本发明专利技术公开一种生物活性骨修复支架及其制备方法，该生物活性骨修复支架以可降解聚合物为基体，硅酸镁锂和镁为增强相，按照质量百分比包括：硅酸镁锂5～15％、镁10～30％、可降解聚合物55～85％。其制备步骤如下：1)硅酸镁锂水凝胶的制备；2)混合料制备；3)3D打印原材料颗粒制备；4)3D打印生物活性骨修复支架。该支架内外结构可定制化设计，有机溶剂零添加，多成分的界面结合良好，可满足松质骨力学强度要求(0.2～80Mpa)，功能离子的自响应缓释诱导支架表面羟基磷灰石的沉积，可协同修复骨及软骨损伤，实现了生物活性骨修复支架的个体定制化制备，拓宽其在骨及软骨损伤的康复治疗等领域的应用前景。
A kind of bioactive bone scaffold and its preparation
【技术实现步骤摘要】
一种生物活性骨修复支架及其制备方法
本专利技术涉及一种生物活性骨修复支架及其制备方法，属于材料制备
技术介绍
骨移植支架为关节骨修复和再生提供了新思路，全世界每年约有220万骨支架用于骨科手术，主要用于刺激新骨形成，以替换和再生由于关节创伤、疾病感染而导致的骨缺损。骨科内植入产品，主要包括脊柱类产品、创伤类产品、人工骨关节产品等。目前，关节类、创伤类和脊柱类是中国骨科医疗器械三大主流类别产品，随着老龄化到来，骨关节损伤修复将是未来增速最快的领域。鉴于关节软骨的自愈能力较差，关节软骨损伤是骨科和运动医学中最具挑战性的问题之一。普遍而言，关节软骨缺损往往会扩展深入到软骨下骨组织，而且关节软骨与软骨下骨之间的紧密相互作用对软骨-骨界面的维持至关重要。因此，有效的治疗骨软骨缺损的策略是实现软骨和软骨下骨组织的共同再生。目前，磨损性关节置换术、软骨钻孔术和自体软骨细胞移植等方法，已被用于治疗关节软骨损伤患者，但是这些方法的治疗效果都不尽如人意，不能同时实现软骨及软骨下骨的共同修复再生。目前，在支架结构设计方面，有关于双层修复支架的研究，但是多支架之间的结合强度有待增强，而且多支架的界面不能完全模拟存在生物学特性差异的软骨及软骨下骨组织之间的复杂结构。在支架的选材方面，许多天然和合成的生物材料，如胶原蛋白、不锈钢、钛合金、磷酸三钙和硅酸盐生物活性玻璃，已被用于制造骨缺损再生支架，但是这些支架不具备促骨及软骨双重功能导向的治疗效果，而且在力学支撑强度上不能满足要求。专利“3D打印PCL-Li骨修复支架及其制备方法”(CN108926742A)设计中原材料中含有有机溶剂，生物安全性值得注意，另外，聚合物PCL的力学性能远低于人体骨的力学强度要求，特别是多孔结构的存在进一步降低了聚合物支架的力学支撑强度。专利“一种3D打印PCL-PDA-锂离子骨修复组织工程支架及制备方法”(CN108939148A)设计中PDA与PCL基体的界面结合不可控，二者均为聚合物力学性能难以保证，而且在服役承载变形过程中PDA变形能力受限易脱落；Li+可吸附于PDA表面，但是达到饱和状态后改变溶液浓度、反应时间仅能维持反应的动态平衡，对支架表面Li的负载量基本无影响，进而难以通过表面Li的含量实现释放速率的调控，另外缺少促骨细胞增殖生长的功能离子的协同释放，难以实现关节软骨的损伤修复。因此，亟需开发满足促软骨及软骨下骨同步康复治疗要求的具有双重生物活性的骨科植入支架材料，以及可在服役过程中自响应的骨修复支架的制备工艺。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种生物活性骨修复支架及其制备方法，该支架内外结构可定制化设计，有机溶剂零添加，多成分的界面结合良好，可满足松质骨力学强度要求(0.2～80Mpa)，实现了功能型骨修复支架的材料设计，以及服役过程中功能离子自响应释放、磷灰石的沉积矿化，并且解决了关节损伤修复过程中软骨及软骨下骨不能共同修复的难题。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供了一种生物活性骨修复支架，该生物活性骨修复支架以可降解聚合物为基体，硅酸镁锂和镁为增强相，按照质量百分比包括：硅酸镁锂5～15％，镁10～30％，可降解聚合物55～85％。其中：所述的生物活性骨修复支架为通孔多孔支架，其孔隙率为70～85％，孔径为500～800μm。所述的镁、硅酸镁锂均为颗粒状增强相，其中硅酸镁锂为粒径50～100μm的粉末，镁粉为镁≥99.8wt％的高纯镁粉，呈规则球状，粒径小于40μm。所述的可降解聚合物为粉末状，具体为医用级右旋聚乳酸PDLA、聚己内酯PCL、左旋聚乳酸PLLA或外消旋聚乳酸PDLLA四种聚合物中的一种，或上述四种聚合物中任意多种聚合物的共聚物。本专利技术还提供了一种生物活性骨修复支架的制备方法，该方法包括以下步骤：1)预凝胶：将硅酸镁锂粉末溶入去离子水中，实现硅酸镁锂的水化成胶，进而得到硅酸镁锂水凝胶；2)混合料制备：按比例将镁粉添加至硅酸镁锂凝胶中，搅拌使其均匀分布，之后按比例将可降解聚合物粉末加入，搅拌均匀得到混合料；3)3D打印原材料颗粒制备：将步骤2)得到的混合料置于-10℃以下真空冷冻烘干12～20h，得到干凝胶，随后切粒得到3D打印原材料颗粒；4)3D打印生物活性骨修复支架：利用3D打印机，采用三维软件设计绘制模型并切片，将步骤3)得到的3D打印原材料颗粒按照定制设计的纤维铺排方式层层堆积，打印得到具有多重治愈功能的生物活性骨修复支架。其中：步骤1)所述的将硅酸镁锂粉末溶入去离子水中，去离子水的温度为50～80℃，步骤1)所述的硅酸镁锂水凝胶中硅酸镁锂的浓度为0.5～1.5g/L。步骤3)所述的3D打印原材料颗粒的尺寸为5mm以下。步骤4)所述的3D打印机的打印参数设置为：挤出压力60～80kPa，喷嘴移动速度1.5～3mm/s，加热温度110～140℃，热床温度25～30℃。步骤4)所述的按照定制设计的纤维铺排方式层层堆积中，纤维铺排方式包括0°、45°、135°的菱形铺排，角度为0°、90°的正交铺排，角度为0°、60°、120°的三角铺排。步骤1)中所述硅酸镁锂为粒径50～100μm的粉末。步骤2)中所述镁粉为镁≥99.8wt％的高纯镁粉，呈规则球状，粒径小于40μm。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：1、支架结构设计可控性：以定制化设计支架结构为目标导向，利用3D打印可实现复杂结构个性化制备、一体化成型的特点，根据不同患者关节损伤具体病情，运用三维软件绘制支架结构并切片，制备个体定制化骨修复支架。2、支架良好的生物安全性：以可降解聚合物为粘接剂，基于3D打印加热、个性化制备可同步进行的特点，实现其熔融流动，发挥粘接作用，因此原材料颗粒在制备过程中有机溶剂零添加，不仅节约材料，降低成本，而且生物安全性得到保障。3、支架具有多重治愈功能：支架原材料中金属镁具有促成骨、血管及蛋白生成功能，且可以加速复合支架降解、中和降解产物引起的酸性环境，避免引起炎症反应；硅不仅能促进矿化沉积、而且对关节软骨细胞外基质的形成有积极作用；锂既能刺激软骨细胞增殖再生，也可以抑制促关节炎症的细胞因子的分泌，从而减少软骨降解损伤。4、支架优良的力学性能可调控性：原材料中金属镁的力学性能优于聚合物，且接近人骨，作为增强相，可通过设计镁粉含量调控支架力学强度；除此以外，通过设计支架孔结构(孔径、孔隙率)也可实现力学性能的调控。5、支架中多成分的界面结合优良：一方面，聚合物链段可嵌入硅酸镁锂层间，两者间存在分子间强相互作用力，另一方面，硅酸镁锂中含有的-SiOH水解形成-Si-O-Si-结构，实现硅酸镁锂与Mg的共价连接，可保证复合支架中多成分的界面结合良好，消除界面缺陷导致的力学强度下降。6、支架服役期间功能离子释放的可控性：3D打印原材料制备时，可以调整硅酸镁锂的添加量，以及镁的占比，实现功能离子在服役期间的释放速率，发挥Li+和Si4+、Mg2+的功能作用。7、支架服役期间功能离子的自响应释放：随着支架的服役逐渐水解，硅酸镁锂水化，片层间布满Li+、Mg2+，基于高价阳离子优先被吸附的原则发生阳离子交换，植入的支架材料内部不断释放Mg2+、Li+，同时支架表面持续吸附Ca2+，并沉积PO43-，实现服役本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种生物活性骨修复支架，其特征在于：该生物活性骨修复支架以可降解聚合物为基体，硅酸镁锂和镁为增强相，按照质量百分比包括：硅酸镁锂 5～15％，镁 10～30％，可降解聚合物 55～85％。
【技术特征摘要】
1.一种生物活性骨修复支架，其特征在于：该生物活性骨修复支架以可降解聚合物为基体，硅酸镁锂和镁为增强相，按照质量百分比包括：硅酸镁锂5～15％，镁10～30％，可降解聚合物55～85％。2.如权利要求1所述的一种生物活性骨修复支架，其特征在于：所述的生物活性骨修复支架为通孔多孔支架，其孔隙率为70～85％，孔径为500～800μm。3.如权利要求1所述的一种生物活性骨修复支架，其特征在于：所述的镁、硅酸镁锂均为颗粒状增强相，其中硅酸镁锂为粒径50～100μm的粉末，镁粉为镁≥99.8wt％的高纯镁粉，呈规则球状，粒径小于40μm。4.如权利要求1所述的一种生物活性骨修复支架，其特征在于：所述的可降解聚合物为粉末状，具体为医用级右旋聚乳酸PDLA、聚己内酯PCL、左旋聚乳酸PLLA或外消旋聚乳酸PDLLA四种聚合物中的一种，或上述四种聚合物中任意多种聚合物的共聚物。5.一种如权利要求1所述的生物活性骨修复支架的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：1)预凝胶：将硅酸镁锂粉末溶入去离子水中，实现硅酸镁锂的水化成胶，进而得到硅酸镁锂水凝胶；2)混合料制备：按比例将镁粉添加至硅酸镁锂凝胶中，搅拌使其均匀分布，之后按比例将可降解聚合物粉末加入，搅拌均匀得到混合料；3)3D打印原材料颗粒制备...
【专利技术属性】
技术研发人员：白晶，周星星，董强胜，姚庆强，张明，张惠康，程兆俊，薛烽，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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