一种3D打印聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架的制备及其产品和应用的制作方法

本发明涉及一种生物医用材料技术领域的方法，具体是一种3d打印聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架的制备方法及其产品和应用，制备一种具有自固化和载药能力的聚乙烯醇/磷酸钙骨修复支架的制备方法。

背景技术：

近年来，3d打印技术被广泛应用于临床骨修复材料的制备，因其在植入物的形状和孔隙设计上具有很高的灵活性，使植入物能匹配目标创伤修复区域的形状，且连通的孔径更适合骨细胞和血管的再生。

与天然骨有相似化学成分的磷酸钙支架的3d打印制备技术，是该领域研究的热点。传统的3d打印技术制备的磷酸钙基骨修复支架，如羟基磷灰石、磷酸三钙、磷酸八钙等，主要是通过磷酸钙粉末与粘合剂复合后进行打印，再进行高温煅烧去除粘合剂，制备过程繁琐，且高温过程不利于负载生物活性药物。如不经过高温去除增稠剂，如3d打印的复合磷酸钙粉末的胶原支架、海藻酸钠-明胶交联支架等，该类支架以增稠剂为主体，力学强度较低，通常不适用于硬组织修复。

基于以上背景，本发明利用自固化的磷酸钙粉末为基体，通过聚乙烯醇、戊二醛的酸性交联体系作为增稠剂，形成适于3d打印堆叠沉积的凝胶，加入甘油调节磷酸钙的固化时间；将药物粉末或溶液直接添加在打印“墨水”中，3d打印成型后，通过磷酸钙的水化反应形成以羟基磷灰石为主体的支架。该方法制备的骨修复支架具有良好的力学强度和促骨生长能力，适用于生物活性药物的负载，可个性化匹配患者的骨缺损部位，在骨科临床个性化治疗领域具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种3d打印聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架的制备方法。

本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的3d打印聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架产品。

本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。

本发明目的通过下述方案实现：一种3d打印聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架的制备方法，其特征在于利用自固化的磷酸钙粉末为基体，通过聚乙烯醇、戊二醛的酸性交联体系作为增稠剂，形成适于3d打印堆叠沉积的凝胶，加入甘油调节溶液粘度和磷酸钙的固化时间；将生物活性药物的粉末或溶液直接添加在打印“墨水”中，3d打印成型后，通过磷酸钙的水化反应形成以缺钙型羟基磷灰石为主体的支架，包括以下步骤：

（1）按摩尔比2:1混合磷酸氢钙与碳酸钙，干燥后用马弗炉在1250-1400℃煅烧2-4h后取出，鼓风环境下急速冷却，之后用氧化锆球磨，乙醇为球磨介质，450rpm湿法球磨4-6h，80℃烘箱中干燥，得到α-tcp粉末；

（2）超纯水配制浓度为5-10%（w（g）/v（ml））的聚乙烯醇溶液，每100质量份的聚乙烯醇，加入5-10体积份的1wt%戊二醛溶液，5-10质量份的柠檬酸；再按混合溶液体积的5-10%加入甘油，常温下磁力搅拌混合10min得混合溶液；

（3）将上述α-tcp粉末与混合溶液按固液比1-2g/ml进行混合，同时加入生物活性药物粉末或溶液，混合均匀，抽真空20min除去气泡，得到3d打印“墨水”；装入打印料筒，出料针头选用0.2-0.5mm，采用垂直层积3d打印机在常温下进行打印，打印完毕后，室温下固化48h，得到聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架。

在上述方案基础上，步骤（1）所述的磷酸氢钙与碳酸钙的混合方式为纯水介质中湿法球磨，球磨速度为400rpm，球磨时间为2-4h；干燥方式为置于80℃烘箱中干燥过夜。

步骤（2）聚乙烯醇为国产市售1788或2488型。

步骤（3）所述生物活性药物包括水溶性或油溶性的抗菌类药物，如盐酸万古霉素、庆大霉素等水溶性或油溶性的抗菌类药物；促骨生长蛋白或小分子药物，如bmp-2、阿仑膦酸钠；抗肿瘤药物，如阿霉素、唑来膦酸。

本发明提供一种3d打印聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架，根据上述任一所述方法制备得到。

本发明提供一种聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架在制备常温个性化3d骨修复支架材料中的应用。

通过高温煅烧法和高速球磨制备具有表面活性的α-tcp粉末；配制聚乙烯醇溶液，加入戊二醛和柠檬酸初交联形成粘性溶液，作为α-tcp粉末的分散液和固化液，加入甘油调节粘度和固化时间；上述α-tcp粉末和溶液按比例混合后，加入生物活性药物，作为3d打印“墨水”，采用垂直层积生物3d打印机在常温下进行打印，打印完毕后，室温下固化48h，得到聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架。

本发明包括以下步骤：

1、将磷酸氢钙与碳酸钙按摩尔比2:1混合均匀。所述混合方式为使用无水乙醇为混合介质的球磨混合，转速400rpm，球磨时间为1-4h，混合后的悬浊液通过旋转蒸发除去乙醇后放入60℃烘箱中干燥。

2、将干燥后的磷酸氢钙与碳酸钙混合物在1250-1400℃炉中锻烧2-4h后取出，在鼓风环境下急速冷却，之后采用氧化锆球磨罐湿法球磨的方式得到粒径均一的α-tcp粉末。

3、配制浓度为5-10%（w（g）/v（ml））的聚乙烯醇溶液，每100份质量（g）的聚乙烯醇，加入5-10份体积（ml）的1wt%戊二醛溶液，5-10份质量（g）的柠檬酸；再按混合溶液体积的5-10%加入甘油，常温下磁力搅拌混合10min。

4、之后，将上述α-tcp粉末与混合溶液按固液比1-2g/ml进行混合，同时加入生物活性药物粉末或溶液，混合均匀，抽真空20min除去气泡，得到3d打印“墨水”。

5、将磷酸钙骨水泥“墨水”装入打印料筒，出料针头选用0.2-0.5mm，采用垂直层积3d打印机在常温下进行打印，打印完毕后，室温下固化48h，得到聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架。

本发明方法制备的骨修复支架具有良好的力学强度和促骨生长能力，常温下3d打印制备适用于生物活性药物的负载，可个性化匹配患者的骨缺损部位，在骨科临床个性化治疗领域具有广阔的应用前景。

本发明的优点在于：

1、通过3d打印技术制备以自固化磷酸钙为基体的骨修复支架，固化后形成羟基磷灰石，具有一定力学强度，适用于硬组织修复。

2、常温下打印，无须高温热处理，适合负载生物活性药物。

附图说明

图1是所制备磷酸钙支架的实物图；

图2是该支架的sem扫描图像；

图3是支架抗压强度曲线，支架具有一定刚性。

具体实施方式

以下实施例以发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于下述的实施例。

实施例1

一种3d打印聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架，利用自固化的磷酸钙粉末为基体，通过聚乙烯醇、戊二醛的酸性交联体系作为增稠剂，形成适于3d打印堆叠沉积的凝胶，加入甘油调节溶液粘度和磷酸钙的固化时间；将生物活性药物的粉末或溶液直接添加在打印“墨水”中，3d打印成型后，通过磷酸钙的水化反应形成以缺钙型羟基磷灰石为主体的支架，按以下步骤制备：

（1）α-tcp的制备：

按摩尔比2:1称量磷酸氢钙粉末和碳酸钙粉末，使用适量无水乙醇为介质湿法球磨，转速400rpm，球磨时间4h，球磨珠与粉末质量比为2:1混合；原料混合液通过旋转蒸发除去乙醇，置于60℃烘箱中干燥24h；将干燥后的粉末置于马弗炉中，用马弗炉在1400℃煅烧4h后取出，鼓风环境下急速冷却，将冷却后的粉末以无水乙醇为介质湿法球磨，转速450rpm，用氧化锆球磨6h，球磨珠与粉末质量比为4:1，粉末悬浊液置于80℃烘箱中充分干燥，制备得到α-tcp粉末；

（2）称取1g聚乙烯醇加入10ml纯水中，充分溶解；之后加入100μl1wt%戊二醛溶液、0.1g柠檬酸，1ml甘油，常温下磁力搅拌混合10min得混合溶液；

（3）向混合溶液中加入20g步骤（1）中制备的α-tcp粉末，0.2g阿仑膦酸钠粉末，搅拌均匀，抽真空20min除去气泡，得到3d打印“墨水”；装入打印料筒，出料针头选用0.4mm，采用垂直层积3d打印机在常温下进行打印，打印完毕后，室温下固化48h，得到聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架见附图1。

图2该支架的sem扫描图像，测试本实施例支架的抗压强度为10.40mpa，见附图3。

实施例2

一种3d打印聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架，与实施例1近似，按以下步骤制备：

（1）α-tcp的制备与实施例1同；

（2）称取1g聚乙烯醇加入10ml纯水中，充分溶解；之后加入100μl1wt%戊二醛溶液、0.1g柠檬酸，1ml甘油，常温下磁力搅拌10min得混合溶液；

（3）向混合溶液中加入10g实施例1（1）中制备的α-tcp粉末、0.1g阿仑膦酸钠粉末，搅拌均匀，抽真空20min除泡，制得3d打印“墨水”；转移至打印料筒，出料针头选用0.4mm，采用垂直层积3d打印机在常温下打印，打印完毕后，室温下固化48h，得到聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架，测试支架抗压强度为4.13mpa。

实施例3

一种3d打印聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架，与实施例1近似，按以下步骤制备：

（1）α-tcp的制备与实施例1同；

（2）称取1g聚乙烯醇加入10ml纯水中，充分溶解；之后加入80μl1wt%戊二醛溶液、0.1g柠檬酸，0.5ml甘油，常温下磁力搅拌10min得混合溶液；

（3）向混合溶液中加入20g实施例1（1）中制备的α-tcp粉末，0.2g盐酸万古霉素粉末，搅拌均匀，抽真空20min除泡，制得3d打印“墨水”；转移至打印料筒，出料针头选用0.4mm，采用垂直层积3d打印机在常温下打印，打印完毕后，室温下固化48h，得到聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架，测试支架抗压强度为9.46mpa。

实施例4

一种3d打印聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架，与实施例1近似，按以下步骤制备：

（1）α-tcp的制备与实施例1同；

（2）称取1g聚乙烯醇加入10ml纯水中，充分溶解；之后加入100μl1wt%戊二醛溶液、0.1g柠檬酸，1ml甘油，常温下磁力搅拌10min得混合溶液；

（3）向混合溶液中加入20g实施例1（1）中制备的α-tcp粉末，1ml1μg/ml的bmp-2溶液，搅拌均匀，抽真空20min除泡，制得3d打印“墨水”；转移至打印料筒，出料针头选用0.4mm，采用垂直层积3d打印机在常温下打印，打印完毕后，室温下固化48h，得到聚乙烯醇/磷酸钙载药骨修复支架。