载万古霉素多级孔人工骨支架模型的3D打印构建及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种载万古霉素多级孔人工骨支架模型的3D打印构建及制备方法，是通过3D打印聚己内酯（PCL）/β

【技术实现步骤摘要】
载万古霉素多级孔人工骨支架模型的3D打印构建及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种载万古霉素多级孔人工骨支架模型的3D打印构建及制备方法，具体涉及一种由3D打印聚己内酯（PCL）/β
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磷酸三钙（β
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TCP）外层多孔支架和冷冻干燥法制备的聚己内酯（PCL）/矿化牛源Ⅰ型胶原（MC）/万古霉素（VCM）内层多孔支架复合制备而成的多级孔支架人工骨模型的构建及制备方法，属于生物医用材料领域。

技术介绍

[0002]骨缺损的修复和重建是骨科临床面临的问题之一。近年来，由于交通、工业的快速发展，同时先天性、感染、肿瘤等疾病的多发造成的骨损伤呈上升趋势，临床上常用的骨材料有自体骨、同种异体骨、异体骨，但仍存在各种各样的缺陷，如自体骨数量稀少且在手术过程中会造成较大的骨损伤；异体骨具有极大的排异性、移植难度大等问题。
[0003]为了克服移植带来的问题，人工骨材料一直备受关注，且人工骨材料的使用也呈逐年上升趋势，例如凝胶、钛合金、高聚物、硫酸钙、胶原基材料、生物活性玻璃等。然而，胶原基材料具有很好的应用前景，因为胶原是天然骨组织中关键的组成成分，能够促进早期矿化及支持新骨的生成，同时材料可被新骨替代。羟基磷灰石是天然骨组织的主要无机成分。在体外利用仿生原理，可以制备出与天然骨具有相似成分和分级结构的复合物。胶原在酸性溶液中溶解，通过调节pH，羟基磷灰石晶体在胶原分子表面沉积，生成矿化胶原。通过高分子材料与矿化胶原复合的方式来制备良好的骨修复支架，但是支架力学强度较低，孔结构可控性不易调节，可满足的骨修复部位力学强度要求范围有限（矿化胶原蛋白与生物陶瓷的复合物及其制造方法:CN201210040283.3[P]. 2012
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08
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15.）。
[0004]聚己内酯（PCL）具有无毒、良好的生物相容性、良好的载药性能和可降解性且降解产物可随人体代谢到外部而被美国FDA批准用于临床的高分子材料。PCL具有合适的力学强度，但表现出疏水性特性，将其与无机材料结合可有效改善疏水性能。此外，与矿化胶原结合，可有效改善单独矿化胶原的力学强度低、结构不可控的问题。为实现良好的抗感染性能，可负载VCM进行药物缓释，实现局部骨感染的治疗（Qiu X, Li S, Li X, et al. Experimental study of β
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TCP scaffold loaded with VAN/PLGA microspheres in the treatment of infectious bone defects[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2022, 213: 112424.）。β
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磷酸三钙（β
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tricalcium phosphate, β
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TCP），化学式为β
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Ca3(PO4)2，属于六角晶系，β
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TCP具有优异的力学强度、生物相容、骨传导与骨诱导作用（Bohner M, Santoni B L G, D
ö
belin N. β
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tricalcium phosphate for bone substitution: Synthesis and properties[J]. Acta biomaterialia, 2020, 113: 23
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41.），是骨修复材料中比较理想的生物陶瓷材料，但由于其孔隙率过低、脆性大，所以在使用过程中常采用与高分子聚合物混合的方式改善性能。
[0005]多孔支架在含有较大的孔径的同时包含微孔，这样可以促进骨向内生长，目前研究表明：大孔通常认为大小在100~1000μm之间，可以促进血管生成从而促进骨向内生长。此外，在体外成熟过程中通过大孔供应营养物质和去除代谢废物提高了支架在体内植入后的
成功率。大孔中存在微孔，通常认为在10~100μm可促进毛细管力的增加和细胞相互作用和蛋白质吸附的表面积增加，导致物理效应，两者协同促进骨修复（Karageorgiou V, Kaplan D. Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis[J]. Biomaterials, 2005, 26(27): 5474
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5491.）。熔融3D打印技术（FDM）可完成多孔支架对大孔的需求，同时由于其可个性化的特点，作为应用于组织工程的一项技术，展现出巨大的发展潜力。冷冻干燥作为常用的制造微孔技术，常用于骨修复支架制备。本专利技术将两种技术复合构建多级孔人工骨支架，构建满足大孔中存在微孔需求的支架，两者共同促进骨修复，具有极大的临床应用潜力。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种载万古霉素多级孔人工骨支架模型的3D打印构建及制备方法，多级孔人工骨支架PT
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MCP
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V具有优良的力学强度、药物缓释性能，且内外层材料均可降解，骨材料表面及内部被吸收后，可促进骨组织再生，最终为自体骨所代替。
[0007]本专利技术提供了一种载万古霉素多级孔人工骨支架模型，首先，通过三维建模软件构建目标支架的数字模型；然后，采用3D打印方式将聚己内酯（PCL）/β
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磷酸三钙（β
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TCP）复合丝通过逐层打印的方式由数字模型转换为目标外层多孔支架，构成相互交连的大孔（400~500μm）支架；此外，通过3D打印机配套软件可实现机器完成启动
→
暂停
→
启动这一功能。通过这一操作，得以将冷冻干燥制备的PCL/MC/VCM微孔（10~30μm）支架与PCL/β
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TCP支架结合，构成PT
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MCP
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V多级孔人工骨支架。外层多孔支架提高了单独内层多孔支架的力学强度，减缓了单独内层多孔支架的药物释放速度。内层多孔支架PCL/MC/VCM中含有的牛源Ⅰ型胶原、羟基磷灰石模拟人骨中的主要成分，具有良好的生物活性并可在植入后促进骨再生，诱导骨细胞增殖的成分。同时，VCM可在感染部位进行局部释放防止骨感染的发生。
[0008]本专利技术中，外层多孔支架由50~60%质量含量的β
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TCP复合丝用3D打印方式制备，β
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TCP的加入使支架在生物体内会随着降解逐渐溶出钙磷离子，为新生组织提供原料进行原位固化形成新骨。通过3D打印的方式可实现孔径、孔隙率可调控，实现个性化定制支架。内层多孔支架为40~80%重量百分比的MC均匀分散在高分子聚合物PCL溶液中通过冷冻干燥制得。同时，内层支架负载VCM，植入到目标部位，实现局部药物释放，降低感染的同时降低全身用药的毒性，通过外层3D打印支架的作用可使单独内层PCL/MC/VCM支架的药物释放速度得到降低，得以使药物缓释。内层支架中V本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种载万古霉素多级孔人工骨支架模型，其特征在于：采用SolidWorks构建多级孔人工骨支架模型，通过将3D打印的PCL/β
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TCP外层支架与冷冻干燥的PCL/MC/VCM内层支架复合制备，形成内外层不同孔径的多级孔支架，外层支架中含有50~60%质量含量的β
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TCP复合丝，β
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TCP的加入使支架在生物体内会随着降解逐渐溶出钙磷离子，为新生组织提供原料进行原位固化形成新骨；内层支架为40~80%重量百分比的MC均匀分散在高分子聚合物PCL溶液中通过冷冻干燥制得，且内层支架负载VCM，植入到目标部位，内层支架中VCM含量占内层支架重量的5%。2.根据权利要求1所述的载万古霉素多级孔人工骨支架模型，其特征在于：PCL/β
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TCP外层支架填充密度为60%，实际填充走线距离为400~500μm；外层支架尺寸为：直径为2x mm、高为 2x mm，内层支架尺寸为：直径为 x mm 、高为 x mm的空心圆柱，其中5≤x≤10。3.一种权利要求1或2所述的载万古霉素多级孔人工骨支架模型的3D打印构建及制备方法，其特征在于：在构建PT
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MCP
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V多级孔人工骨支架模型的过程中使用3D打印方式构建外层结构并预留出内层支架的空间，步骤如下：（1）采用SolidWorks三维建模软件，构建一个空心圆柱模型；（2）使用3D打印切片软件对空心圆柱进行切片；（3）将制得的PCL/β
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TCP复合丝放入3D打印机中打印外层支架；（4）当3D打印机按指令打印至指定位置时，暂停打印并置入制备的内层PCL/MC/VCM多孔支架，继续打印，得到PT
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MCP
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V多级孔人工骨复合支架。4.根据权利要求3所述的载万古霉素多级孔人工骨支架模型的3D打印构建及制备方法，其特征在于：外层3D打印PCL/β
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TCP支架设置打印参数为：层高为0.3mm，打印速度为30 mm/s，打印温度为90℃，填充密度为60%，实际填充走线距离400~500μm。5.根据权利要求3所述的载万古霉素多级孔人工骨支架模型的3D打印构建及制备方法，其特征在于：内层冷冻干燥制备PCL/MC/VCM支架孔径10~30μm，孔隙率为（57.94
±
0.50）%；PCL/MC/VCM支架压缩强度为（1.16
±
0.08）MPa，压缩模量为（1.27
±
0.06）MPa，20天累计药物释放百分比为（72.19
±
1.75）%。6.根据权利要求3所述的载万古霉素多级孔人工骨支架模型的3D打印构建及制备方法，其特征在于：所得PT
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MCP
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V多级孔支架孔隙率为（51.19
±
0.34）%，保持在50%以上；压缩强度为（10.82
±
0.12）MPa，压缩模量为（12.35
±
0.42）MPa；20天累计药物释放百分比为（70.14
±
1.94）%。7.根据权利要求3所述的载万古霉素多级孔人工骨支架模型的3D打印构建及制备方法，其特征在于：所述的内层PCL/MC/VCM支架占PT
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MCP
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V多级孔支架的体积百分比是12.4%。8.根据权利要求3所述的载万古霉素多级孔人工骨支架模型的3D打印构建及制备方法，其特征在于：PCL/β
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TCP复合丝的制备方法，包括以下步骤：（1...

【专利技术属性】
技术研发人员：连小洁，梁俊杰，朱琦，宋宇帆，韩涛，芦镱，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：