一种高强度功能型PCL/HA多孔骨支架的成型工艺方法

本发明涉及大段骨缺损修复领域，具体是指一种高强度功能型pcl/ha多孔骨支架的成型工艺方法，属于骨组织工程领域。

背景技术：

由创伤、肿瘤等导致的骨缺损一直是治疗的重点及难点，临床上通常采用自体、同种异体或异种骨移植等方式进行修补。然而自体骨来源不足，术后并发症多；异体骨与宿主骨的结合能力较弱，有抗原特性，会因剧烈的免疫排斥反应导致植入失败，且存在疾病传播可能性，临床应用能力有限。骨组织工程学的发展提供了一种新的解决途径，其核心是建立由细胞/活性因子/骨支架构成的空间复合体，植入缺损部位促进骨的修复和再生。其中骨支架为细胞提供停泊、代谢和物质交换的场所，是形成新的有特定形态和功能的骨组织的物质基础。

骨支架需负载功能性物质以及与患处机体组织紧密贴合的特性，对支架生物学特性，力学特性，结构成分等提出一系列要求。一方面支架要有足够的力学强度，能够与自体骨组织相匹配，避免过高强度导致的应力屏蔽，过低强度引起的压溃等现象出现。为满足这一要求，现有支架制备方法往往需要烧结或单体/聚合物渗透作为后处理步骤调节其强度，但这很大程度上牺牲了负载功能性物质的可选择性。另一方面，支架开放、互连的多孔结构对于营养运输和组织血管形成至关重要，表面多孔结构还可以促进支架和周围组织之间的联锁以提高植入物的机械稳定性，但过高的孔隙率势必影响支架的机械性能。为协调支架强度与结构之间的相互制约，人们试图从两个方面着手。一方面寻找易于成型支架且力学性能更佳的生物材料，另一方面通过仿生原生骨组织的分层结构来调整成型后的支架整体力学特性，此时就需要一种精密可控的成型方式来成型有合适孔隙率及孔分布的骨支架。

压电喷墨打印技术(3dp)是快速成型技术的一种，其工作原理是三维打印机读取零件三维截面信息数据，通过控制喷嘴，喷洒黏结剂，选择性地将生物骨材料黏在一起形成截面轮廓，层层递进，最后得到零件整体。申请人团队研究发现，选用合适浓度的高分子粘结剂，依托三维打印平台，可以制备高强度的生物陶瓷骨支架，该成型过程在常温下完成，可以实现同步打印药物、功能性蛋白质和生长因子等，且材料组分、孔隙结构精准可控。但同时，成型后的支架强度仍需改善，韧性较差。pcl是一种半结晶型聚合物，相对于其它聚合物，具有更高的结晶度。其玻璃化转变温度为-60℃，熔点一般位于59℃-64℃之间，较高的结晶度和较低的熔点导致了它在相对较低的温度下就具有优异的成型加工性能和药物加工性能。且pcl的降解缓慢，植入人体后不会因为降解速率过快产生过多的游离态物质，降低对自身组织的影响，较长的降解周期也保证支架不会短时间内失效，为新骨形成预留足够时间。将其与生物陶瓷材料复合，可以实现材料性能互补。一方面陶瓷相的存在可以降低pcl的结晶度，进一步提高其粘弹性，也能有效避免pcl的疏水性和低细胞粘附性对支架的影响。另一方面，pcl显著改善生物陶瓷材料硬而脆的缺陷，提高支架力学性能。但同时pcl的含量对支架的成型精度影响极大，过量的pcl导致支架收缩变形严重，过少则支架强度不足，性能改善不明显。如何确定两者最佳配比及其成型工艺是3dp打印pcl/ha功能型骨支架所面临的关键问题。

技术实现要素：

本发明针对现有骨组织工程支架制备过程中，强度、精度与同步负载功能性物质三者之间的矛盾，提供一种高强度功能型pcl/ha多孔骨支架的成型工艺方法。该方法所制备的支架具有足够的强度来维持植入后患处的稳定性，同时可实现骨支架材料组分、孔隙结构的可控性制造；此外，该成型方法不涉及二次高温烧结、化学固化后处理工艺等高能后处理过程，可实现负载rgd、蛋白质、消炎药等功能性物质骨支架的一体化制造，为高强度功能型pcl/ha多孔骨支架的制造提供了一种新的工艺方法。

本发明的技术方案为：

一种高强度功能型pcl/ha多孔骨支架的成型工艺方法，使用羟基磷灰石粉末、聚己内酯粉末、高分子粘结剂和功能性物质，结合电喷墨打印技术实现pcl/ha功能型多孔骨支架雏体打印，并在50～60℃的环境下静置处理，使支架中的pcl粉末变成熔融状态，并与ha粉体发生二次粘结固化，得到室温环境下具有高强度的pcl/ha功能型多孔骨支架；以质量百分数计，羟基磷灰石含量为70％～90％，高分子粘结剂及功能性物质含量极小可忽略不计，其余为聚己内酯；支架孔隙率为70％～85％，抗压强度为8～10mpa。

进一步的，具体步骤为：

步骤1：以pcl：ha的质量比为3:7至1:9的比例将聚己内酯粉末与羟基磷灰石粉末混合均匀；

步骤2：将步骤1所得混合物粉末经过灭菌、清洗和干燥研磨处理后得到具有流动性的复合粉体；

步骤3：配制高分子粘结剂溶液作为3dp打印机所用胶水，并将功能性物质分散于pbs缓冲溶液中；

步骤4：将步骤3制备好的高分子粘结剂与含有功能性物质的pbs缓冲液装入3dp打印机的墨盒中，将步骤2制备的混合粉体装入3dp打印机的储粉仓；导入骨支架模型数据文件并启动打印程序，在无菌条件下，逐层铺设混合粉末，喷洒高分子粘结剂以及含有功能性物质的pbs缓冲液，最终形成支架；

步骤5：打印结束后，静置一段时间后取出成型支架，并吹除多余粉末；而后将支架放入50～60℃干燥箱中加热15～30分钟；加热处理后，在室温环境下静置一段时间后得到具备高强度的功能型pcl/ha多孔骨支架。

进一步的，步骤1中，羟基磷灰石/聚己内酯复合粉体粒径分布范围d90～d10为1～200μm，粉体中径d50为20～150μm。

进一步的，步骤2中，将步骤1所得混合物粉末在75％的乙醇溶液中浸泡灭菌，然后用无菌的pbs缓冲溶液彻底清洗，并在室温环境下充分干燥并研磨处理，继而得到具有流动性的复合粉体。

进一步的，步骤3中的高分子粘结剂为质量分数为0.8％～1.2％的聚乙烯醇溶液、质量分数为0.1％～0.3％的聚乙烯吡咯烷酮或质量分数为0.01％～0.05％的聚丙烯酰胺中的一种或任意比例多种组合。

进一步的，步骤3中的功能性物质包括但不限于rgd、庆大霉素、妥布霉素、他汀类药物及其他抗菌或抗癌药物。

有益效果

本发明的有益效果有：

1、本发明所提高强度功能型pla/ha多孔骨支架成型工艺方法有效解决了骨支架结构、强度和复合功能性有机物三者之间的矛盾。在保证支架机械强度的同时，避免了二次高温烧结、化学固化等高能后处理过程，实现了负载rgd、蛋白质、消炎药等功能性有机物骨支架的一体化制造，为高强度功能型pcl/ha多孔骨支架的制造提供了一种新的工艺方法；

2、所制备的骨支架兼具了生物陶瓷材料和聚己内酯的双重特性，具有足够强度和韧性，满足了临床对骨支架力学性能的要求；

3、打印工艺和基体材料的使用可实现骨支架的材料组分、空隙结构的可控性制造，满足人工骨支架的个性化制造和梯度化降解的功能要求；

4、通过同步打印功能性物质，使其精准分布于支架制定部位，能够实现骨支架功能性物质的可控性释放，使得功能性物质在骨修复重建过程中长期有效地发挥作用，加速骨修复和重建。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的支架模型；

图2为本发明实施例打印成型的支架。

具体实施方式

本发明提供一种高强度功能型pcl/ha多孔骨支架的成型工艺方法，该方法提出基于pcl/ha复合粉体，利用压电喷墨打印成型工艺(3dp)实现骨支架的个性化制造，并结合pcl熔点低的特性，利用二次加热(50～60℃)实现骨支架的二次固化，从而使支架的力学性能得到进一步提高。本发明在保证支架强度的同时，避免了高温烧结或化学固化等高能后处理工艺，使得精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(rgd)、蛋白质、消炎药等功能性物质能随支架成型进行同步复合，且不影响其功能。复合粉体的使用使得成型后的支架具备羟基磷灰石赋予的高生物活性和高硬度，利于细胞的粘附和增殖，也具备聚己内酯(pcl)赋予的高韧性和生物降解特性，既保证支架降解与新骨形成的平稳过渡，维持了修复全过程的骨稳定性，也为内部高孔隙率设计预留足够的冗余量。此外，rgd、蛋白质、消炎药等功能性物质能够均布于支架整体而非只是表面，使所制备的支架具有更好的功能和骨修复重建效果。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

本实施例高强度pcl/ha抗菌多孔骨支架由羟基磷灰石，聚己内酯，高分子粘结剂和庆大霉素药物复合打印而成。以质量百分数计，羟基磷灰石含量为90％，聚己内酯含量为10％，高分子粘结剂为0.8％的pva溶液，药物含量极微忽略不计。支架规格为直径2cm的圆柱体，支架内部充满贯通的宏观孔隙，孔截面为2mm×2mm的正方形。

具体步骤如下：

1、按给定的含量(ha含量90％，pcl含量10％)称量羟基磷灰石和聚己内酯粉末，并置于螺旋混合器混合2h；

2、将步骤1所得混合物粉末在75％的乙醇溶液中浸泡24h灭菌，然后用无菌的pbs缓冲溶液反复清洗5次，室温环境下干燥4h后研磨，得到具有流动性的复合粉体；

3、配制质量分数为0.8％的pva溶液作为三维打印胶水，并使用pbs缓冲液配制含庆大霉素浓度为50μg/ml的药物溶液；

4、将步骤3制备好的粘结剂与含药物的缓冲液分别装入三维打印机的墨盒中，将步骤2制备的混合粉体加入打印机的储粉缸内。导入骨支架模型数据文件并启动打印程序，在无菌条件下，逐层铺设混合粉末，喷洒粘结剂以及药物溶液，最终形成支架；

5、打印结束后，静置2h取出成型支架，毛刷刷去多余粉末。放入60℃干燥箱中加热15min，即可得到高强度pcl/ha促骨活化多孔活性骨支架。

本实施例中制备的多孔骨组织工程支架如图2所示，结合压汞法测得本实施例制备的多孔活性骨支架整体孔隙率为78.6％；采用万能力学试验机测得该多孔活性骨支架的抗压强度为8.53mpa；测量实际制备的多孔骨组织工程支架尺寸并与模型尺寸对比，算得的尺寸收缩率为1.2％。

实施例二：

本实施例高强度pcl/ha抗菌多孔骨支架由羟基磷灰石，聚己内酯，高分子粘结剂和庆大霉素药物复合打印而成。以质量百分数计，羟基磷灰石含量为70％，聚己内酯含量为30％，高分子粘结剂为0.8％的pva溶液，药物含量极微忽略不计。支架规格为直径2cm的圆柱体，支架内部充满贯通的宏观孔隙，孔截面为2mm×2mm的正方形。

具体步骤如下：

1、按给定的含量(ha含量70％，pcl含量30％)称量羟基磷灰石和聚己内酯粉末，并置于螺旋混合器混合2h；

2、将步骤1所得混合物粉末在75％的乙醇溶液中浸泡24h灭菌，然后用无菌的pbs缓冲溶液反复清洗5次，室温环境下干燥4h后研磨，得到具有流动性的复合粉体；

3、配制质量分数为0.8％的pva溶液作为三维打印胶水，并使用pbs缓冲液配制含庆大霉素浓度为50μg/ml的药物溶液；

4、将步骤3制备好的粘结剂与含药物的缓冲液分别装入三维打印机的墨盒中，将步骤2制备的混合粉体加入打印机的储粉缸内。导入骨支架模型数据文件并启动打印程序，在无菌条件下，逐层铺设混合粉末，喷洒粘结剂以及药物溶液，最终形成支架；

5、打印结束后，静置2h取出成型支架，毛刷刷去多余粉末。放入60℃干燥箱中加热15min，即可得到高强度pcl/ha促骨活化多孔活性骨支架。

采用压汞法测得本实施例制备的多孔活性骨支架整体孔隙率为82.6％；采用万能力学试验机测得该多孔活性骨支架的抗压强度为9.57mpa；测量实际制备的多孔骨组织工程支架尺寸并与模型尺寸对比，算得的尺寸收缩率为2.4％。

本实施例与实施例一pcl/ha混合比例均在给定的范围内，区别在于，实施例一粉末混合比例为pcl/ha为1:9，本实施例粉末混合比例为pcl/ha为3:7。

实施例三：

本实施例高强度pcl/ha抗菌多孔骨支架由羟基磷灰石，聚己内酯，高分子粘结剂和庆大霉素药物复合打印而成。以质量百分数计，羟基磷灰石含量为95％，聚己内酯含量为5％，高分子粘结剂为0.8％的pva溶液，药物含量极微忽略不计。支架规格为直径2cm的圆柱体，支架内部充满贯通的宏观孔隙，孔截面为2mm×2mm的正方形。

具体步骤如下：

1、按给定的含量(ha含量95％，pcl含量5％)称量羟基磷灰石和聚己内酯粉末，并置于螺旋混合器混合2h；

2、将步骤1所得混合物粉末在75％的乙醇溶液中浸泡24h灭菌，然后用无菌的pbs缓冲溶液反复清洗5次，室温环境下干燥4h后研磨，得到具有流动性的复合粉体；

3、配制质量分数为0.8％的pva溶液作为三维打印胶水，并使用pbs缓冲液配制含庆大霉素浓度为50μg/ml的药物溶液；

4、将步骤3制备好的粘结剂与含药物的缓冲液分别装入三维打印机的墨盒中，将步骤2制备的混合粉体加入打印机的储粉缸内。导入骨支架模型数据文件并启动打印程序，在无菌条件下，逐层铺设混合粉末，喷洒粘结剂以及药物溶液，最终形成支架；

5、打印结束后，静置2h取出成型支架，毛刷刷去多余粉末。放入60℃干燥箱中加热15min，即可得到高强度pcl/ha促骨活化多孔活性骨支架。

采用压汞法测得本实施例制备的多孔活性骨支架整体孔隙率为75.3％；采用万能力学试验机测得该多孔活性骨支架的抗压强度为4.39mpa；测量实际制备的多孔骨组织工程支架尺寸并与模型尺寸对比，算得的尺寸收缩率为0.6％。

与实施例一相比，本实施例pcl/ha混合比例低于给定的范围内，区别在于，实施例一粉末混合比例为pcl/ha为1:9，本实施例粉末混合比例为pcl/ha为1:19。

实施例四：

本实施例高强度pcl/ha抗菌多孔骨支架由羟基磷灰石，聚己内酯，高分子粘结剂和庆大霉素药物复合打印而成。以质量百分数计，羟基磷灰石含量为50％，聚己内酯含量为50％，高分子粘结剂为0.8％的pva溶液，药物含量极微忽略不计。支架规格为直径2cm的圆柱体，支架内部充满贯通的宏观孔隙，孔截面为2mm×2mm的正方形。

具体步骤如下：

1、按给定的含量(ha含量50％，pcl含量50％)称量羟基磷灰石和聚己内酯粉末，并置于螺旋混合器混合2h；

2、将步骤1所得混合物粉末在75％的乙醇溶液中浸泡24h灭菌，然后用无菌的pbs缓冲溶液反复清洗5次，室温环境下干燥4h后研磨，得到具有流动性的复合粉体；

3、配制质量分数为0.8％的pva溶液作为三维打印胶水，并使用pbs缓冲液配制含庆大霉素浓度为50μg/ml的药物溶液；

4、将步骤3制备好的粘结剂与含药物的缓冲液分别装入三维打印机的墨盒中，将步骤2制备的混合粉体加入打印机的储粉缸内。导入骨支架模型数据文件并启动打印程序，在无菌条件下，逐层铺设混合粉末，喷洒粘结剂以及药物溶液，最终形成支架；

5、打印结束后，静置2h取出成型支架，毛刷刷去多余粉末。放入60℃干燥箱中加热15min，即可得到高强度pcl/ha促骨活化多孔活性骨支架。

采用压汞法测得本实施例制备的多孔活性骨支架整体孔隙率为71.2％；采用万能力学试验机测得该多孔活性骨支架的抗压强度为4.16mpa；测量实际制备的多孔骨组织工程支架尺寸并与模型尺寸对比，算得的尺寸收缩率为18.3％。

与实施例一相比，本实施例pcl/ha混合比例高于给定的范围内，区别在于，实施例一粉末混合比例为pcl/ha为1:9，本实施例粉末混合比例为pcl/ha为1:1。

此外，还给出了其他几种组分配比的pla/ha复合粉体所制备骨支架的性能，如表1所示：

表1不同组分配比pla/ha复合粉体所制备骨支架的性能

可以看出，pcl/ha为3:7至1:9的比例范围内，支架孔隙率控制为70％～85％，抗压强度为8～10mpa，同时满足功能型骨支架强度、精度与同步负载功能性物质的要求。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。