CN105770988B - 基于3d打印的骨修复生物陶瓷材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于3D打印的骨修复生物陶瓷材料，其由β‑磷酸三钙、羟基磷灰石和分子量为10万‑12万、粘度为0.79dL/g‑0.84dL/g的聚乳酸制成，结构为孔隙率为70％‑90％的三维网格状结构，构成网格的线径为100μm‑300μm。其制备方法包括：将聚乳酸溶解于氯仿中配制成质量浓度为15％‑20％的溶液；将β‑磷酸三钙、羟基磷灰石加入到该溶液搅拌至均一稳定制得复合浆料；将所述复合浆料加入3D打印设备打印，将打印的生物陶瓷材料的前驱体抽真空使氯仿充分挥发，得到产物。该陶瓷材料降解速率可调、力学性能和生物相容性好,能适应骨软骨细胞共同培养和生长因子或小分子多肽的复合,可用于骨软骨的同时修复。
Description
技术领域
本发明属于生物医学材料领域，具体涉及基于3D打印的用于骨软骨缺损修复的生物陶瓷材料，并涉及其制备方法。
背景技术
我国每年因交通事故和生产安全事故导致众多的创伤骨折，加上骨肿瘤、股骨头缺血性坏死等骨科疾病，造成300多万的骨缺损病例。临床上，由于自体骨来源有限，异体骨和异种骨存在免疫排斥反应，且存在潜在的病原传播危险等缺陷，迫切需要研发骨组织修复材料，用于治疗骨缺损。传统的支架材料及制备技术难以大批量构建形状各异的复杂骨修复材料，以满足临床上个性化修复的需要。临床需要的骨组织修复支架材料要适用于不同的患者以及不同的症状，其外形及微观结构因人因症而异。这类个性化修复的临床需求迫切需要具有个性化结构和性能的支架材料。三维打印等快速成型构建支架材料的新技术因此得到人们越来越多的关注。
国家《“十二五”发展规划纲》关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定中明确指出：加快先进医疗设备、医用材料等生物医学工程产品的研发和产业化，促进规模化发展。可见国家对医疗器械及生物医用材料发展以及在国民经济中所处地位的重视。
三维打印技术，源自快速成型(Rapid Prototyping，RP)技术，是当今世界上飞速发展的制造技术之一。快速成型是在计算机辅助设计和制造技术、激光技术和材料科学技术的发展，以及与各种成型技术的结合的基础上出现的一种新型材料加工工艺，基本原理为根据CAD,UG,PROE等建模软件进行三维模型建立，再利用切片软件进行切片，生成如G代码数据，利用激光、数控技术将原材料精确堆积，在没有传统模具和夹具的情况下，快速制造出任意复杂形状而又具有一定功能的三维实体模型或零件。将快速成型技术应用于生物材料的研制是材料科学和现代制造技术发展的必然结果，快速成型技术的出现，不仅大大缩短了生物材料的开发周期，降低了研发费用，同时解决了近代临床医学创伤技术中一些重大的三维重建的科学技术性难题。特别是在复杂形状的人工骨替代物的制造方面更显示出它的独特优势。快速成型技术快速精确的特点及其发展为组织结构个性化加工提供了一个很好的途径，可以根据病人个性化的要求制作出适用于其特殊要求的修补或移植假肢，快速成型生物材料制造是材料科学科与先进制造技术学科交叉的结果，也是当代技术进步的必然结果。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于3D打印的骨修复生物陶瓷材料及制备方法。该骨修复生物陶瓷材料降解速度可调，生物相容性好，而且能适应骨软骨细胞共同培养及生长因子或小分子多肽的复合，可以进行骨和软骨的修复移植。
本发明中一些地方将聚乳酸简写为PLA，纳米级羟基磷灰石简写为nano-HA，β-磷酸三钙简写为β-TCP，氯仿简写为CHCl3。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种基于3D打印的骨修复生物陶瓷材料，该生物陶瓷材料由β-磷酸三钙、羟基磷灰石和分子量为10万-12万、粘度为0.79dL/g-0.84dL/g的聚乳酸制成，该生物陶瓷材料的结构为孔隙率为70％-90％的三维网格状结构，构成网格的线径为100μm-300μm。
在上述的基于3D打印的骨修复生物陶瓷材料中，优选地，所述β-磷酸三钙和羟基磷灰石的质量比为1:3-3:1，所述生物陶瓷材料中聚乳酸的质量百分含量为10％-90％。
在上述的基于3D打印的骨修复生物陶瓷材料中，优选地，所述β-磷酸三钙的粒度小于或等于12μm，所述羟基磷灰石的粒度小于或等于100nm。
上述骨修复生物陶瓷材料的制备方法，该制备方法包括：
将聚乳酸溶解于氯仿中配制成质量浓度为15％-20％的溶液；
将β-磷酸三钙、羟基磷灰石加入到所述溶液中，搅拌至均一稳定制得复合浆料；
将所述复合浆料加入3D打印设备的针管中，设置3D打印设备的参数和程序，打印，得到所述生物陶瓷材料的前驱体，将该前驱体置于真空干燥箱，抽真空使氯仿充分挥发，得到所述生物陶瓷材料。
在上述的骨修复生物陶瓷材料的制备方法中，优选地，所述β-磷酸三钙按以下方法制得：首先以Ca(OH)2和H3PO4为原料合成β-磷酸钙原粉，然后将该β-磷酸钙原粉经过800℃高温焙烧得到β-磷酸钙粉体。
在上述的骨修复生物陶瓷材料的制备方法中，优选地，在打印步骤之前还包括对复合浆料进行陈化的步骤。
在上述的骨修复生物陶瓷材料的制备方法中，优选地，设置3D打印设备的参数包括：设置工作输入气压480KPa-580KPa，根据挤出速度控制工作时的气压输出在10-100psi。
在上述的骨修复生物陶瓷材料的制备方法中，优选地，所述β-磷酸三钙和羟基磷灰石的质量比为1:3-3:1，所述生物陶瓷材料中聚乳酸的质量百分含量为10％-90％。
在上述的骨修复生物陶瓷材料的制备方法中，优选地，所述β-磷酸三钙的粒度小于或等于12μm，所述羟基磷灰石的粒度小于或等于100nm。
在上述的骨修复生物陶瓷材料的制备方法中，优选地，所述复合浆料在常温下挤出成型。
本发明骨修复生物陶瓷材料用两种无机材料β-磷酸三钙和羟基磷灰石和一种有机材料PLA复合而成，通过调节β-磷酸三钙和羟基磷灰石的比例可以调节制得的生物陶瓷材料的降解速度，同时PLA不具有细胞毒性，交联以后可以改善制得的生物陶瓷材料的生物相容性，此外制得的生物陶瓷材料力学性能良好。即通过三种特定原料的复合实现了优势互补，再结合所制材料的结构特征，为细胞培养以及生长因子提供了仿生的生物环境，能适应骨软骨细胞共同培养和生长因子或小分子多肽的复合，可用于骨软骨的同时修复。
附图说明
图1为实施例1制得的支架材料的图片。
具体实施方式
以下通过具体实例对本发明做进一步说明。
实施例1：
取1.26gPLA，放入烧杯中，加入搅拌子，用胶头滴管吸入CHCl3(分析纯，衡阳市凯信化工试剂有限公司)逐滴滴加到烧杯中，滴入7.13g停止，用封口膜将烧杯瓶口密封住，然后放在搅拌器上搅拌至PLA全部溶解，且调整转速使得溶液无气泡产生，配制成15wt％的透明溶液A。然后分别称取1.47gβ-TCP和nano-HA，加入到溶液A中，搅拌1h至均一稳定，得到浆料B，将浆料B填充到预先准备的针管(EFD)中，用封口膜封住针管的后端和前端的口，静置陈化24h，得到浆料C。预先调整好三维精细直写运动的高精度气浮式自动三维运动平台ABL10150(Aerotech,U.S.A.)，控制智能挤出***EFD UltraTM2400工作输入气压480KPa-580KPa,待稳定以后气压为550KPa,工作时候的气压输出控制在10-100psi，根据挤出速度调控。在挤出平台上放置毛玻璃片，用以支撑产物。
用G代码编写程序，设定好打印路径，打印出5层10mmx10mm，高度为0.75mm的多孔支架材料(生物陶瓷材料的前驱体)，将所得到的支架材料放置于真空干燥箱，抽真空(10- 1Pa)，然后脱去支撑的玻璃片。使得氯仿充分挥发，得到干燥的支架材料(生物陶瓷材料),支架材料中PLA的含量为30wt％。
实施例1制得的支架材料如图1所示，其结构为三维网格状结构。光学显微镜下观察，支架材料联通良好，支架直径(构成网格的线径)为150μm。扫描电子显微镜下观察，支架材料表面形貌粗糙，比重法测得其孔隙率达90％，可以适应骨细胞的附着以及生长因子和小分子多肽的复合。
实施例2：
取1.43gPLA，放入烧杯中，加入搅拌子，用胶头滴管吸入CHCl3逐滴滴加到烧杯中，滴入8.10g停止，用封口膜将烧杯瓶口密封住，然后放在搅拌器上搅拌至PLA全部溶解，且调整转速使得溶液无气泡产生，配制成15wt％的透明溶液A。然后分别称取2.86gβ-TCP和nano-HA，加入到溶液A中，搅拌1h至均一稳定，得到浆料B，将浆料B填充到预先准备的针管(EFD)中，用封口膜封住针管的后端和前端的口，静置陈化24h，得到浆料C。预先调整好三维精细直写运动的高精度气浮式自动三维运动平台ABL10150(Aerotech,U.S.A.)，控制智能挤出***EFD UltraTM2400工作输入气压480KPa-580KPa,待稳定以后气压为550KPa,工作时候的气压输出控制在10-100psi，根据挤出速度调控。在挤出平台上放置毛玻璃片，用以支撑产物。
用G代码编写程序，设定好打印路径，打印得到层数为10层，支架的直径为100μm，初始直径为2.5mm,最大直径为10mm,间距为0.5mm的底面为圆形的支架材料(生物陶瓷材料的前驱体)，将所得到的支架材料放置于真空干燥箱，抽真空(10-1Pa),然后脱去支撑的玻璃片。使得氯仿充分挥发，得到干燥的支架材料(生物陶瓷材料)，支架材料中PLA的含量为20wt％。
光学显微镜下观察，支架材料联通良好，支架直径为100μm。扫描电子显微镜下观察，支架材料表面形貌粗糙，比重法测得其孔隙率在85％，可以适应骨细胞的附着以及生长因子和小分子多肽的复合。
实施例3：
取1gPLA，放入烧杯中，加入搅拌子，用胶头滴管吸入CHCl3逐滴滴加到烧杯中，滴入9g停止，用封口膜将烧杯瓶口密封住，然后放在搅拌器上搅拌至PLA全部溶解，且调整转速使得溶液无气泡产生，配制成10wt％的透明溶液A。然后分别称取4.5gβ-TCP和nano-HA，加入到溶液A中，搅拌1h至均一稳定，得到浆料B，将浆料B填充到预先准备的针管(EFD)中，用封口膜封住针管的后端和前端的口，静置陈化24h，得到浆料C。预先调整好三维精细直写运动的高精度气浮式自动三维运动平台ABL10150(Aerotech,U.S.A.)，控制智能挤出***EFD UltraTM2400工作输入气压480KPa-580KPa,待稳定以后气压为550KPa,工作时候的气压输出控制在10-100psi，根据挤出速度调控。在挤出平台上放置毛玻璃片，用以支撑产物。
用G代码编写程序，设定好打印路径，打印出5层10mmx10mm，高度为0.75mm的多孔支架材料(生物陶瓷材料的前驱体)，将所得到的支架材料放置于真空干燥箱，抽真空(10- 1Pa)，然后脱去支撑的玻璃片。使得氯仿充分挥发，得到干燥的支架材料(生物陶瓷材料),支架材料中PLA为含量为10wt％。
光学显微镜下观察，支架材料联通良好，支架直径为150μm。扫描电子显微镜下观察，支架材料表面形貌粗糙，比重法测得其孔隙率在80％，可以适应骨细胞的附着以及生长因子和小分子多肽的复合。
上述实施例1-3中，原料PLA的分子量为1.2×105、粘度为0.84dl/g，原料β-TCP的粒度为≤12μm，原料nano-HA的平均粒度为100nm，原料β-TCP和nano-HA的质量比为1:1。经实验证明，调节β-TCP和nano-HA的比例可以调节制得的生物陶瓷材料的降解速度，当原料β-TCP和nano-HA的质量比增大时，制得的生物陶瓷材料的降解速度减小，反之，当原料β-TCP和nano-HA的质量比增大时，制得的生物陶瓷材料的降解速度增大。
Claims (6)
1.一种基于3D打印的骨修复生物陶瓷材料，其特征在于：该生物陶瓷材料由β-磷酸三钙、羟基磷灰石和分子量为10万-12万、粘度为0.79dL/g-0.84dL/g的聚乳酸制成，所述β-磷酸三钙和羟基磷灰石的质量比为1:3-3:1，所述生物陶瓷材料中聚乳酸的质量百分含量为10％-90％，所述β-磷酸三钙的粒度小于或等于12μm，所述羟基磷灰石的粒度小于或等于100nm，该生物陶瓷材料的结构为孔隙率为70％-90％的三维网格状结构，构成网格的线径为100μm-300μm，扫描电子显微镜下观察，所述生物陶瓷材料表面形貌粗糙，可以适应骨细胞的附着以及生长因子和小分子多肽的复合。
2.权利要求1所述骨修复生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
将聚乳酸溶解于氯仿中配制成质量浓度为15％-20％的溶液；
将β-磷酸三钙、羟基磷灰石加入到所述溶液中，搅拌至均一稳定制得复合浆料；
将所述复合浆料加入3D打印设备的针管中，设置3D打印设备的参数和程序，打印，得到所述生物陶瓷材料的前驱体，将该前驱体置于真空干燥箱，抽真空使氯仿充分挥发，得到所述生物陶瓷材料。
3.如权利要求2所述的骨修复生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述β-磷酸三钙按以下方法制得：首先以Ca(OH)2和H3PO4为原料合成β-磷酸钙原粉，然后将该β-磷酸钙原粉经过800℃高温焙烧得到β-磷酸钙粉体。
4.如权利要求2所述的骨修复生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于：在打印步骤之前还包括对复合浆料进行陈化的步骤。
5.如权利要求2所述的骨修复生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，设置3D打印设备的参数包括：设置工作输入气压480kPa -580kPa ，根据挤出速度控制工作时的气压输出在10-100psi。
6.如权利要求2所述的骨修复生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述复合浆料在常温下挤出成型。
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