CN103908697A - 一种基于纳米材料仿生骨支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米材料仿生骨支架的制备方法，其步骤为：采用熔融堆积成型技术制造出负型，将溶解后的生物材料PLGA与纳米级β-TCP粉末混合后置于震荡研磨仪中混合均匀，将制备好的浆料采用负压方式灌入负型，置于冷冻干燥机中冻干，拆除负型，获取仿生骨支架。本发明方法制备的骨支架不仅能满足支架材料、结构、强度的要求，还实现了外形和孔隙率的可控性调整。并且实现了骨缺损部位植入支架的定制化制造，可有效提高临床上复杂骨缺损治疗的成功率，在临床上有着广阔的应用前景。

Description

一种基于纳米材料仿生骨支架的制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于纳米材料仿生骨支架的制备方法，属于增材制造、生物制造以及纳米材料改性等技术领域。

背景技术

目前，应用于临床上的骨缺损修复方法中，自体骨移植是治疗骨缺损的最佳方法。但是自体骨的来源有限，不适用于大范围骨缺损的修复。另一方面，异体骨移植也是一种有效方法，但是也存着排异反应、供需矛盾以及病毒和疾病传播等问题。因此，应用组织工程技术，使用生物材料制造的仿生骨，在解决骨源不足的问题上是最具前景的技术之一。

增材制造技术采用材料逐渐累加的方法制造实体零件，熔融堆积成型技术是增材制造技术之一，该技术是将热塑性塑料聚合体材料加热熔融成丝，堆积在成型面上成型，成型速度和精度较高，可用于制作模具。生物制造是制造科学、生命科学、材料科学的交叉技术，生物活性组织的工程化制造是其主要研究领域之一。将经过改性的材料应用于生物制造领域，可以使仿生支架具有良好的生物相容性、生物降解性和机械强度。

目前，应用于组织工程的支架材料主要分为无机材料、有机材料和复合材料三种。其中无机材料与骨组织无机结构及组成相类似，具有优异的骨结合性和骨传导性能，但其韧性差，机械强度差，且不易降解；而有机材料具有良好的生物相容性，但其机械强度差，难以承重。单一类型材料一般难以满足骨组织工程用细胞外支架材料的要求，通过特定的方法对生物材料进行改性，并添加其他生物材料，形成复合支架材料，可以有效提高仿生骨支架的性能。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于纳米材料仿生骨支架的制备方法。可获得一种具有良好机械强度、生物相容性以及生物降解性的仿生骨支架。该仿生骨支架需更好的满足骨修复对三维生物替代材料的要求。

为了达到上述目的，本发明的构思是：首先设计和制造出制备仿生骨支架所需要的负型；其次应用生物材料聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA)、β-碳酸钙（β-tricalcium phosphate, β-TCP)制备出实验所需要的浆料；最后对负型灌浆并结合冷冻干燥技术制备出仿生骨支架。

根据上述发明构思，本发明采用以下技术方案：

一种基于纳米材料仿生骨支架的制备方法，制备工艺步骤如下： 

1）负型的设计与制造：设计与仿生骨支架外形相符的负型，负型包括四个组件，即底座、左半环、右半环以及防漏装置；应用增量成型方式制备负型组件，装配好后备用；

2）浆料的制备：将PLGA溶于二氯甲烷，后加入纳米级β-TCP和去离子水，PLGA与β-TCP的质量之比为3:7，置于震荡研磨仪，使浆料混合均匀，取出，置于真空干燥机中真空消泡，去除浆料中存在的气泡；

3）灌浆：将浆料负压灌入负型，并使浆料充分灌入负型；

4）将灌入浆料的负型置于冷冻干燥机中，在低温真空环境下冷冻干燥；

5）待冷冻干燥完成后，取出负型，拆除负型，得到基于纳米材料仿生骨支架。

所述步骤1）中的增量成型方式是熔融堆积成型。

所述步骤4）中的冷冻干燥条件为：温度为-42—-48℃之间，冷冻干燥机内部的真空度为18-30pa，处理时间46-48h。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明采用低温冷冻干燥技术和熔融堆积成型方法增量制造的复合工艺，满足了在修复骨缺损的骨组织工程中使用的骨支架的机械强度和外形要求。

2.本发明采用的负型增设防漏装置，该装置有效防止浆料的泄漏影响支架外形以及对浆料造成的浪费。

3.本发明的支架中采用纳米级β-TCP和PLGA两种材料进行复合， PLGA降解速度快于β-TCP，降解过程使支架内预留孔道，更好的促进成骨修复，支架外表面和孔壁不规则，易于细胞的黏附、增殖和侵入。

4. 本发明通过调整浆液的浓度，可以控制支架中冰晶的总量，冰晶在冷冻干燥机中经加热升华后，可获取不同孔径尺寸和孔隙率的支架。

5.本发明采用生物材料PLGA对纳米级β-TCP进行改性，显著提高了支架的机械性能，保证了支架具有良好的外观，使支架在植入时与缺损部位能够充分的贴合，以利于细胞的粘附、增殖和侵入。

6.本发明可通过调整负型的尺寸形状，来获取不同尺寸形状的仿生骨支架，因此，该方法可以实现骨缺损部位植入支架的定制化制造，可有效提高临床复杂骨缺损治疗的成功率。

附图说明

图1为本发明仿生骨支架制备方法流程图。

具体实施方式

以下通过具体实例来对本发明进行说明，结合附图详细说明如下：

实施例1

一种基于纳米材料仿生骨支架的制备方法，制备工艺步骤如下：

1）负型的设计与制造：借助CATIA V5R19（France，Dassault System）设计出负型。支架外形决定支架宏观外形，本实施例选择的支架外形的轮廓为圆柱形，直径为4mm，高度为3mm。将负型的三维实体模型以STL格式保存，导入熔融堆积成型设备（FDM300，Stratasys），以ABS为材料，制造出负型组件，去除负型表面的残留丝线，装配，获得支架的组合式负型模具。

2）浆料的制备：取0.4g PLGA溶于1ml二氯甲烷，后加入1.6g纳米级β-TCP，最后加4ml去离子水，置于震荡研磨仪（MM301，Retsch，Germany），震荡频率设置为15Hz，震荡1.5h，使浆料混合均匀，取出，真空消泡，去除浆料中存在的气泡，备用。

3）灌浆：将浆料以负压方式灌入负型，注意要使浆料充分灌入负型。为排除浆料中形成的气泡，可用细针在灌入负型的浆料中轻轻搅拌，破坏气泡。

4）将灌入浆料的负型置于冷冻干燥机（LGJ-10D，北京四环科技有限公司）中，在-42℃的低温环境中3h后，将冷冻干燥机内部的真空度降到25pa，之后每隔2小时抽真空一次，使真空度降至25pa，冷冻干燥的时间为48h。

5）待冷冻干燥完成后，取出负型，拆除负型，得到外形为圆柱的仿生骨支架。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤2）中取0.6g PLGA，1.4g纳米级β-TCP制备仿生骨支架。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤2）中取0.8g PLGA，1.6g纳米级β-TCP制备仿生骨支架。 

Claims (3)

1.一种基于纳米材料仿生骨支架的制备方法，其特征在于，制备工艺步骤如下： 

1）负型的设计与制造：设计与仿生骨支架外形相符的负型，负型包括四个组件，即底座、左半环、右半环以及防漏装置；应用增量成型方式制备负型组件，装配好后备用；

2）浆料的制备：将PLGA溶于二氯甲烷，后加入纳米级β-TCP和去离子水，PLGA与β-TCP的质量之比为3:7，置于震荡研磨仪，使浆料混合均匀，取出，置于真空干燥机中真空消泡，去除浆料中存在的气泡；

3）灌浆：将浆料负压灌入负型，并使浆料充分灌入负型；

4）将灌入浆料的负型置于冷冻干燥机中，在低温真空环境下冷冻干燥；

5）待冷冻干燥完成后，取出负型，拆除负型，得到基于纳米材料仿生骨支架。

2.根据权利要求1所述的基于纳米材料仿生骨支架的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的增量成型方式是熔融堆积成型。

3.根据权利要求1所述的基于纳米材料仿生骨支架的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中的冷冻干燥条件为：温度为-42—-48℃之间，冷冻干燥机内部的真空度为18-30pa，处理时间46-48h。