[发明专利]一种无机非金属纳米颗粒组装的水凝胶材料及其在增材制造技术中的应用

说明书

本发明属于材料科学领域、纳米材料领域、生物医学工程领域，具体是一种无机非金属纳米颗粒组装的水凝胶材料及其在增材制造技术中的应用。水凝胶材料由无机非金属颗粒组装而成形成水凝胶网络；无机非金属颗粒的尺寸10nm～20um；无机非金属颗粒占水凝胶总质量的2～80wt％；水凝胶网络具有微观小孔，孔径为0.1um‑30um。无机非金属颗粒以静电组装方法或输水作用组装方法或磁性作用组装方法组装成水凝胶材料。水凝胶材料经增材制造得到凝胶支架，作为骨修复支架，软骨修复支架。本发明水凝胶材料无须添加剂或交联剂直接应用于无机非金属增材制造技术。

技术领域

本发明属于材料科学领域、纳米材料领域、生物医学工程领域，涉及由生物活性无机非金属颗粒通过静电作用，疏水作用，磁力作用形成可打印的无机非金属凝胶墨水原料，经过3D打印机技术增材制造制备支架及其应用。

背景技术

组织、器官缺损或功能障碍等疾病已成为危害人类健康的主要病因之一，致力于人造组织器官的“组织工程”由此应运而生。经过30多年的发展，组织工程在组织或器官修复治疗中发挥了越来越重要的作用。组织工程包含3个基本要素：支架材料、生物活性分子和种子细胞。其中支架材料作为组织工程中重要的组成部分，为细胞提供粘附、增殖、分化的空间结构和生长模板，并且可以诱导组织再生，其工程上必须具备良好的生物活性、相容性和诱导性，同时在不同的部位或功能上，也需要提供临时的机械支撑。目前，传统的支架制备方法如造孔剂法、冷冻浇筑法、气体发泡法、有机泡沫浸渍法等方法存在：(i)制备工艺复杂、重现性差，(ⅱ)支架尺寸、形状和孔分布难以精确控制，(ⅲ)存在溶剂残留等缺点，降低了支架在后续实验中的应用价值。增材制造允许精确控制多孔结构的内部孔结构，从而允许制造具有可重复性的复杂几何形状，增材制造的支架在组织工程领域中引起了极大的兴趣。

增材制造也被称为快速原型制造或无固体形式的制造或3D打印，已成为包括生物医学研究在内的不同领域中一种有希望的制造技术。通过计算机辅助设计(CAD)模型支架并将设计的模型导出为标准3D打印语言文件(stl.文件)，将stl文件导入切片软件中将模型进行按照路线切割，然后使用3D打印机进行增材制造模型支架。根据原材料的不同，有光固化打印，激光选区烧结，挤注式打印，立体光刻打印技术，喷墨打印，激光熔融沉积等打印方式，打印后的支架一般经过后期处理将多余的材料去除或烧结处理获得更高的机械强度。经过CT扫描后形成的精确三维缺陷模型，可以打印出完美切合特定缺陷的理想支架，从而为个性化临床医学提高了巨大的潜力。增材制造技术提供了对构建结构的高度控制，保证了重现性，并支持规模化和标准化。

用于组织工程支架上有金属材料、高分子材料、无机非金属材料，由于金属材料一般呈现惰性，不可降解性，植入人体内需要再次取出给患者带来二次伤害，高分子材料力学性能较弱，难以支撑承重受损组织和器官的修复，而无机非金属材料可以通过调节组分和晶态从而控制支架的生物活性和力学性能，降解性等特性，可直接用于人体或与人体直接相关的生物、应用、生物化学等领域。无机非金属支架在人体生理环境中具有在分子水平上激发特殊的细胞响应，能吸附与组织修复有关的活性物质，释放生物活性离子(例如，Ca，Mg，Sr，Si，B，Fe，Cu，Zn，Cr等元素离子)用于诱导改变细胞表型或者调节免疫微环境以指导组织愈合和再生。也可通过表面微观结构与宿主(细胞、体液及组织)发生界面反应，调控机体的自发修复功能，诱导、促进新骨形成，是一种具有“可调控生物响应特性”和“主动修复功能”特征的生物活性支架材料；使用无机非金属材料支架作为组织工程支架，具有更优异的组织或器官的修复效果。