一种具有高诱骨活性的3D打印髋臼杯涂层及其制备方法

本发明涉及医学，更具体地，涉及一种具有高诱骨活性的3d打印髋臼杯涂层及其制备方法。

背景技术：

1、髋关节置换手术通过植入人工股骨和髋臼杯假体来替换受损关节，旨在纠正关节畸形，缓解疼痛，并恢复关节功能。髋臼杯作为手术的关键部分，负责替代并支撑髋臼，促进与骨组织的紧密结合，从而恢复关节的正常功能。目前，髋臼杯的材料选择包括高分子、陶瓷和金属，其中钛合金以及钽等医用金属因其卓越的机械性能、抗腐蚀性和良好的生物相容性而备受推崇，同时与3d打印技术的相结合使髋臼杯的性能得到了更多的提升。尽管如此，金属髋臼杯的生物惰性限制了其与骨组织的整合效率，可能导致植入物松动，增加后期翻修的风险。

2、为了增强3d打印髋臼杯的骨整合能力，研究者们探索了多种表面改性技术，如通过机械加工调整孔隙率、喷砂酸蚀形成微纳级孔洞结构、喷涂羟基磷灰石涂层以及化学沉积钽涂层等。然而，这些方法未能有效引入生物活性因子，导致生物活性不足。

3、骨形态发生蛋白bmp-2具有促进骨形成的作用，但其直接附着于材料表面可能导致异位骨形成和潜在的毒副作用。因此，开发一种能够在3d打印髋臼杯表面有效负载bmp-2活性生长因子、控制其缓慢释放的高诱骨活性涂层，对于促进骨分化和提高植入物稳定性至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有高诱骨活性的3d打印髋臼杯涂层及其制备方法，从而解决现有技术中金属髋臼杯的生物惰性限制了其与骨组织的整合效率的问题。

2、为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

3、根据本发明的第一方面，提供一种具有高诱骨活性的3d打印髋臼杯涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：1)提供一种3d打印髋臼杯作为基底材料，进行喷砂酸蚀处理以在所述3d打印髋臼杯的表面引入微纳级多孔洞结构；2)将步骤1)得到的3d打印髋臼杯进行氧等离子表面活性处理，以在表面引入带有负电荷的活性氧离子基团；3)将步骤2)得到的3d打印髋臼杯置于壳聚糖(chitosan，cs)溶液上方并与其接触，使壳聚糖溶液均匀吸附在3d打印髋臼杯的表面，然后将其放入盛有三聚磷酸钠(sodium tripolyphosphate，stpp)溶液的烧杯中并将所述3d打印髋臼杯完全浸没，交联0.5～3h；待交联完成后，将该3d打印髋臼杯用pbs缓冲液冲洗，并用pbs缓冲液浸泡0.3～1.0h，浸泡完成后置于真空干燥箱中烘干，得到一种具有cs-tpp涂层的3d打印髋臼杯；4)将1～5ml rhbmp-2溶液滴加在步骤3)得到的具有cs-tpp涂层的3d打印髋臼杯表面，置于室温下通风静置，即可获得一种具有高诱骨活性的3d打印髋臼杯涂层。

4、优选地，步骤1)中，所述3d打印髋臼杯的材料为钛及钛合金，钽等金属材料。

5、优选地，步骤2)中，所述氧等离子表面活性处理条件为：功率70～100w，时间0.5～3min。

6、等离子体表面处理的工艺条件包括处理功率和时间，发明人研究发现在上述优选工艺条件下可以更好地保证在髋臼杯表面引入活性氧离子使表面带有负电荷，同时也保证等离子腔体内温度合适，不会对材料表面产生刻蚀。

7、优选地，步骤3)中，所述壳聚糖溶液中壳聚糖的质量分数为1～3％。

8、优选地，步骤3)中，所述壳聚糖溶液的溶剂为0.5～1％质量分数的乙酸溶液。

9、壳聚糖溶液浓度由发明人经过多次试验筛选获得，1％～3％浓度的壳聚糖溶液可以完全覆盖3d打印髋臼杯的表面，且仍然可以保留喷砂酸蚀表面处理的孔洞结构，高于3％浓度(比如4％、5％)的壳聚糖溶液就会将孔洞结构完全覆盖，低于0.5％浓度的壳聚糖溶液则可能无法在髋臼杯表面均匀涂敷。

10、优选地，步骤3)中，所述三聚磷酸钠溶液的质量分数为5％～10％。

11、优选地，步骤3)中，壳聚糖与三聚磷酸钠的交联成胶时间为1～3h。

12、优选地，步骤4)中，rhbmp-2(recombinant human bonemorphorgeneticprotein-2，重组人骨形态发生蛋白-2)溶液的浓度为50～200μg/ml，体积为1～5ml。

13、发明人经研究发现，超过5ml会超出涂层负载范围，造成rhbmp-2的损失；反之，低于1ml又会造成rhbmp-2的分布不均匀。因此，rhbmp-2溶液体积控制在1～5ml为涂层可吸收范围。

14、根据本发明的一个优选方案，步骤3)和步骤4)之间还包括：对步骤3)获得的具有cs-tpp涂层的3d打印髋臼杯进行灭菌操作得到无菌髋臼杯，在植入手术前再进行步骤4)以实现rhbmp-2的固载。

15、根据本发明的第二方面，提供一种根据上述制备方法制备的具有高诱骨活性的3d打印髋臼杯涂层。

16、根据本发明的第三方面，提供一种髋臼杯，所述髋臼杯包括：3d打印髋臼杯基底材料，以及在其表面形成的具有高诱骨活性的3d打印髋臼杯涂层。

17、根据本发明提供的这样一种具有高诱骨活性的3d打印髋臼杯涂层的制备方法，首先，本发明通过对3d打印髋臼杯进行表面等离子体处理，在髋臼杯表面引入带有负电荷的活性氧离子基团，使得带有正电荷的壳聚糖溶液可以完全被吸附进3d打印髋臼杯表面的孔洞当中，并与髋臼杯表面完全结合，使得壳聚糖可以完全涂敷在髋臼杯表面；未经等离子处理的髋臼杯则不能完全将壳聚糖吸附在髋臼杯上。其次，由于壳聚糖具有一定的水溶性，所以在单独使用壳聚糖涂层时，其易于降解，不易于在髋臼杯表面形成均匀涂层，且不能对髋臼杯表面孔洞进行填充涂敷。因此本发明使用三聚磷酸钠这种交联剂对壳聚糖涂层进行交联处理，继而得到一种不易降解、在髋臼杯表面均匀涂敷并填充孔洞的交联涂层。接着，本发明进一步使交联壳聚糖涂层与蛋白活性因子rhbmp-2相结合，达到了提高诱骨活性的目的，本涂层为交联涂层，具有三维网状结构，可以有效负载rhbmp-2，同时达到缓释rhbmp-2的效果，具有高诱骨活性。应当理解的是，本发明方法旨在髋臼杯表面构建一种cs-tpp涂层，并使其有效负载rhbmp-2蛋白因子，达到缓释效果并具有较好的成骨活性，因此cs-tpp涂层表面滴加rhbmp-2溶液为本发明方法必不可少的步骤之一。

18、本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

19、1)现有技术对于髋臼杯涂层的施加方式常为静电喷涂，化学沉积等，然而，这些涂层制作方式的设备成本较高，增加了整体生产成本；静电喷涂法同时需要精确的控制以及技能操作；化学沉积法常使用到有害的化学品与溶剂，不适用于生物制品；而本发明涂层易于制备，且对设备要求以及人员操作要求不高，所使用的涂层原材料壳聚糖为天然高分子，生物相容性较好。本发明采用静电吸附以及离子交联的方式进行涂层的制作，首先利用氧等离子表面活性处理髋臼杯，使其表面引入带负电荷的活性氧离子，壳聚糖分子带有正电荷，利用正负电荷吸附的原理将壳聚糖溶液均匀吸附在髋臼杯表面；再利用壳聚糖与三聚磷酸钠的交联作用使涂层牢固的覆盖在髋臼杯表面。本发明首次在3d打印髋臼杯上制备出了这样一种cs-tpp涂层。

20、2)现有技术用于负载rhbmp-2的常见载体有天然多糖、胶原蛋白、羟基磷灰石、明胶等。本发明通过天然多糖壳聚糖与三聚磷酸钠之间离子交联反应形成交联水凝胶，交联水凝胶具有形成三维空间结构，具有优异的吸水性能和稳定性，更好地控制药物的释放速率和增强疗效；根据本发明的一个实施例，施加cs/tpp涂层的样品rhbmp-2释放率在前8小时仅为35％，在7天的累计释放量在65％左右，本发明方法构建的cs/tpp涂层有效降低了rhbmp-2在髋臼杯上的突释行为，表现出蛋白缓释的行为，可以保证rhbmp-2在髋臼杯表面有效缓慢地释放。

21、3)现有技术将壳聚糖与rhbmp-2共混后进行喷涂在材料表面形成活性涂层，但是这一设计并未考虑到在实际生产过程中医疗器械需要经过灭菌处理，这一过程会造成rhbmp-2失活，涂层成骨活性丧失；因此在本发明中将涂层构建与rhbmp-2的固载进行分开操作，在髋臼杯表面构建涂层后经过灭菌工艺得到无菌髋臼杯，在植入手术前滴加rhbmp-2溶液进行固载，具有实际植入的可操作性。

22、综上所述，根据本发明，提供了一种能够在3d打印髋臼杯表面有效负载rhbmp-2活性生长因子、控制其缓慢释放的高诱骨活性涂层及其制备方法，本发明利用交联水凝胶形成的网状结构固载诱骨生长因子，控制生长因子有限缓慢的释放，使其具有优异的成骨活性，因此本发明在髋关节置换手术领域以及医疗器械领域具有良好的应用前景。