[发明专利]一种超声辅助制备多孔骨水泥支架及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超声辅助制备多孔骨水泥支架及其制备方法。所述方法为：在低温环境下，将锂皂石溶液、高分子固化液先后加入磷酸钙粉末中，均匀混合形成一种浆体。利用挤出型三维（3D）打印机和同轴针头将上述浆体按照设定的形状挤出。然后，转移至恒温恒湿箱孵育一段时间后得到骨水泥三维支架。最后，将骨水泥三维支架置于醋酸溶液中超声一定时间，得到多孔骨水泥支架。该多孔骨水泥支架的形状可设计，使其符合促进细胞生长的要求，具有良好的机械性能和生物学性能。与现有技术相比，本发明使用超声辅助的致孔方法适用于3D打印制备的骨水泥支架，而且方法简单易行，可推广应用。

技术领域

本发明属于3D打印及生物医用材料领域，具体涉及一种超声辅助制备多孔骨水泥支架及其制备方法。

背景技术

目前，使用3D打印技术制备的骨修复材料一般为不可降解的聚合物，比如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。不可吸收降解的材料在使用后需要进行二次手术取出，使病人有二次手术和感染的风险。而可吸收降解的骨修复材料——磷酸钙骨水泥虽然具有良好生物可降解性，但是其注射性能差，难以直接应用于3D打印，同时其固化后形成致密的结构，一方面使缺损区域的血管化困难，新骨难以长入，另一方面材料与体液接触不充分，材料降解速度慢。而目前大部分骨水泥的致孔方法是在磷酸钙骨水泥中加入碳酸氢钠、氯化钠晶粒或蔗糖等可溶性物质通过溶解去除致孔或加入可燃烧的微球通过煅烧去除从而成孔，但这些致孔方法都不适用于3D打印。

锂皂石(Laponite,LAP)是三八面体层状纳米材料，表面带有负电荷，边缘带有正电荷，可通过晶体的正负电荷互相吸引聚集。当剪切应力破坏凝胶结构时，锂皂石显示剪切变稀状态[Mihaila,SM.et al.Biomaterials,2014]。因此，锂皂石可以作为触变性助推剂提高磷酸钙骨水泥的注射性，提高其3D打印性能。

磷酸钙骨水泥在与固化液混合后在恒温恒湿的条件下发生水化反应，生成羟基磷灰石，与人体骨的无机成分相似。羟基磷灰石易与醋酸溶液反应，在相对较短的时间里，通过超声辅助使醋酸溶液在羟基磷灰石局部范围内产生微孔。这是利用超声的空化作用，当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负压强的交变周期，在正压相位时，超声波对醋酸分子和水分子挤压，增大醋酸和水原来的密度，使醋酸和水更快进入骨水泥的内部进行反应；在负压相位时，使醋酸分子和水分子稀疏，密度减小，使扩大内部的醋酸分子反应的区域。

本发明拟结合3D打印技术、锂皂石的剪切变稀性能及超声波的空化作用，制备多孔骨水泥支架。该多孔骨水泥支架的形状可根据骨缺损部位的形状进行设定，且具有良好的机械性能及生物学性能。制备方法简单易行，成本低廉。

发明内容

本发明目的是提供一种超声辅助制备多孔骨水泥支架及其制备方法，适用于3D打印。

本发明具体通过以下技术方案实现：

将一定比例的锂皂石溶液、磷酸钙粉末和固化液低温混合后获得骨水泥浆料，通过同轴3D打印后恒温恒湿条件下孵育得到骨水泥三维支架。然后，浸泡在醋酸溶液中超声一定时间，清洗，干燥，获得多孔骨水泥支架。

进一步的，多孔骨水泥支架的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)骨水泥浆料的制备：在0℃～10℃下，先将浓度为1％～5％wt锂皂石溶液加入磷酸钙粉末混合，再将浓度为0.5％～4％wt固化液加入其中(锂皂石溶液和固化液的比例为1:5～1:1，锂皂石溶液和固化液的液体总体积与磷酸钙粉末的质量比例为0.8mL/g～1.5mL/g)，均匀搅拌，得到骨水泥浆料。

(2)骨水泥三维支架的制备：将步骤(1)得到的骨水泥浆料迅速转移至挤出型三维打印机中，选用同轴针头(外针头尺寸为13G～18G，内针头尺寸为18G～27G)根据不同的需求进行三维打印，打印完成后转移至温度为25℃～40℃，湿度为85％～100％的恒温恒湿箱孵育3～7d，得到骨水泥三维支架。