[发明专利]磷烯功能化改性的3D打印聚乳酸仿生纳米纤维支架的制备方法

说明书

本发明公开了一种磷烯功能化改性的3D打印聚乳酸仿生纳米纤维支架的制备方法，其目的是提供一种多功能骨缺损修复支架材料及其制备方法。其特征在于：以液相剥离法制得的纳米片状磷烯负载抗炎药物布洛芬并在表面包覆聚多巴胺涂层以实现药物的智能控制释放；将得到的载药磷烯均匀掺杂到氨基化改性的聚乳酸基质中得到混合浆料，采用低温3D打印技术实现个性化支架的构建并使支架在低温打印条件下发生相分离形成仿生细胞外基质的网状纳米纤维的结构。本发明的特点在于所制备支架可根据患者骨缺损部位特征进行个性化设计，且制备的支架具有良好细胞亲和性、光热转换性能、促骨生长、智能释药及长效抗炎的作用，在骨组织工程领域具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明属于骨修复生物材料技术领域，具体涉及一种磷烯功能化改性的3D打印聚乳酸仿生纳米纤维支架的制备方法。

背景技术

当骨组织大面积受损而无法自愈时需要进行手术干预，作为一种极具吸引力的策略，骨组织工程已被广泛研究用于骨缺损的修复重建。作为种子细胞载体的组织工程支架是组织工程技术的关键，因此构建具有良好的生物活性和成骨能力的支架也就成了骨组织工程领域的研究重点。除了必须具有良好的活性以外，用于骨组织修复的组织工程支架还必须具有类似天然骨组织的相互贯通的三维孔洞结构以便于细胞的植入、迁移以及营养成分的渗入和细胞代谢产物的排出等。由各种原因所引起的骨缺损一般都具有不规则的复杂形状和特殊的内部孔隙结构，而多孔支架传统的制备方法，如粒子沥滤法、相分离/冷冻干燥法、气体发泡法以及静电纺丝法等都无法做到对支架材料内部的孔隙结构进行精确控制，而且制备的支架形状也无法做到与患者不规则骨缺损区的复杂形态完全契合，从而影响植入后的修复效果。3D打印快速成形技术的出现有效地弥补了这些不足，由于其可以实现在计算机的控制下快速而精确地“打印”出各种复杂形状的零部件并能够精准地控制所打印物品的内部细微结构，因而在个性化骨组织工程支架植入材料的制备方面展现出独特的优势。

3D打印技术中的熔融沉积成型技术(FDM)常用于构建具有热塑性的高分子生物材料支架，如3D打印聚乳酸支架。聚乳酸材料具有良好的生物相容性和生物可降解性，已被广泛用于组织工程支架的制备，但作为骨组织工程支架材料的应用也存在其内在的一些性能上的不足：首先，聚乳酸是一种强疏水性材料，不利于细胞在其表面粘附和增殖，因此细胞亲和性差、生物活性低；其次，聚乳酸分子结构中缺乏诱导成骨矿化的活性位点，因此骨诱导性差、成骨能力低，而且采用FDM法制备支架时所需的高温会使聚乳酸材料发生降解，降解释放出的酸性单体会使植入部位出现非感染性炎症反应，从而导致植入手术的失败。此外，采用FDM法构建的聚乳酸支架还存在结构上的缺陷，制备的支架由于具有光滑的表面，细胞黏附性能比较差，影响了细胞在支架表面的增殖和分化。本发明的主要目的是针对目前3D打印聚乳酸支架存在的这些问题，采取适当的方法对支架的结构和性能进行改性以提高其骨修复能力。首先，以溶液-低温3D打印技术代替FDM技术构建聚乳酸支架。采用低温3D打印技术不仅可以避免聚乳酸材料在高温条件下发生降解变质，而且可以利用聚乳酸溶液在低温固化成型的过程中发生的相分离作用而得到网状纳米纤维的仿生结构，通过结构上对天然细胞外基质的高度模拟促进细胞在其表面的黏附，提高其生物活性。此外，采用这种溶液体系还便于对聚乳酸材料进行适当的化学改性。以分子结构中含有多个氨基基团的多元胺材料（包括乙二胺、己二胺、支化聚乙烯亚胺与聚丙烯亚胺）为改性剂，通过其含有的氨基与聚乳酸分子含有的酯基发生氨解反应而在聚乳酸分子链上接枝亲水性的-NH₂活性基团来增加聚乳酸材料的亲水性从而提高支架表面细胞的黏附性能和增殖能力。其次，以负载抗炎药物布洛芬的纳米片状磷烯对3D打印聚乳酸支架进行改性。研究发现，从黑磷剥离出来的、由有序磷原子构成的纳米片状的磷烯是一种新型的二维纳米材料，因其具有的一些独特的性质，如优异的光热转化性能、良好的生物相容性、较大的比表面积且表面易于功能化修饰改性等而在癌症治疗、药物递送以及生物传感等生物医学领域有着广阔的应用前景，而且其氧化降解过程释放出的磷酸盐物质对人体安全无毒并能有效促进成骨，此外其具有的特殊的光热转化性能赋予了其优异的光热促骨生长和光热抗菌的活性。但磷烯的化学稳定性较差，易与空气中的水蒸气和氧气发生反应而氧化降解，光热性能变差。布洛芬是一种疏水性药物，借助磷烯材料凹凸不平的蜂窝结构形成的大比表面积和强吸附性能负载布洛芬药物可以在磷烯的表面形成一层疏水膜，减少磷烯与空气中的氧气和水的接触，从而在一定程度上提高磷烯材料的稳定性，而且布洛芬药物的负载可以赋予材料良好的抗炎功能，缓解或避免支架植入而引起的炎症。此外还可以通过在载药磷烯的表面进一步包覆聚多巴胺涂层来提高磷烯材料的稳定性、延缓药物的释放，并能通过光热和pH响应智能控制药物的释放从而达到长效抗炎、按需释药的目的。利用此方法制备的载药磷烯修饰聚乳酸材料可以构建兼具光热治疗、促骨生长、抗菌消炎、智能释药的多功能支架。