表面具有纳米复合涂层的3d打印多孔金属支架及其制备
【技术领域】
[0001] 本发明属于骨组织修复与重建技术领域，具体涉及用于骨组织修复和重建的3D 打印多孔钛基合金表面功能化生物涂层的制备方法及功能化支架。
【背景技术】
[0002] 由于骨科疾病的多样化和复杂化，传统的骨科内植物不能匹配患者骨骼的个体差 异，需要较长的手术时间对传统植入物和骨组织缺损区进行塑形匹配，增加了患者术中出 血量，降低了手术成功率，因此在现代影像学和计算机辅助设计的基础上，利用3D打印技 术制备患者个体化植入物，可显著提高骨科手术的精确性和安全性，满足患者个性化治疗 的需求。
[0003] 3D打印属于快速成型技术，通过对患者骨缺损部位进行三维数字模型重建，应用 粉末状或液态的金属或塑料等可黏合材料，采用逐层打印方式来构建三维物体。以Ti6A14V 合金粉末为原料，采用电子束恪融技术（Electron Beam Melting-EBM)进行三维金属支架 增材制造的Ti6A14V合金多孔支架具有优异的力学性能，较低的密度和弹性模量以及良好 的抗疲劳性，常用于骨组织修复与重建领域。与块状基体材料相比，EBM 3D多孔Ti6A14V 支架表面积以及和骨细胞的接触面积显著增大，更易受到人体内液态环境的侵蚀而造成Al 元素和V元素溶出，产生细胞毒性和免疫反应，同时Ti6A14V合金表面生物活性低，不能与 骨组织间形成牢固的骨键结合，从而造成植入失败。因此急需利用表面改性或涂层制备技 术，在保留金属基体固有优良力学性能和3D多孔支架结构的同时，在材料表面制备生物活 性功能涂层，减缓/减少基体内有毒离子溶出，促进骨细胞在其表面黏附和增殖，加速植入 物与硬组织间形成化学骨性结合，提高3D打印骨科内植物的手术成功率。
[0004] 3D打印多孔Ti6A14V合金支架由于受其宏观三维尺寸和微观网状多孔连通结构 限制，需采用特定表面改性和涂层制备工艺，在维持其多孔结构的同时，保证支架外部和内 部表面同时得到结构均一、结合力良好的功能涂层。电泳沉积是一项技术成熟、工艺简单、 应用广泛的涂层制备技术，通过沉积液中带电物质在电场作用下定向移动至导电基体表面 沉积得到涂层。与其它涂层制备技术相比，电泳沉积具有设备简单、成本低、操作方便、工艺 参数易于控制、不受基体材料大小和形状限制、膜层厚度可控性强、沉积速率快和膜层形貌 均匀性好等优点，适用于3D打印多孔Ti6A14V合金支架等非线性金属表面涂层的工业化制 备。
[0005] 丝素蛋白是一种从家蚕中提取的天然共聚物，主要由甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸和酪 氨酸组成（占总量的95%以上）。丝素蛋白膜层具有生物相容性好、免疫原性低和可生物 降解强等优点，并且膜层亲疏水性、膜层形貌和力学性质等结构和性质可调控性强，因此可 用于医疗器械植入物表面改性和涂层制备领域，使其具有抗凝血、抗菌和促进细胞黏附等 特性。氧化石墨烯具有一定的生物相容性、优异的力学性能、可化学修饰性强、比表面积大 以及对许多分子具有不透性等特性。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种用于提高3D打印多孔金属支架表面生物活性的纳米复 合涂层及其制备方法。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] -种功能化多孔支架，是表面具有功能化生物活性纳米复合涂层的3D打印多孔 金属支架，其特征是，所述涂层为丝素蛋白-氧化石墨烯纳米复合涂层。
[0009] 所述3D打印多孔金属支架优选3D打印多孔钛基合金支架，特别优选3D打印多 孔Ti6A14V合金支架，通常是以Ti6A14V合金粉末为原料，采用电子束熔融技术（Electron Beam Melting-EBM)进行增材制造得到3D打印多孔Ti6A14V合金支架。
[0010] 支架表面的功能化生物活性纳米复合涂层优选主要由丝素蛋白和氧化石墨烯组 成的纳米复合涂层，以提高支架表面生物活性和抗腐蚀性。在丝素蛋白-氧化石墨烯纳米 复合涂层中，氧化石墨烯质量分数为0~0. 6%。
[0011] 在本发明所述的纳米复合涂层中，丝素蛋白为必要组分，除此之外，还可含有一定 量的可生物降解陶瓷、生物活性高分子、具有杀菌/抑菌作用的金属离子和/或石墨烯衍 生物。所述可生物降解陶瓷例如：羟基磷灰石、α-磷酸三钙、磷酸三钙或磷酸氧四钙 中的一种或多种的任意组合；所述生物活性高分子例如：聚羟基乙酸（PGA)、聚乳酸（PLA)、 L-聚乳酸（PLLA)、聚己酸内酯（PCL)、聚氰基丙烯酸酯（PACA)、聚对二氧杂环己烷酮、聚酸 酐、聚膦腈、氨基酸类聚合物、聚羟基丁酸酯和羟基戊酸酯及其共聚物中的一种或多种 的任意组合；所述具有杀菌/抑菌作用的金属离子例如：铜、银或锌离子中的一种或多种的 任意组合；所述石墨烯衍生物选自石墨烯、氧化石墨烯、羧基化石墨烯或氨基化石墨烯中的 一种或多种的任意组合。
[0012] 本发明的表面具有功能化生物活性纳米复合涂层的3D打印多孔金属支架主要用 于生物研究和医疗用途，特别涉及骨组织修复与重建，可用于骨组织修复支架、接骨器、固 定螺丝、固定铆钉、固定针、夹骨板或接骨套等。
[0013] 本发明还提供了上述表面具有功能化生物活性纳米复合涂层的3D打印多孔金属 支架的制备方法，是在3D打印多孔金属支架上通过电泳沉积法或提拉法制备纳米复合涂 层。
[0014] 所述丝素蛋白为家蚕或柞蚕蚕茧，通过脱胶处理后，利用溴化锂（LiBr)等高离液 盐、六氟异丙醇（HFIP)等氟化有机溶剂或乙酸等有机酸将其溶解后，制成丝素蛋白溶液。
[0015] 所述氧化石墨稀为以天然石墨为原料，采用Hmnmers法制备得到的氧化石墨稀， 置于水溶液中超声分散剥离得到。
[0016] 利用含有丝素蛋白-氧化石墨烯的溶液，通过电泳沉积法和提拉法在3D打印多孔 金属支架表面制备纳米复合涂层。
[0017] 所述电泳沉积法制备纳米复合涂层是将所述3D打印多孔金属支架作为阳极， 316L不锈钢（或铂金、钛合金）等作为阴极，置于丝素蛋白-氧化石墨烯沉积液中，在两电 极间施加5V~lOV/cm直流电压，沉积30s~5min，然后用乙醇或甲醇水溶液浸泡处理1小 时，自然晾干得到涂覆纳米复合涂层的3D打印多孔金属支架。其中，所述丝素蛋白-氧化 石墨烯沉积液中丝素蛋白浓度优选为2. 6~3w/v% (g/mL)，氧化石墨烯浓度优选为0. 1~ 0. 15mg/mL。所述丝素蛋白-氧化石墨烯沉积液的溶剂组成优选为10~12 %乙醇水溶液 (按体积百分比计）。
[0018] 所述提拉法制备纳米复合涂层是将所述3D打印多孔金属支架进行酸洗，然后置 于溶解在六氟异丙醇（HFIP)等氟化有机溶剂的丝素蛋白-氧化石墨烯溶液中，浸涂后匀速 拉出，待溶剂挥发后得到涂覆纳米复合涂层的3D打印多孔金属支架。
[0019] 为提高上述涂层的生物活性、抗菌性和抗腐蚀性，涂层内可能含有一定的可生物 降解陶瓷、生物活性高分子、具有杀菌/抑菌作用的金属离子和/或石墨烯衍生物。
[0020] 所述可生物降解陶瓷可为羟基磷灰石、α -磷酸三钙、β -磷酸三钙或磷酸氧四钙 中的一种或多种的任意组合；可通过共沉积或仿生矿化方式加入丝素蛋白-氧化石墨烯涂 层中。
[0021] 所述生物活性高分子可为聚羟基乙酸（PGA)、聚乳酸（PLA)、L-聚乳酸（PLLA)、聚 己酸内酯（PCL)、聚氰基丙烯酸酯（PACA)、聚对二氧杂环己烷酮、聚酸酐、聚膦腈、氨基酸类 聚合物、聚羟基丁酸酯和羟基戊酸酯及其共聚物中的一种或多种的任意组合；可通过 物理涂敷方法加入丝素蛋白-氧化石墨烯涂层中。
[0022] 所述具有杀菌/抑菌作用的金属离子可为铜、银或锌离子中的一种或多种的任意 组合；可通过物理吸附方法加入丝素蛋白-氧化石墨烯涂层中。
[0023] 所述石墨烯衍生物可为石墨烯、氧化石墨烯、羧基化石墨烯或氨基化石墨烯中的 一种或多种的任意组合。可通过共沉积方法加入丝素蛋白-氧化石墨烯涂层中。
[0024] 所述共沉积方式加入丝素蛋白-氧化石墨烯涂层为将上述生物降解陶瓷和/或上 述石墨烯衍生物与丝素蛋白-氧化石墨烯沉积液共混，通过所述电泳沉积法在3D金属支架 表面制备纳米复合涂层。
[0025] 所述仿生矿化方式加入丝素蛋白-氧化石墨烯涂层为将丝素蛋白-氧化石墨烯涂 层置于人体模拟液中，在其表面原位沉积生成磷灰石，从而制备得到纳米复合涂层。
[0026] 所述物理涂敷法是将上述生物活性高分子溶解在三氯乙烷等有机溶剂中，然后将 丝素蛋白-氧化石墨烯涂层在高分子材料溶液中浸涂后匀速拉出；或将上述生物活性高分 子与丝素蛋白和氧化石墨烯共同溶解在有机溶剂中，然后将3D打印多孔金属支架在该混 合溶液中浸涂后匀速拉出，待溶剂挥发后得到纳米复合涂层。
[0027] 所述物理吸附法是将丝素蛋白-氧化石墨烯涂层浸泡在含有上述杀菌/抑菌作用 的金属离子溶液中，通过静电吸附、物理吸附等作用，使金属离子与丝素蛋白-氧化石墨烯 涂层相结合。
[0028] 本发明的优点及有益效果：
[0029] 本发明所述的纳米复合涂