[发明专利]一种3D打印复合磁性金属支架及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学材料技术领域，具体涉及一种3D打印复合磁性金属支架及其应用。

背景技术

骨缺损治疗一直是困扰临床的难题。体内实验表明，6×6×10mm³的骨缺损即需要通过骨移植来修复。有报道称胫骨骨折后发生延迟愈合或不愈合的情况高达13％，此外，整形外科、口腔颌面外科手术以及严重的创伤、感染、骨肿瘤和骨骼畸形造成的大段骨缺损等，都需要通过骨移植来修复。

临床上骨缺损的移植材料包括自体骨和异体骨。自体骨移植一直是骨缺损治疗的“金标准”，但自体骨一般取自患者的髂骨和腓骨，不但取骨量有限，而且也会造成创伤甚至取骨处感染；异体骨则存在免疫排斥、传播疾病的风险。

目前，应用于骨组织工程的生物材料主要包括4类：生物陶瓷、高分子材料、金属材料、复合材料。每种材料均有其特有的优点，但也普遍存在着各自的不足。第一类：生物陶瓷，包括硫酸钙、磷酸钙、羟基磷灰石(hydroxyapatite)、β-TCP(β-Tricalciumphosphate)、生物玻璃等。陶瓷材料与天然人骨的无机成分和晶体结构都有许多相似之处，具有极佳的生物相容性，是一种很好的骨替代材料。羟基磷灰石和磷酸三钙用于填充和重建骨缺损，已经在骨科和齿科有了广泛的应用。Ambrosio等研究还发现陶瓷材料具有促进干细胞向成骨细胞增殖和分化的作用。尽管生物陶瓷有包括高弹性模量、高机械强度及其优异的耐磨特性等众多优点，却也存在着脆性高、可塑性差、难以加工等诸多缺点，而导致其在临床的应用受到很多约束。除此之外，如何调控陶瓷支架降解的速率也是研究的难点所在。第二类：高分子材料，分为天然高分子材料，包括胶原、壳聚糖、海藻酸盐等；以及人工合成高分子材料，包括聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚己内酯(PCL)等。胶原、壳聚糖、海藻酸盐等天然高分子材料具有良好的生物活性，可以促进细胞的粘附和增殖，与此同时具有良好的可降解性，但是存在的问题是加工塑型性能较差，并且其制备物力学强度往往不足，限制了在临床的使用。人工合成高分子材料是近年来发展较快的领域，其成分单一，性状可控，制备物具有一定的力学强度，还可以借助快速成型技术制作各种符合要求的复杂多孔结构，已经成为生物材料领域的研究主力，但其存在的问题是普遍缺乏生物活性，缺乏细胞识别的位点，并且其降解代谢产物往往对局部细胞产生负面影响。有学者研究发现聚左旋乳酸和聚乙醇酸等材料降解后会产生酸性物质，降低局部环境的pH值，导致细胞和组织坏死。第三类：金属材料，包括不锈钢、钛合金、钴铬钼合金、钽金属、镁合金等，它们的优势在于可以供足够的机械强度以及拥有良好的生物相容性，但缺点是没有生物活性并且往往不能降解吸收。第四类：复合材料，顾名思义就是联合两种或两种以上上述材料所构建的复合组织工程支架。单一材料或多或少都有这样或那样的不足，联合使用多种材料可以实现取长补短、优势互补，是目前生物材料研究的新热点。比如将生物陶瓷与高分子材料复合，不但可以获得足够的力学强度，还可以获得良好的生物相容性和生物活性。

金属材料中的钛及钛合金因其具有良好的生物相容性和耐腐蚀等优点已在临床应用多年，同时也充分证实了其优异的力学性能，然而钛合金的弹性模量约为103-110GPa，而正常松质骨的弹性模量约为0.5-3.5GPa，可见钛合金与人体的正常骨组织弹性模量严重不匹配，当受应力时钛合金和骨组织之间差异较大，容易出现应力遮挡效应，严重影响钛合金植入物与骨组织的稳定性。3D打印技术的出现让人们又重新认识了钛合金，利用3D打印技术可以将钛合金制备成多孔结构，这些多孔结构不但可以模拟正常天然骨组织的多孔结构，为新生骨的长入供了空间，也通过多孔结构的改变降低了材料的弹性模量，使其弹性模量接近骨组织，减少植入物对骨的应力遮挡，明显提高植入物与骨组织结合的稳定性。然而，钛合金属于惰性金属，本身没有生物活性，也没有细胞可以识别的位点，因此如何使用促进成骨的修饰技术对钛合金植入物进行修饰是目前研究的重点内容。但是，由于钛合金支架多孔的结构给传统工艺，比如等离子喷涂、表面活性涂层、负载生长因子等各种修饰技术的应用带来了困难，因此如何对多孔结构金属支架进行全方位的促成骨修饰是研究热点。