无法对微观结构进行灵活设计和精确构建。近年来，3D打印作为一种新兴的先进工艺技术，成为制备骨修复支架的理想选择之一。其中3D Plotting打印技术(以下论述3D打印特指该技术)是借助空气挤出浆料纤维，通过纤维不断的层层堆叠，构建多孔支架。它可以借助计算机辅助设计和尖端的打印设备，灵活构思和完整打印具备复杂微观结构的三维实体，目前在构建骨修复陶瓷支架方面广泛使用。
但3D打印骨修复支架的前提是配制合适的打印浆料。目前，典型的浆料配方由生物陶瓷粉体、增稠剂(如甲基纤维素、聚乙烯醇等)、分散剂(如聚丙烯酰胺、聚羧酸铵盐等)、絮凝剂(如聚乙烯亚胺)以及除泡剂(如正辛醇)等构成。现有的打印浆料的配方组成较为复杂，涉及到的分散剂、除泡剂等往往都有一定毒性。
此外，骨组织支架的一个重要特点是负载和缓释功能性的生长因子以提高修复功能。然而生长因子本身存在半衰期短、易失活、价格昂贵及副作用风险等问题，载生长因子支架后续的灭菌及存储也是难题。尤其对于陶瓷类的3D打印支架，成型过程通常包含高温受热环节。生长因子通常只能在支架成型后以特定方式负载在支架表面，工艺复杂、繁琐。
因此，有必要提供一种配方简单、无毒且能适用于3D打印的打印浆料以制备功能性的骨组织工程支架。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种配方简单、安全无毒的骨修复支架的3D打印浆料以及基于该浆料构建骨修复支架的方法及得到的支架。
第一方面，本发明提供了一种骨修复支架的3D打印浆料，所述骨修复支架的3D打印浆料由质量体积浓度为4-8％的聚乙烯醇水溶液、氧化铜以及含有钙磷的生物陶瓷材料组成，其中，所述含有钙磷的生物陶瓷材料与所述聚乙烯醇水溶液的质量体积比为2.5-3.5g/mL，所述氧化铜与所述含有钙磷的生物陶瓷材料的质量比为0.005-0.05：1。
优选地，所述含有钙磷的生物陶瓷材料为羟基磷灰石、磷酸八钙、磷酸钙或双相磷酸钙，但不限于此。
进一步优选地，所述含有钙磷的生物陶瓷材料为羟基磷灰石。
本发明中，所述含有钙磷的生物陶瓷材料与所述聚乙烯醇水溶液的质量体积比为2.5-3.5g/mL。聚乙烯醇(简写为PVA)水溶液的体积提高，浆料整体变稀，若PVA体积过高则挤出的纤维无法保持形态；PVA体积降低，浆料整体变稠，PVA体积过低则浆料无法挤出。
进一步优选地，所述含有钙磷的生物陶瓷材料与所述聚乙烯醇水溶液的质量体积比为2.5-3g/mL。即，每30g的含有钙磷的生物陶瓷材料中，所采用的所述聚乙烯醇水溶液的体积为10-12mL。
优选地，所述氧化铜与所述含有钙磷的生物陶瓷材料的质量比为0.01-0.03:1。
优选地，所述含有钙磷的生物陶瓷材料的粒径为10-15μm。
优选地，所述骨修复支架的3D打印浆料的粘度为200-300Pa·s。
本发明提供的骨修复支架的3D打印浆料，其配方简单、成分安全，其配方中不含分散剂和除泡剂等，仅含有聚乙烯醇这一种无毒辅料，可以通过调节含有钙磷的生物陶瓷材料与聚乙烯醇的质量体积配比得到浆料分散均匀、适合连续挤出的3D打印浆料。
同时，所述浆料的配方中同时添加有氧化铜，铜元素已被证明可促进体内血管化。在骨缺损导致的低氧环境下，铜可促进细胞合成低氧诱导因子(HIF-1)以刺激生长因子VEGF的表达，而铜离子能为HIF-1合成创造有利条件。不同于传统的生长因子，铜元素可以通过共混等方式直接融入所述骨修复支架的浆料中，负载量较大且功能活性不受打印工艺的影响。在所述打印浆料形成的骨修复支架中，有望缓释铜离子以改善其骨修复功能。
第二方面，本发明提供了一种骨修复支架的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制聚乙烯醇水溶液；称取含有钙磷的生物陶瓷材料以及氧化铜，加入所述聚乙烯醇水溶液，将得到的混合物混合均匀，得到骨修复支架的3D打印浆料，所述骨修复支架的3D打印浆料由质量体积浓度为4-8％的聚乙烯醇水溶液、氧化铜以及含有钙磷的生物陶瓷材料组成，其中，所述含有钙磷的生物陶瓷材料与所述聚乙烯醇水溶液的质量体积比为2.5-3.5g/mL，所述氧化铜与所述含有钙磷的生物陶瓷材料的质量比为0.005-0.05：1；
(2)将所述3D打印浆料在50-80℃下进行超声处理10-20min，之后抽真空，得到除泡后的浆料；
(3)设定3D打印参数，将所述除泡后的浆料3D打印成型，得到骨修复支架毛坯；
(4)将所述骨修复支架毛坯冷冻干燥后，煅烧以除去聚乙烯醇，得到骨修复支架。
优选地，所述含有钙磷的生物陶瓷材料为羟基磷灰石、磷酸八钙、磷酸钙或双相磷酸钙，但不限于此。
进一步优选地，所述含有钙磷的生物陶瓷材料为羟基磷灰石。
优选地，所述含有钙磷的生物陶瓷材料与所述聚乙烯醇水溶液的质量体积比为2.5-3g/mL。即，每30g的含有钙磷的生物陶瓷材料中，所采用的所述聚乙烯醇水溶液的体积为10-12mL。
优选地，所述氧化铜与所述含有钙磷的生物陶瓷材料的质量比为0.01-0.03:1。
优选地，所述含有钙磷的生物陶瓷材料的粒径为10-15μm。
优选地，所述骨修复支架的3D打印浆料的粘度为200-300Pa·s。
优选地，所述混合物混合均匀是采用高速匀化机进行，所述高速匀化机的匀化速度是6000-8000rpm，所述混合的时间为15-20min。利用高速匀化机混合所述混合物，可以免除分散剂的使用。
优选地，所述超声处理是在60℃下进行10-15min。加热下超声可使浆料***，更容易除泡。
优选地，所述抽真空的时间为20min。本发明中采用加热下超声与抽真空相结合的方式可以除去所述混合浆料中的气泡，可以免除除泡剂的使用，尽可能减少带一定毒性的其他试剂的使用，使所述混合浆料的配方简单，节省物料、环保安全。
3D Plotting打印技术可以对支架的孔径、孔隙、连通率等进行灵活调控，制得期望的骨修复支架，本发明实施例中，所述复合多孔骨支架为规则的几何体(如长方体、正方体、圆柱体等，但不限于此)以及其他不规则的三维多孔结构体。优选为规则几何体。
优选地，所述3D打印参数包括气压为0.3-0.5MPa，纤维间距0.83mm，层高0.2-0.4mm。当所述除泡后的浆料的粘度较大时，打印所需的气压较大，粘度较小时，打印所需要的气压较小；同一浆料，气压增大时，挤出纤维的直径同时增大。
本发明实施例中，所述骨修复支架为所述含有钙磷的生物陶瓷材料和氧化铜构成的三维多孔支架。所述骨修复支架的孔隙率为50-70％。所述骨修复支架的孔洞的连通率为100％。
优选地，所述煅烧的程序具体为：先以1℃/min的速率从室温升到400℃，保温1h；然后以3℃/min的速率从室温升到800℃，保温2h。
本发明第二方面提供的所述骨修复支架的制备方法中，采用特定配比的聚乙烯醇水溶液、含有钙磷的生物陶瓷材料以及氧化铜，可以得到浆料粘度合适、适合连续挤出的3D打印浆料。通过高速匀质机进行分散、超声与抽真空相结合的方式进行除泡，可以免除分散剂、除泡剂的使用，其配方简单、成分安全。所述骨修复支架的制造方法成本低廉，依托3D打印技术的高度设计性，实用性较强。
在所述打印浆料形成的骨修复支架中，复合了可以促进干细胞的成骨和成血管分化的铜元素。不同于传统的生长因子，铜元素可以通过共混方式直接融入所述骨修复支架的浆料中，负载量较大且功能活性不受打印工艺的影响，达到促进骨修复的目的。
第三方面，本发明还提供了如本发明第二方面所述的骨修复支架的制备方法得到的骨修复支架。
第四方面，本发明还提供了一种如本发明第三方面所述的骨修复支架的应用。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的制备骨修复支架的流程图，混料(a)、加热超声(b)、抽真空(c)、打印(d)、冷冻干燥(e)以及煅烧(f)。
图2为本发明实施例1提供的骨修复支架的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图3为本发明实施例2提供的骨修复支架的SEM图。
图4为本发明实施例3提供的骨修复支架的SEM图；
图5为本发明实施例1和对比实施例1的骨修复支架的截面SEM的对比图。
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。应当指出，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
下述实施例中所用的聚乙烯醇为市售商品，(1788型，醇解度87-89％，阿拉丁)；所述羟基磷灰石购买自南京埃普瑞纳米材料有限公司，医用级。
若无特别说明，本发明实施例所采用的试剂皆为市售商品。
实施例1
图1为一种制备骨修复支架的方法的流程图，结合图1，本发明实施例提供了一种制备骨修复支架的方法，包括如下步骤：
(1)配制聚乙烯醇溶液：称取4g聚乙烯醇，在搅拌条件下加入到100mL的去离子水中；继续搅拌，并逐渐加热至70℃，保温1h，形成均匀的溶液；停止加热，继续搅拌，待体系自然冷却至室温后，即得到聚乙烯醇溶液(4％，w/v)；
称取30g平均粒径为12μm的羟基磷灰石(即HAP)粉体和0.3g、粒径为10μm的氧化铜粉体，逐步加入到10ml的聚乙烯醇溶液(4％，w/v)中，采用高速匀化机以7000rpm的匀化速度来混合材料15min，得到均匀的骨修复支架的3D打印浆料，其中，所述浆料中，HAP:PVA＝3(w/v)，CuO:HAP＝0.3:30＝0.01:1，所述浆料的粘度约为250Pa·s；
(2)将混合均匀的浆料装入3D打印机的料筒中，置于超声水浴锅中，在60℃下进行超声15min，之后抽真空20min，得到除泡后的浆料；
(3)将装有除泡后浆料的料筒安装到3D打印设备上，设定3D打印参数(其中，气压0.3MPa，纤维间距0.83mm，层高0.32mm)，将浆料打印成型，得到骨修复支架毛坯；
(4)将所述骨修复支架毛坯先在-20℃下冷冻12h，并在-80℃冻干48h，将干燥后的支架毛坯进行煅烧以除去聚乙烯醇，得到骨修复支架，最后存储于干燥器中；其中煅烧的程序具体为：先以1℃/min的速率从室温升到400℃，保温1h；然后以3℃/min的速率从室温升到800℃，保温2h。
本实施例1制得的骨修复支架为HAP和CuO构成的三维多孔支架(如图2)，该支架的抗压强度为5MPa。
实施例2：
一种制备骨修复支架的方法，包括如下步骤：
(1)配制聚乙烯醇溶液4％，w/v)；称取30g的平均粒径为10μm的羟基磷灰石(即HAP)粉体和0.3g、粒径为10μm的氧化铜粉体，逐步加入到12ml的聚乙烯醇溶液(4％，w/v)中，将得到的混合物采用高速匀化机以6000rpm的匀化速度混合15min，得到均匀的骨修复支架的3D打印浆料，其中，所述浆料中，HAP:PVA＝2.5(w/v)，CuO:HAP＝0.3:30＝0.01:1，所述浆料的粘度约为200Pa·s；
(2)将混合均匀的浆料装入3D打印机的料筒中，置于超声设备中，在50℃下进行超声15min，之后抽真空20min，得到除泡后的浆料；
(3)将装有除泡后浆料的料筒安装到3D打印设备上，设定3D打印参数(其中，气压0.3MPa，纤维间距0.83mm，层高0.28mm)，将浆料打印成型，得到骨修复支架毛坯；
(4)将所述骨修复支架毛坯先在-20℃下冷冻12h，并在-80℃冻干48h，将干燥后的支架毛坯进行煅烧以除去聚乙烯醇，得到骨修复支架，最后存储于干燥器中；其中煅烧的程序具体为：先以1℃/min的速率从室温升到400℃，保温1h；然后以3℃/min的速率从室温升到800℃，保温2h。
本实施例2制得的骨修复支架为HAP和CuO构成的三维多孔支架(图3)。与实施例1中(图2)相比，由于羟基磷灰石对PVA溶液的质量体积比略有降低，浆料打印所需的压力略有降低；同时层高降低，以弥补浆料在打印过程中的收缩程度。
实施例3：
一种制备骨修复支架的方法，包括如下步骤：
(1)配制聚乙烯醇溶液(8％，w/v)；称取30g直径为12μm的羟基磷灰石(即HAP)粉体和0.9g的氧化铜粉体，逐步加入到10ml的聚乙烯醇溶液(8％，w/v)中，将得到的混合物采用高速匀化机以8000rpm的匀化速度混合15min，得到均匀的骨修复支架的3D打印浆料，其中，所述浆料中HAP:PVA＝3(w/v)，CuO:HAP＝0.9:30＝0.03:1，所述浆料的粘度约为300Pa·s；
(2)将混合均匀的浆料装入3D打印机的料筒中，置于超声设备中，在60℃下进行超声15min，之后抽真空20min，得到除泡后的浆料；
(3)将装有除泡后浆料的料筒安装到3D打印设备上，设定3D打印参数(其中，气压0.5MPa，纤维间距0.83mm，层高0.32mm)，将浆料打印成型，得到骨修复支架毛坯；
(4)将所述骨修复支架毛坯先在-20℃下冷冻12h，并在-80℃冻干48h，将干燥后的支架毛坯进行煅烧以除去聚乙烯醇，得到骨修复支架，最后存储于干燥器中；其中煅烧的程序具体为：先以1℃/min的速率从室温升到400℃，保温1h；然后以3℃/min的速率从室温升到800℃，保温2h。
本实施例制得的骨修复支架为HAP和CuO构成的三维多孔支架(图4)，与实施例1中相比，本实施例中的CuO含量和PVA浓度有所提高，浆料对应的混料速率和挤出压力也相应提高。
本发明实施例1-3制得的所述骨修复支架为长方体，形状分别如图2-4所示。其中孔隙率为100％，孔洞的连通率为50-70％。
实施例4：
一种制备骨修复支架的方法，包括如下步骤：
(1)配制聚乙烯醇溶液(6％，w/v)；称取36g的平均粒径为15μm的羟基磷灰石(即HAP)粉体和0.3g的氧化铜粉体，逐步加入到12ml的聚乙烯醇溶液(6％，w/v)中，将得到的混合物采用高速匀化机以6300rpm的匀化速度混合20min，得到均匀的骨修复支架的3D打印浆料，其中，所述浆料中，HAP:PVA＝3(w/v)，CuO:HAP＝0.3:36＝0.008:1，所述浆料的粘度约为210Pa·s；
(2)将混合均匀的浆料装入3D打印机的料筒中，置于超声设备中，在70℃下进行超声10min，之后抽真空20min，得到除泡后的浆料；
(3)将装有除泡后浆料的料筒安装到3D打印设备上，设定3D打印参数(其中，气压0.3MPa，纤维间距0.83mm，层高0.35mm)，将浆料打印成型，得到骨修复支架毛坯；
(4)将所述骨修复支架毛坯先在-20℃下冷冻12h，并在-80℃冻干48h，将干燥后的支架毛坯进行煅烧以除去聚乙烯醇，得到骨修复支架，最后存储于干燥器中；其中煅烧的程序具体为：先以1℃/min的速率从室温升到400℃，保温1h；然后以3℃/min的速率从室温升到800℃，保温2h；所述骨修复支架为HAP和CuO构成的三维多孔支架。
为充分说明本发明的有效效果，还针对实施例1设置了其对比实施1，其与实施一的不同之处在于，在得到混合均匀的浆料后，直接装入3D打印机的料筒中，未经除泡处理而直接安装到3D打印设备上进行打印，其余操作同实施例1。
对比实施例1和本发明实施例1制得的骨修复支架的截面的SEM图如图5所示，其中(A)为对比实施例1，(B)为本发明实施例1的。与实施例1相比，由于未经除泡处理，对比实施例1得到的骨支架内部存在较多不规则的孔(图5的A中周围四角)，这会大大影响骨支架的力学性能和稳定性。值得注意的是，图5的A、B中间的大黑孔是多孔支架本身的孔，是截面视图观察到的浆料纤维之间的孔。
对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种骨修复支架的3D打印浆料，其特征在于，所述骨修复支架的3D打印浆料由质量体积浓度为4-8％的聚乙烯醇水溶液、氧化铜以及含有钙磷的生物陶瓷材料组成，其中，所述含有钙磷的生物陶瓷材料与所述聚乙烯醇水溶液的质量体积比为2.5-3.5g/mL，所述氧化铜与所述含有钙磷的生物陶瓷材料的质量比为0.005-0.05：1。
2.如权利要求1所述的3D打印浆料，其特征在于，所述含有钙磷的生物陶瓷材料为羟基磷灰石、磷酸八钙、磷酸钙或双相磷酸钙，粒径为10-15μm。
3.如权利要求1所述的3D打印浆料，其特征在于，所述氧化铜与所述含有钙磷的生物陶瓷材料的质量比为0.01-0.03:1。
4.如权利要求1所述的3D打印浆料，其特征在于，所述骨修复支架的3D打印浆料的粘度为200-300Pa·s。
5.一种骨修复支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)配制聚乙烯醇水溶液；称取含有钙磷的生物陶瓷材料以及氧化铜，加入所述聚乙烯醇水溶液，将得到的混合物混合均匀，得到骨修复支架的3D打印浆料，所述骨修复支架的3D打印浆料由质量体积浓度为4-8％的聚乙烯醇水溶液、氧化铜以及含有钙磷的生物陶瓷材料组成，其中，所述含有钙磷的生物陶瓷材料与所述聚乙烯醇水溶液的质量体积比为2.5-3.5g/mL，所述氧化铜与所述含有钙磷的生物陶瓷材料的质量比为0.005-0.05：1；
(2)将所述3D打印浆料在50-70℃下进行超声处理10-20min，之后抽真空，得到除泡后的浆料；
(3)设定3D打印参数，将所述除泡后的浆料3D打印成型，得到骨修复支架毛坯；
(4)将所述骨修复支架毛坯冷冻干燥后，煅烧以除去聚乙烯醇，得到骨修复支架。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述含有钙磷的生物陶瓷材料与所述聚乙烯醇水溶液的质量体积比为2.5-3g/mL。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述将得到的混合物混合均匀是采用高速匀化机进行，所述高速匀化机的匀化速度是6000-8000rpm，所述混合的时间为15-20min。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述超声处理是在60℃进行10-15min。
9.一种如权利要求5-8任一项所述的制备方法得到的骨修复支架。
10.一种如权利要求9所述的骨修复支架的应用。
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