[发明专利]一种基于3D打印的降解可控骨组织工程支架及其制备方法

说明书

本发明生物医用材料技术领域，涉及一种3D打印材料，具体为一种3D打印多层级微纳结构可控多孔生物活性陶瓷材料。该发明的生物活性陶瓷支架是通过参数化建模设计具有一定宏观大孔的模型，并利用3D打印技术将一定配比磷酸钙原料成型为所设计的模型，通过烧结制得多孔磷酸钙支架，随后再通过溶溶再结晶处理多孔磷酸钙支架改变其材料微纳结构。在本发明中，可通过调节原料中的羟基磷灰石（HA）和磷酸三钙(TCP)的比例，设计定制支架的一级宏观孔结构，再通过控制溶溶再结晶反应介质环境参数，如温度、时间、介质pH值等诸多因素调控生物活性陶瓷支架的二级微纳形貌和结构，并且可以根据不同的患者个性化的定制出所需的骨组织工程支架。

技术领域

本发明生物医用材料技术领域，涉及一种3D打印材料，具体为一种3D打印多层级微纳结构可控多孔生物活性陶瓷材料。

背景技术

每年因骨创伤、骨组织炎症、骨肿瘤切除、意外事故、以及人口老龄化等原因导致硬组织缺损的病人日趋增多。在骨组织病损修复方法中，异体组织修复存在严重的免疫排斥反应，而自体组织的数量来源有限，采用人工材料进行硬组织替换和修复无疑具有重要应用价值。磷酸钙（GaP）生物陶瓷，因具有优良的生物相容性、无毒、无刺激性、无排斥反应，同时具有良好的骨传导性和骨诱导性，具有很大的市场应用前景。磷酸钙系生物陶瓷中羟基磷灰石（HA）、磷酸三钙（TCP）和双相磷酸钙(BCP)具有优良成骨活性，被广泛研究应用。羟基磷灰石溶解度最低比较稳定，骨诱导性能较弱。磷酸三钙的溶解度大，力学性能较差。双相磷酸钙是将羟基磷灰石和磷酸三钙按照一定的比例混合，其溶解度介于两者支架，具有良好的综合性能。

在骨修复材料中，植入体的多层级微孔结构对骨修复重建起着关键的生物功能和修复作用，小于1μm的孔会影响材料的生物活性和蛋白的吸附类型，直径在1~20µm的孔会影响细胞的吸附类型和细胞的行为，100~1000µm的孔会影响细胞的长入，营养物质的交换以及材料的力学性能。此外，前期研究报道了材料的表面结构会调节细胞行为，进而影响材料的骨修复效果。综上所述，具有可调控的多层级微纳孔隙结构对骨组织修复重建至关重要。近些年来随着制造技术的快速发展，增材制造技术（3D打印）在很多方面展现出其材料成型制造优势。3D打印是通过材料的累积来成形复杂的零件，通过模型设计及控制打印喷头的移动轨迹可精确成型零件内外复杂三维结构，这为骨组织修复支架的制备提供了新的制造理念和方法，使骨修复支架材料的各参数可控，内部结构设计和个性化修复成为可能。通过3D打印技术可以有效设计和制备100~1000µm的多孔结构，但其很难制备小于100µm的孔和调控表面纳米尺度拓扑结构。因此需通过其它技术对材料的多层级微纳结构进行有效设计。重溶再结晶途径可以有效调控磷酸钙盐的表面微纳形貌，如利用高温高压的介质环境可使在室温条件下不溶或难溶的钙磷盐溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内介质溶液状态产生对流以形成过饱和状态而再结晶重构，通过对反应介质参数的调控，即可得到不同微纳形貌的晶体结构，进而实现对支架材料的微纳尺度下的显微形貌调控。

发明内容

本发明目的是针对以上技术问题，提供一种用于硬组织修复的多层级微纳结构可控3D打印生物活性陶瓷支架材料及其制备方法。该材料将3D打印技术和重溶再结晶途径相结合，利于3D打印技术调控支架的外形和宏观大孔结构，利用重溶再结晶途径调控支架材料的二级微纳尺度结构形貌。

为了实现上述目的，本发明的具体技术方案为：

一种3D打印多层级微纳结构可控的生物活性陶瓷支架的制备方法，其特包括以下步骤：

a）将A粉末材料、粘结剂和乙醇充分混合得到打印墨水，其质量比为3.6：32：32；所述的A粉末为磷酸三钙(α-TCP及β-TCP)、磷酸四钙和磷酸二氢钙中的任意一种或羟基磷灰石（HA）与磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸二氢钙中的任意一种或几种的混合物。磷酸钙系列陶瓷和人骨的无机成分相似，是整个支架的生物活性成分。