一种3D打印的多结构骨复合支架制造技术

本发明专利技术涉及一种3D打印的多结构骨复合支架，包括多层结构，不同层采用不同配比的复合材料，通过3D打印而成，具有不同的3D打印纤维间距和孔隙率。具体结构包括仿生骨结构，外层孔隙率低孔径小来模拟密质骨结构，内层孔隙率高孔径大来模拟松质骨结构，整体形成类似于真骨结构的支架；骨整合结构，外层孔隙率高孔径大来促进与周围骨的整合，内层孔隙率低孔径小来在促进骨整合的同时对整体结构进行支撑，整体适合骨缺损的修复。支架的材料优选磷酸三钙(TCP)和聚己内酯(PCL)的复合材料，具有较好的生物相容性和可打印性。本发明专利技术还通过添加金属离子和表面改性处理，促进其骨修复的效果。

A 3D printing multi structure bone composite scaffold

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印的多结构骨复合支架
本专利技术涉及骨复合支架领域，具体而言，涉及一种3D打印的多结构骨复合支架。
技术介绍
骨作为人体最大的组织器官，在为关节、肌腱与韧带提供力学支撑，保护重要器官，造血和维持体内正常钙磷代谢平衡等方面承担着非常重要的作用。因意外伤害、老龄化、炎症、肿瘤和先天畸形所造成的骨缺损患者不计其数。骨缺损的治疗离不开骨组织重建，而进行骨缺损的组织结构重建时，需要合适的填充材料来代替原来缺失的骨质。临床中所使用的自体骨、同种异体骨或是其他填充材料都存在或多或少的缺陷。随着骨组织工程和3D打印技术的相继出现，骨移植替代物的研制又迈出了新的方向。理想的骨移植替代物应当具备成骨性、骨诱导性、骨传导性和骨整合性四种特性。骨支架材料包括无机材料(氧化铝陶瓷、羟基磷灰石、磷酸三钙、天然骨等)、有机材料(包括聚羟基乙酸、聚乳酸、聚己内酯、胶原、壳聚糖等)及其复合材料。聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)是一种人工合成的高分子有机化合物，具有良好的生物相容性、可降解性、韧性和强度，适合作为组织工程支架材料，但其本身不具有生物活性，表面光滑，疏水性强，不适宜细胞的粘附和生长。磷酸三钙(Tricalciumphosphate，TCP)具有良好的生物相容性和体内可降解性，能够诱发新骨的生长，并随之被新骨组织做代替，是一种良好的骨移植替代材料，但其脆性比较大。由于PCL和TCP存在上述缺点，大量研究将PCL和TCP制成复合支架用于骨细胞培养。如CN102020835B公开了一种聚己内酯/β-磷酸三钙多孔复合材料的制备方法，用溶胶-凝胶法，将浓磷酸和醋酸钙在甲醇中混合形成溶胶，再加入聚己内酯得到复合物凝胶，陈化和冷冻干燥，得到聚己内酯/β-磷酸三钙多孔复合材料，不过其结构单一，没有为了骨生长所设计的不同的孔与孔隙率和仿生的骨结构。CN102552980B公开了采用黏附特异性多肽序列修饰支架表面，能够延缓干细胞衰老，提高干细胞的分化潜能。由于成熟骨是由密质骨、松质骨、骨髓、血管等多结构组成，不同结构的孔径、孔隙率和力学性能不同，因而单一结构的PCL/TCP复合支架不能够很好地模拟骨的结构。TWM552816U公开了一种双介面的人工骨骼，包含：一硬骨生长层；以及一软骨生长层，其系位于该硬骨生长层之上；其中，该硬骨生长层系实质上由三钙磷酸盐(β-tricalciumdiphosphate,β-TCP)、氢氧基磷灰石(hydroxyapatite,HA)以及二氧化硅(SiO2)所构成；以及该软骨生长层之材料系选自由甲壳素(Chitosan)、聚乳酸(PolylacticAcid，PLA)、聚己内酯(polycaprolactone,PCL)、海藻酸(Alginate)及明胶(Gelatin)所组成之群组。该专利制备了双层结构的人工骨骼，但是双层是分别用于硬骨生长和软骨生长，没有完全模拟成骨和利于骨修复的结构，也没有合理利用PCL和TCP复合性能。有鉴于此，特提出本专利技术，提供一种3D打印的多结构骨复合支架。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种3D打印的多结构骨复合支架，更好地模拟成骨的结构以及骨缺损结构，促进骨细胞的粘附、增殖和分化，改善骨细胞的生长环境，提高修复效果。由于成骨包括密质骨、松质骨、骨髓、血管等，单一结构的骨支架难以模拟骨的生长环境；当骨支架用于骨缺损修补时，还要考虑到与骨缺损位置的结合，以及人体骨缺损自我修复过程。3D打印能够根据模型的设计打印出支架，可以更好地模拟骨的多结构。所述3D打印的多结构骨复合支架一个典型实施例为双层结构，双层材料均由骨支架无机材料和骨支架可降解高分子材料复合而成，所述双层结构包括第一层和第二层，所述第一层中骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料比例大于第二层中骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料比例；双层结构均通过3D打印而成，且所述第一层和第二层结构具有不同的3D打印纤维间距、孔隙率和抗压强度。进一步地，所述双层结构为片状双层结构、柱状内外层结构或球形内外层结构，优选为柱状内外层结构；所述第一层指的是柱状结构的外层或者球形结构的外层，所述第二层指的是柱状结构的内层或者球形结构的内层。进一步地，所述骨支架无机材料可选择为磷酸三钙(TCP)、羟基磷灰石、生物玻璃、生物水泥中的一种或多种，优选TCP；所述骨支架可降解高分子材料可选择为聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚乳酸-乙交酯共聚物(PLGA)、聚二噁烷酮(PDS)、聚乳酸己内酯(PLCL)、聚乳酸-乙二醇-乳酸共聚物(PLA-PEG-PLA)、聚乙二醇(PEG)、甲氧基聚乙二醇(mPEG)、海藻酸盐中的一种或多种，优选PCL。聚乳酸包括所有包含乳酸的聚合物，其乳酸包含不同分子旋光性，例如左旋(L)和右旋(D)。进一步地，所述第一层中骨支架无机材料重量占骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料重量之和的20～50wt％，优选25～40wt％；所述第二层中骨支架无机材料重量占骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料重量之和的0～30wt％，优选10～20wt％。进一步地，所述多结构骨复合支架中骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料重量之和占多结构骨复合支架打印原料总重量的50～100wt％。进一步地，所述第一层的孔隙率为10～50％，第二层的孔隙率为50～80％；或第一层的孔隙率为50～80％，第二层的孔隙率为10～50％。此专利技术还涉及了两种具体的双层柱状结构模型，采用PCL/TCP复合材料3D打印而成的仿生骨结构和骨修复结构，所述第一层指的是所述双层柱状结构的外层，所述第二层指的是所述双层柱状结构的内层，采用以下技术方案：所述仿生骨结构中内层直径为外层直径的60～90％，外层的打印原料中TCP占TCP/PCL的20～50wt％，孔隙率为10～50％；内层的打印原料中TCP占TCP/PCL的0～30wt％，孔隙率50～80％。所述骨修复结构中内层直径为外层直径的60～90％，外层的打印原料中TCP占TCP/PCL的20～50wt％，孔隙率为50～80％；内层的打印原料中TCP占TCP/PCL的0～30wt％，孔隙率10～50％。进一步地，所述仿生骨结构的内外层3D打印纤维直径均为0.1～0.5mm，外层纤维间距0.05～0.3mm，内层纤维间距0.2～0.5mm。进一步地，所述骨修复结构的内外层3D打印纤维直径均为0.1～0.5mm，外层纤维间距0.2～0.5mm，内层纤维间距0.05～0.3mm。另外，除了上文所述的双层结构，本专利技术的多结构骨复合支架可以是三层结构，四层结构，以及其中某一层为拼接结构等。进一步地，复合支架3D打印包括如下步骤：设计好支架打印模型，将骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料按照比例通过有机溶剂混合，通风橱过夜挥掉溶剂后，将复合材料放入3D打印机，设定相应的参数，通过精细喷头挤出，叠加形成支架。2.其他添加成分3D打印的多结构骨复合支架还可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印的多结构骨复合支架，其特征在于，所述3D打印的多结构骨复合支架为双层结构，所述双层结构的材料由骨支架无机材料和骨支架可降解高分子材料复合而成；所述双层包括第一层和第二层，所述第一层中骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料比例大于第二层中骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料比例；所述双层通过3D打印而成，且所述第一层和第二层结构具有不同的3D打印纤维间距、孔隙率和抗压强度。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D打印的多结构骨复合支架，其特征在于，所述3D打印的多结构骨复合支架为双层结构，所述双层结构的材料由骨支架无机材料和骨支架可降解高分子材料复合而成；所述双层包括第一层和第二层，所述第一层中骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料比例大于第二层中骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料比例；所述双层通过3D打印而成，且所述第一层和第二层结构具有不同的3D打印纤维间距、孔隙率和抗压强度。


2.根据权利要求1所述的多结构骨复合支架，其特征在于，所述骨支架无机材料可选择为磷酸三钙(TCP)、羟基磷灰石、生物玻璃、生物水泥中的一种或多种，优选TCP；所述骨支架可降解高分子材料可选择为聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚乳酸-乙交酯共聚物(PLGA)、聚二噁烷酮(PDS)、聚乳酸己内酯(PLCL)、聚乳酸-乙二醇-乳酸共聚物(PLA-PEG-PLA)、聚乙二醇(PEG)、甲氧基聚乙二醇(mPEG)、海藻酸盐中的一种或多种，优选PCL。


3.根据权利1所述的多结构骨复合支架，其特征在于，所述第一层中骨支架无机材料重量占骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料重量之和的20～50wt％，优选25～40wt％；所述第二层中骨支架无机材料重量占骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料重量之和的0～30wt％，优选10～20wt％；优选地，所述多结构骨复合支架中骨支架无机材料与骨支架可降解高分子材料重量之和占多结构骨复合支架打印原料总重量的70～100wt％。


4.根据权利1所述的多结构骨复合支架，其特征在于，所述第一层的孔隙率为10～50％，第二层的孔隙率为50～80％；或第一层的孔隙率为50～80％，第二层的孔隙率为10～50％。


5.根据权利1所述的多结构骨复合支架，其特征在于，所述多结构骨复合支架为仿生骨结构，所述仿生骨结构为双层柱状结构，所述第一层指的是所述双层柱状结构的外层，所述第二层指的是所述双层柱状结构的内层；所述仿生骨结构中内层直径为外层直径的60～90％，外层的打印原料中TCP占TCP/PC...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨熙，柯东旭，崔文国，余嘉，
申请(专利权)人：苏州诺普再生医学有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32