[发明专利]一种基于3DP与激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法

说明书

本发明提出一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，使用3DP技术制备支架软骨下骨层，激光熔覆技术制备软骨层，3DP和激光熔覆技术制备支架钙化层，在实现骨软骨一体化支架精确制备的同时，满足骨软骨支架生物相容性的要求，达到支架各层组织间的连接强度和机械强度要求，制备满足结构梯度和力学梯度仿生的一体化骨软骨支架。

技术领域

本发明属于医用生物材料制备技术领域，涉及骨软骨三维支架及其制备方法，特别涉及一种基于3DP与激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法。

背景技术

由于创伤、运动损伤、各种关节炎疾病等因素导致的关节软骨缺损在临床上十分常见，骨软骨损伤往往是不可逆的，常会引起骨性关节炎，甚至危及生命。关节部位骨软骨复合组织缺损已经成为肢体残障的主要原因之一。目前主要采用植入替代物的方式治疗关节软骨病损，替代物主要包括自体或异体组织、人工软骨等。其中自体或者异体组织存在来源受限、外形匹配困难等难题。近年来，组织工程技术的迅猛发展，为关节骨软骨损伤的再生修复提供了新的解决方案。

关节骨软骨由软骨层、钙化层和软骨下骨层构成，层间以特定的组分和结构紧密连接，并具有不同的组织功能。软骨层负责润滑，软骨下骨主要提供力学支撑，钙化层负责连接关节软骨和软骨下骨，并将两者分隔在各自的微环境中。由于软骨不包含血管或神经，而软骨下骨包含无髓鞘的神经末梢，因此当关节疾病导致疼痛时，软骨下骨可能已经暴露或损伤。有研究指出，软骨下骨层不仅可以为软骨修复提供一个较好的力学环境，也可以使新生软骨在修复过程中与周围正常软骨组织连接更紧密。所以，越来越多人关注到骨软骨损伤一体化的修复的重要性，而不局限于软骨层的修复。

国内外学者对组织工程骨软骨复合组织的构建进行了较为深入地研究，从“分层构建”的可行性初探到“一体化构建”的动物实验。一体化构建主要有两种研究方案，一种是分别制备软骨支架和硬骨支架，在体外分别与相应的软骨细胞和成骨细胞培养后，通过缝合、粘结的方法将软骨和软骨下骨部分组装成双层支架，再植入缺损部位。这种方法普遍存在软骨与软骨下骨结合不紧密，长时间培养后易发生分离和脱落的问题。另一种方法是制备一体化骨软骨支架，软骨和软骨下骨部分采用同种或异种材料，通过符合其他材料或加入不同的生长因子来实现同时成骨和成软骨的目的。这种一体化支架可以克服培养期间上下层脱离的问题，但却无法阻止软骨和软骨下骨层间细胞迁移以及血管长入上层软骨导致软骨钙化。导致上述问题的主要原因是支架设计、选材和制备工艺尚存在不足。

聚己内酯(PCL)具有良好的生物相容性、生物可降解性、良好的表面相容性以及良好的力学稳定性，作为制备组织工程多孔支架的材料得到了广泛的应用。羟基磷灰石(HAP)和磷酸三钙(TCP)主要组成元素是磷和钙，是天然骨的主要无机矿物质成分。优点是具有较高的机械强度，同时具有良好的生物降解性、生物相容性和生物活性，能够高度仿生天然骨的生物学性能但存在韧性不足的缺点。

喷墨3D打印(3DP)可以将多种生物活性材料如生物高分子材料、生物陶瓷以及它们的复合材料，逐层打印，制备出孔隙率可控的骨支架。激光融覆技术具有可成型的材料范围广，材料利用率高，原料粉末能起到支撑作用，不需要额外的支撑，可以制备任意复杂形状的零件，成型精度高，过程简单等优点。可通过控制粉末材料的种类、调节加工参数如激光扫描速度、预热粉末的温度、激光功率和分层厚度来制备孔隙三维贯通、具有个性化形状、微观结构的多孔骨支架。将3DP与激光熔覆技术相结合，并复合多种材料，制备骨软骨一体化支架，不仅可以综合单一材料各自的优点，而且还可以同时克服了它们的缺点。

公开号为CN108478871A的专利公布了一种具有一体化修复关节软骨、软骨下骨及两者连接处界面层的支架制备方法，该方法通过将I型胶原等材料注入模具，制备出具有分层结构的骨软骨支架。该方法简单易行，在一定程度上提高了骨层与软骨层之间连接的紧密性与稳定性，但难以成型复杂外形的骨软骨支架，不能实现个性化定制。