一种3D打印技术制备的生物可降解硬组织修复复合支架及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印技术制备的生物可降解硬组织修复复合支架及其制备方法，属于生物医用材料领域。所述复合材料支架通过将可降解的高分子聚合物和具有生物活性的磷酸钙通过湿法复合方法结合在一起，优势互补，通过熔融挤出（FDM）的3D打印技术得到力学性能和生物活性优异的硬组织修复支架材料。采用硅烷偶联剂对磷酸钙纳米粉体进行表面改性，增强了磷酸钙和聚合物的结合，而且在制备FDM标准线材时，提高了出丝的流畅性和完整性。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印技术制备的生物可降解硬组织修复复合支架及其制备方法
本专利技术属于生物医用材料
，特别是涉及一种可降解生物活性3D打印硬组织修复材料及其制备方法。技术背景在我国，每年因骨创伤、骨组织炎症及骨肿瘤切除等多种因素引起的骨缺损患者高达1500多万，牙缺、牙缺损患者人数更是高达总人口的1/5－1/3。由于疾病、意外事故、人口老龄化等原因造成的骨、牙硬组织缺损的病人日趋增多，而自体组织的数量受到严重限制，异体组织存在免疫排斥反应，采用人工复合材料进行硬组织替换和修复具有重大的意义。磷酸钙（Ga-P）生物陶瓷，具有优异的生物相容性、良好的骨传导性和骨诱导性，是骨缺损修复的理想材料之一。然而磷酸钙陶瓷的力学性能并不令人满意，其抗弯强度低、脆性大、易断裂和塑形难，只能应用于不承受负荷或仅承受小的纯压应力负荷的骨修复，此外，其弹性模量大大高于自然骨，力学性能和人体骨不匹配，限制了其在临床上的广泛应用。针对上述缺陷而研制的磷酸钙生物复合材料集多种组分的性能优点，使复合材料具有综合性能优势。磷酸钙/可降解聚合物复合材料在结构上与天然骨更接近具有更好的生物学性能，高分子聚合物的加入很好地弥补了磷酸钙的力学性能不足的缺陷。有研究表明，具有相关贯通的多孔结构，能促进骨修复再生效果。常用的多孔复合材料支架的制备方法包括传统的冷冻干燥法，致孔剂法，超临界CO2气体发泡法等。但是这些方法仍存在一定缺陷和不足，很难精确控制支架内部的孔结构尺寸和孔隙率，并且很难精确制备具有不规则形貌的骨缺损部位修复支架。近些年来随着制造技术的快速发展，增材制造技术（俗称3D打印技术）在很多方反面展现出了优势，其是通过材料的累积来成形复杂的零件，可以在数字驱动下同时精确成型零件内外的复杂结构，这为软骨/骨的个性化制备提供了新的制造理念和方法。增材制造技术目前在生物医疗的很多方面都有成果的出现，因此该技术是一项十分值得期待的技术，必将对整个医疗卫生事业产生深远影响。其中熔融沉积制造法（FDM）：这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型技术。熔融沉积(FDM)3D打印机因其技术原理成熟，设备工艺稳定，加工成本低，目前是应用最广泛的3D打技术。开发匹配FDM技术加工的硬组织修复材料具有很大的应用潜力。界面是复合材料极为重要的微观结构，其结构和性能将直接影响复合材料的性能。复合材料中的增强体无论是微纤维，晶须，颗粒还是纤维，与基体在成型过程中都将会发生程度不同的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面，对复合材料界面的有效控制，优化其界面设计，将是获得高性能复合材料的关键。为了提高磷酸钙／聚合物复合材料内固定材料的界面力学性能，对Ga-P表面进行改性和修饰是优先考虑的必要措施。目前已开发的改性剂包括硅烷衍生物、多酸、丙烯酸及其低分子量聚合体等，其中硅烷系列衍生物最具开发潜力。硅烷偶联剂在其分子中同时具有能和无机质材料（如玻璃、硅砂、金属等）化学结合的反应基团及与有机质材料（合成树脂等）化学结合的反应基团，可以用于表面处理。其中多数的硅烷已被FDA批准能用于人体内。正十二烷基三甲氧基硅烷（WD-10），相比较其他硅烷偶联剂，具有较长的碳链，能和聚合物分子链结合在一起。磷酸钙复合材料中，磷酸钙的含量对其生物活性至关重要，市面上已有的3D打印磷酸钙复合材料支架，磷酸钙的含量过低，往往在30%以下，骨修复效果不理想。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于硬组织修复的生物可降解3D打印复合材料支架材料及其制备方法，通过将生物可降解的聚合物和具有生物活性的磷酸钙材料进行有效复合，优势互补，得到力学性能匹配的并具良好生物活性，内部孔结构、尺寸、孔隙率以及宏观形貌可精确控制的硬组织修复材料。采用湿法复合的方式并配合硅烷偶联剂对磷酸钙纳米粉体进行表面改性，增强了磷酸钙和聚合物的结合强度连接，而且在制备FDM标准线材时，提高了出丝的流畅性和完整性。本专利技术通过以下技术方案来实现：一种3D打印技术制备的生物可降解硬组织修复复合支架，其特征在于，包含纳米磷酸钙粉末和生物可降解医用聚合物，其中纳米磷酸钙的质量分数为30%-60%，生物可降解医用聚合物的质量分数为70%-40%，所述复合支架通过湿法混合工艺结合3D打印技术制得。所述复合支架采用湿法混合与热熔共混法相比，更利于无机填料尤其是纳米材料在聚合物中的分散，能显著提高复合材料中无机颗粒的含量，特别适合于高无机含量复合材料的制备。采用3D打印技术制备可获得理想的孔结构。所述的复合材料支架可通过成分比例和结构来调节降解速度、力学性能，孔形状尺寸和孔隙率。作为可选方式，在上述复合支架中，所述的磷酸钙为：磷酸三钙(α-TCP及β-TCP)、羟基磷灰石（HA）、磷酸四钙、磷酸二氢钙中一种或多种。磷酸钙系列的加入提高了复合材料支架生物活性，并且磷酸钙呈弱碱性，可以有效缓解部分高分子的水解酸性，降低炎症的发生概率。磷酸钙颗粒的加入也增强了支架的力学性能。作为可选方式，在上述复合支架中，生物可降解医用聚合物为热塑性高分子，具体为：聚乳酸（PLA），聚己内酯（PCL），聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)中的一种或几种。这些都是FDA批准可以用于临床植入的高分子材料，其在体内可以降解，最终水解产物为CO2和H2O没有毒副作用。并且当温度由熔点降低至室温时，这些高分子会迅速固硬化，具有良好的力学性能，此特征适用于FDM技术。作为可选方式，在上述复合支架中，所述磷酸钙粉末为采用硅烷偶联剂改性处理的磷酸钙粉末。采用硅烷偶联剂改性处理增加了磷酸钙的表面的疏水性，提高了其和高分子之间的结合强度，进一步提高的支架的力学性能。进一步的，所述硅烷偶联剂占复合材料总质量分数0.1-0.6%。作为可选方式，在上述复合支架中，所述3D打印技术为熔融沉积成型技术（FDM）。此技术原理成熟，设备稳定，并且能满足硬组织修复支架的精度要求。在应用前，首先通过患者的骨缺损数据进行逆向建模，并根据修复位置不同设计不同的多孔结构，最后将模型导入3D打印机中打印出目标模型。FDM技术采用的打印原材料为标准线材，在打印前应根据打印机的型号制备匹配的打印线材。本专利技术还提供了一种用于制备上述复合支架的3D打印标准线材，其特征在于，所述线材由纳米磷酸钙粉末和生物可降解医用聚合物经湿法混合后熔融挤出成型而得。作为可选方式，所述3D打印标准线材包含纳米磷酸钙粉末和生物可降解医用聚合物，其中纳米磷酸钙的质量分数为30%-60%，生物可降解医用聚合物的质量分数为70%-40%。作为可选方式，所述磷酸钙粉末为采用硅烷偶联剂改性处理的磷酸钙粉末。作为可选方式，所述线材的直径为1.75mm～3mm。本专利技术还提供了一种上述3D打印标准线材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）分别将磷酸钙粉体和生物可降解医用聚合物分散在挥发性溶剂中，制备磷酸钙粉体悬浮液和生物可降解医用聚合物溶液；（2）将所述磷酸钙粉体悬浮液和生物可降解医用聚合物溶液混合均匀；（3）去除溶剂，得到磷酸钙/聚合物复合材料块体；（4）将所得复合材料块体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印技术制备的生物可降解硬组织修复复合支架，其特征在于，包含纳米磷酸钙粉末和生物可降解医用聚合物，其中纳米磷酸钙的质量分数为30%‑60%，生物可降解医用聚合物的质量分数为70%‑40%，所述复合支架通过湿法混合工艺结合3D打印技术制得。

【技术特征摘要】
1.一种3D打印技术制备的生物可降解硬组织修复复合支架，其特征在于，包含纳米磷酸钙粉末和生物可降解医用聚合物，其中纳米磷酸钙的质量分数为30%-60%，生物可降解医用聚合物的质量分数为70%-40%，所述复合支架通过湿法混合工艺结合3D打印技术制得。2.根据权利要求1所述的复合支架，其特征在于，所述的磷酸钙为：磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸四钙、磷酸二氢钙中一种或多种。3.根据权利要求1所述的复合支架，其特征在于，生物可降解医用聚合物为热塑性高分子，具体为：聚乳酸，聚己内酯，聚乳酸-羟基乙酸中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的复合支架，其特征在于，所述磷酸钙粉末为采用硅烷偶联剂改性处理的磷酸钙粉末。5.根据权利要求1所述的复合支架，其特征在于，所述3D打印技术为熔融沉积成型技术。6.一种用于制备权利要求1所述的复合支架的3D打印标准线材，其特征在于，所述线材由纳米磷酸钙粉末和生物可降解医用聚合物经湿法混合后熔融挤出成型而得。7.根据权利要求6所述的标准线材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）分别将磷酸钙粉体和生物可降解医用聚合物分散在挥发性溶剂中，制备磷酸钙粉体悬浮液和生物可降解医用聚合物溶液；（2）将所述磷酸钙粉体悬浮液和生物可降解医用聚合物溶液混合均匀；（3）去除溶剂，得到磷酸钙/聚合物复合材料块体；（4）将所得复合材料块体粉碎，所得粉体经熔融挤出成型，得到所述标准线材；作为可选方式，所述挥发性溶剂为丙酮，二氯甲烷，三氯甲烷，1,4-二氧六环中至少两种的混合溶液。8.根据权利要求7所述的标准线材制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，向所述磷酸钙粉体悬浮液中加入...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勃庆，王科锋，樊渝江，周长春，孙勇，张兴栋，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51