[发明专利]一种用于修复膝关节软骨缺损的仿生补缺材料的制备方法

说明书

本发明一种用于修复膝关节软骨缺损的仿生补缺材料的制备方法的技术方案包括：步骤一、制备Ⅰ型胶原溶液和Ⅱ型胶原溶液；步骤二、Ⅰ型胶原溶液和Ⅱ型胶原溶液的浓缩和测定，选用不同浓度的Ⅰ型胶原溶液和Ⅱ型胶原溶液制备生物墨水，并模拟膝关节不同结构层的组分添加不同的材料作为生物墨水；步骤三、按照预先构建好的具有内部解剖结构和外部宏观结构的膝关节软骨缺损补缺块计算机模型进行3D打印，生物墨水喷印至超低温铜板得到一种胶原支架的冷冻块；步骤四、根据热相分离原理，将胶原支架的冷冻块真空冷冻干燥，最终制备出类似于正常关节软骨结构和组分的具有三层结构层(不同孔洞大小和不同组分)的一种胶原支架，可用于填充膝关节软骨缺损。

技术领域

本发明具体涉及一种用于修复膝关节软骨缺损的仿生补缺材料的制备方法，通过热致相分离技术控制3d打印材料孔洞结构。

背景技术

3D打印作为数字化技术的集中体现，是一种基于材料逐层堆积制造原理的技术，是实现各种骨科手术个体化、精确化的有效手段，也是当前骨科植入物研究的热点方向。随着3D打印技术的发展，可为患者“量身定制”高精度的手术方案和植入体，使手术更快速、精确，从而提高复杂手术的成功率。

3D打印技术近年来发展很快，特别是在骨科和口腔科得到了很好的发展，但现在比较成功的案例都集中在单一组织结构的产品打印中。与单一的骨组织相比，关节软骨成分和结构较为复杂。关节表面被透明软骨包绕，从外向内依次分为透明软骨层、软骨钙化层和软骨下骨，各层间以特有的组成与结构紧密连接并具有不同功能。因此，要打印出合格的仿生关节软骨，在现有3D打印单一骨科材料成熟的技术基础上，还要解决补缺损部位三维模型二次重建问题、以及多种3D打印材料的打印融合问题。

3D打印只能控制mm-cm的结构，目前的技术不能控制打印材料最终的μm-nm结构，即材料的孔洞结构。而不同的孔径大小和孔洞结构已经被证实能够诱导间充质干细胞不同的分化方向，并且适合不同的细胞生长。通常200μm大小的孔径更适合软骨细胞的增殖和生长，而50μm大小的孔径则更适合成骨细胞的增殖和生长。

热致相分离法(Thermally InducedPhase Separation，TIPS)可以应用于许多由于溶解度差而不能用湿、干相分离方法解决微孔成型的聚合物中。从实质上讲，TIPS过程就是利用了一种潜在溶剂，其在高温时是溶剂而低温时又是非溶剂，失去溶剂能力的不相溶性是因为失去了热能(即热作为相分离的驱动力)。因为潜在溶剂是非挥发性的，需要用对于潜在溶剂是溶剂、对于聚合物是非溶剂的一种液体将其从成品中萃取出来，从而形成微孔结构。该方法是所有相分离方法中最普遍适用的方法，既可用于极性聚合物，也可用于非极性聚合物；该方法在成型过程中需要控制的参数较少，过程容易实现稳定和连续；而且根据现有的材料，TIPS过程所形成的微观结构却多种多样，更容易满足微孔材料的特殊要求；另外有热致相分离法能产生厚截面上各向相同的微孔结构，这一特性使得TIPS法在制备大体积组织工程支架材料方面具有独特的优势。

复杂组织的界面结构的3d打印，同样是利用了3d打印技术的优势来实现。关节软骨结构的钙化软骨层位于透明软骨层和软骨下骨之间，通过其上界面的波浪状潮线结构与透明软骨层紧密连接，通过其下界面的凸凹不平梳齿状粘合线结构与软骨下骨相互锚合；这中特殊的界面连接方式即增加了关节软骨界面之间的连接面积，同时也增加了连接强度。通过传统的组织工程几乎不可能重建此结构，并且目前的3D打印的研究多侧重于支架的外观尺寸，但是打印出复杂的内部结构的研究较少。

本发明就是针对上述问题，结合国内外研究现状，将关节软骨组织的主要成分作为生物墨水，利用3D模型重构技术、3D打印技术和仿生学原理，构建出与关节软骨组织成分结构相同，与宿主组织整合的冷冻块，以期获得一种重复率好，可产业化的修复关节软骨缺损的可替代材料。

发明内容

本发明提供一种修复膝关节软骨缺损的仿生补缺材料的制备方法，可制备出具有三层结构层(三种孔洞大小和三种组分)。