CN104368040A - 一种复合脱钙骨基质的3d打印多孔金属支架及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架及其制备方法。该复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架由脱钙骨基质和多孔钛合金支架组成。本发明通过将脱钙骨基质颗粒混凝液注入多孔钛合金支架中制备而成，脱钙骨基质构成了复合多孔钛合金支架中的三维微支架。本发明的复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架可以用于临床上大块承重部位的骨缺损的修复和治疗。
Description
技术领域
本发明属于生物医学材料领域，涉及一种复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架及其制备方法，具体涉及一种复合了脱钙骨基质三维微支架的多孔钛合金支架及其制备方法。
背景技术
临床上骨缺损的移植材料主要有自体骨及异体骨。自体骨移植虽然排斥反应较小且细胞张入较快，但容易受到取材部位的影响造成其取骨量较少且易对个体产生创伤。异体骨移植往往存在生物相容性、移植物感染、过敏等因素的制约。近些年涌现出的各种生物材料，如聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)，磷酸钙(TCP)等等，虽然具有良好的生物相容性和降解性能，却存在着制备物强度不足，降解时间与机体需求难以匹配等诸多问题。
脱钙骨基质是将同种异体骨脱脂脱钙后制成的生物材料，其失去了大部分的钙盐而强度较软，但保留了主要的空间结构及一定生物活性。它在临床上常作为植骨融合材料而大规模应用，具有诱导骨张入、骨传导、生物降解等特性。脱钙骨基质在制备过程中脱去了一定表面抗原，故而其临床植入后免疫排斥反应较小，有很好的生物相容性。
3D打印的出现可以充分利用钛合金的强度及可塑性，通过CT等扫描数据的处理，由计算机设计构建，可以将钛合金打印成符合需求的个性化多孔连通复杂结构。不仅给骨长入提供了空间，也因为多孔结构降低了钛合金的弹性模量，实现了与正常骨组织弹性模量的匹配，且不必担心降解时间与机体需求的不匹配，成为了3D打印在骨科发展的重要方向。
目前市场上的3D打印多孔钛合金支架本身内部孔洞直径约300-1500μm，较为空旷而不利于体积相对较小的细胞抓附，大部分只能贴壁在二维空间内生长，无法实现三维立体微环境中的细胞培养。虽然已有研究将多孔钛孔洞内表面进行二维层次的活性化改造，例如给予表面酸碱处理、表面等离子喷涂涂层、表面负载生长因子等，但仍很难实现细胞在三维层次的攀附、生长及基质的分泌和填充。所以，若能在多孔钛的每一个孔洞中，搭建一个仿生三维微支架，将给细胞的增殖、分化提供一个良好的环境。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架。该复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架既拥有钛合金支架的强度同时又具有脱钙骨基质的生物活性，为修复支撑骨缺损提供了一种良好的骨缺损修复材料。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架，所述复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架由多孔钛合金支架和位于所述多孔钛合金支架内部由脱钙骨基质构成的三维微支架组成。所述复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架的平均孔洞直径约100-400μm。
现有技术中可用于制备多孔钛合金支架的技术包括选择性激光烧结技术(SLS)、选择性激光熔融技术(SLM)、电子束熔融技术(EBM)，上述技术制备的钛合金支架孔径为100μm-2000μm，弹性模量小于10GPa。制备多孔钛合金支架的技术还包括本发明使用的3D打印技术。3D打印的出现可以充分利用钛合金的强度及可塑性，通过CT等扫描数据的处理，由计算机设计构建，可以将钛合金打印成符合需求的个性化多孔连通复杂结构。不仅给骨长入提供了空间，也因为多孔结构降低了钛合金的弹性模量，实现了与正常骨组织弹性模量的匹配。
进一步，本发明使用的多孔钛合金支架是通过下列步骤制备而成：将CT图像导入Mimics或CAD等三维图像软件，得到目标骨组织的三维图像，平均孔柱为100-1000μm、孔径为300-3000μm，以正六面体、正十二面体结构单位充填、扩展该图像，得到个性化的多孔连通三维数字模型。而后采用EOS M280金属材料3D打印机，以钛合金(Ti-6Al-4V)为原料，依据设计模型打印多孔钛支架。
优选地，目标骨组织的三维图像平均孔柱为300μm、孔径为1000μm。
在本发明具体的实施方案中，所述复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架的制备方法如下：将所述脱钙骨基质制备成颗粒后加入到聚乙烯醇溶液中形成混凝液，使脱钙骨基质颗粒可以在混凝液中稳定悬浮存在，而后将所述混凝液灌入所述多孔钛合金支架中。制备混凝液的聚乙烯醇溶液也可用胶原凝胶代替。
优选地，所述混凝液中脱钙骨基质颗粒的大小为200-600μm。
本发明还提供了上述复合多孔钛合金的制备方法，所述制备方法包括下列步骤：
(1)制备多孔钛合金支架；
(2)制备脱钙骨基质；
(3)将步骤(2)获得的脱钙骨基质注入步骤(1)获得的多孔钛合金支架中；
(4)将步骤(3)的处理物放入容器中，加入去离子水至没过多孔钛上表面，放入-80℃冰箱冷冻；
(5)取出冻存物，放入真空冷冻干燥机中，-46℃冷冻干燥，即得到权利要求1所述的复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架。
进一步，步骤(1)中所述多孔钛合金支架的制备方法如下所示：将CT图像导入Mimics或CAD等三维图像软件，得到目标骨组织的三维图像，平均孔柱为100-1000μm、孔径为300-3000μm，以正六面体、正十二面体结构单位充填、扩展该图像，得到个性化的多孔连通三维数字模型。而后采用EOS M280金属材料3D打印机，以钛合金(Ti-6Al-4V)为原料，依据设计模型打印多孔钛支架。
优选地，目标骨组织的三维图像平均孔柱为300μm，孔径为1000μm。
进一步，步骤(2)的具体操作步骤如下：
a、取同种异体骨若干，加入体积比为1：l的氯仿/甲醇混合液脱脂，风干；
b、在盐酸中脱钙，然后风干；
c、用氯仿/甲醇脱脂，风干；
d、以蒸馏水反复漂洗直至蒸馏水pH值接近7.0；
e、用pH 7.4的0.1％PBS 37℃浸泡脱钙骨，风干；
f、取出脱钙骨，在75％酒精中浸泡，风干后密封4℃保存备用。
优选地，步骤(2)的具体操作步骤如下：
a、取同种异体骨若干，加入体积比为1：l的氯仿/甲醇混合液脱脂4h，风干；
b、将步骤a获得的松质骨使用0.6mol/L盐酸脱钙2-3h，其中每克松质骨需使用0.6mol/L盐酸20mL，然后风干；
c、用氯仿/甲醇脱脂4h，风干；
d、以蒸馏水反复漂洗直至蒸馏水pH值接近7.0；
e、用pH 7.4的0.1％PBS 37℃浸泡脱钙骨72h，风干；
f、取出脱钙骨，在75％酒精浸泡30min，风干后的产品即为脱钙骨基质，密封4℃保存备用。
进一步，步骤(3)的具体操作步骤如下：
a、将步骤(2)获得的脱钙骨基质制备成颗粒；
b、将步骤a获得的脱钙骨基质颗粒制备成混凝液；
c、将步骤b制备的所述混凝液灌入步骤(1)制备的多孔钛合金支架中，使支架空隙中充满混凝液。
优选地，所述混凝液灌注体积为2-5ml。
优选地，步骤a制备的脱钙骨基质颗粒大小为200-600μm。
优选地，所述混凝液是将大小为200-600μm的脱钙骨基质颗粒放入聚乙烯醇溶液(浓度5％-10％)中制备而成，其中1ml聚乙烯醇溶液中含有50mg-300mg的脱钙骨基质颗粒。进一步，聚乙烯醇溶液可以使用胶原凝胶代替。
本发明的脱钙骨基质是由同种异体骨制备而成，同种异体骨可以取自尸体骨、捐献的骨组织、手术切除的骨组织等。在本发明的具体的实施方案中，同种异体骨取自新西兰大白兔的四肢骨。获取的方法具体操作步骤如下：
(1)取新西兰大白兔尸体若干，截取其四肢；
(2)将四肢骨与组织分离，去除表面骨膜、软骨及组织等；
(3)获得的四肢骨洗净后放入-80℃冰箱保存。
进一步，本发明的脱钙骨基质构成的三维微支架还可以由天然或人工合成的各种生物活性材料例如胶原、明胶、羟基磷灰石、磷酸钙等在液态加压灌注进入多孔钛合金支架内部形成。
本发明的优点和有益效果：
(1)本发明的复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架既具备多孔钛合金支架的强力学强度，同时又具备脱钙骨基质的生物活性，扩展了单独使用多孔钛合金支架或者脱钙骨基质的应用范围。
(2)本发明的复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架可提供细胞最佳生长环境，抛弃了传统观念中金属支架的设计必须满足最适合细胞生长孔径的限制，尽可能将其制备成大孔洞和高孔隙率结构，从而实现了金属的最少化和骨长入量的最大化；而内部三维微支架则不再受首先满足力学强度的限制，尽可能采用最利于骨生长的材料，营造出结构疏松、具有细胞识别位点、适合细胞攀附生长的三维仿生微支架，为细胞提供最好的生长微环境，从而实现两者的优势互补。
附图说明
图1显示了多孔连通三维数字模型；
图2显示了3D打印的多孔钛合金支架；
图3显示了本发明的复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架。
具体的实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照厂商所建议的条件实施。
实施例1复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架的制备
1、多孔钛合金支架的制备
(1)将CT图像导入Mimics或CAD等三维图像软件，得到目标骨组织的三维图像，平均孔柱为100μm、孔径为300μm，以正六面体、正十二面体结构单位充填、扩展该图像，得到个性化的多孔连通三维数字模型(如图1所示)。
(2)采用EOS M280金属材料3D打印机，以钛合金(Ti-6Al-4V)为原料，依据设计模型打印多孔钛支架(如图2所示)。
2、脱钙骨基质的制备
(1)取新西兰大白兔尸体若干，截取其四肢；
(2)将四肢骨与组织分离，去除表面骨膜、软骨及组织等；
(3)获得的四肢骨洗净后放入-80℃冰箱保存待用；
(4)取新西兰大白兔四肢同种异体骨若干，加入氯仿/甲醇(1：l，体积分数)脱脂4h，风干；
(5)在0.6mol/L盐酸中脱钙2-3h(盐酸/松质骨：20ml/g)，风干；
(6)再用氯仿/甲醇脱脂4h，风干；
(7)以蒸馏水反复漂洗直至蒸馏水pH值接近7.0；
(8)用0.1％PBS(pH 7.4)37℃浸泡脱钙骨72h，风干；
(9)取出脱钙骨放入75％酒精中浸泡30min，风干后密封4℃保存备用。
3、复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架的制备
(1)用液氮冷冻球磨机将上述制备的块状脱钙骨基质粉碎至大小约几百微米颗粒，并用特定孔径大小滤网筛选出200-600μm大小脱钙骨基质颗粒；
(2)将脱钙骨基质颗粒100mg放入浓度为5％的聚乙烯醇溶液中形成混凝液2ml，而后将混凝液注入3D打印多孔钛支架中，使其支架空隙中填充悬浮着脱钙骨基质颗粒的混凝液；
(3)将上述处理物放入容器内，加入去离子水至没过多孔钛合金支架上表面，放入-80℃冰箱冷冻4h。
(4)取出冻存物，放入真空冷冻干燥机中，-46℃冷冻干燥48h，即得到具有仿生三维微支架的3D打印多孔钛合金支架(如图3所示)。
(5)将上述支架放入环氧乙烷灭菌箱中进行灭菌，独立分装处理。
实施例2复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架的制备
1、多孔钛合金支架的制备
(1)将CT图像导入Mimics或CAD等三维图像软件，得到目标骨组织的三维图像，平均孔柱为300μm、孔径为1000μm，以正六面体、正十二面体结构单位充填、扩展该图像，得到个性化的多孔连通三维数字模型(如图1所示)。
(2)采用EOS M280金属材料3D打印机，以钛合金(Ti-6Al-4V)为原料，依据设计模型打印多孔钛支架(如图2所示)。
2、脱钙骨基质的制备
(1)取新西兰大白兔尸体若干，截取其四肢；
(2)将四肢骨与组织分离，去除表面骨膜、软骨及组织等；
(3)获得的四肢骨洗净后放入-80℃冰箱保存待用；
(4)取新西兰大白兔四肢同种异体骨若干，加入氯仿/甲醇(1：l，体积分数)脱脂4h，风干；
(5)在0.6mol/L盐酸中脱钙2-3h(盐酸/松质骨：20ml/g)，风干；
(6)再用氯仿/甲醇脱脂4h，风干；
(7)以蒸馏水反复漂洗直至蒸馏水pH值接近7.0；
(8)用0.1％PBS(pH 7.4)37℃浸泡脱钙骨72h，风干；
(9)取出脱钙骨放入75％酒精中浸泡30min，风干后密封4℃保存备用。
3、复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架的制备
(1)用液氮冷冻球磨机将上述制备的块状脱钙骨基质粉碎至大小约几百微米颗粒，并用特定孔径大小滤网筛选出200-600μm大小脱钙骨基质颗粒；
(2)将脱钙骨基质颗粒650mg放入浓度为8％的聚乙烯醇溶液中形成混凝液3.5ml，而后将混凝液注入3D打印多孔钛支架中，使其支架空隙中填充悬浮着脱钙骨基质颗粒的混凝液；
(3)将上述处理物放入容器内，加入去离子水至没过多孔钛合金支架上表面，放入-80℃冰箱冷冻4h。
(4)取出冻存物，放入真空冷冻干燥机中，-46℃冷冻干燥48h，即得到具有仿生三维微支架的3D打印多孔钛合金支架(如图3所示)。
(5)将上述支架放入环氧乙烷灭菌箱中进行灭菌，独立分装处理。
实施例3复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架的制备
1、多孔钛合金支架的制备
(1)将CT图像导入Mimics或CAD等三维图像软件，得到目标骨组织的三维图像，平均孔柱为1000μm、孔径为3000μm，以正六面体、正十二面体结构单位充填、扩展该图像，得到个性化的多孔连通三维数字模型(如图1所示)。
(2)采用EOS M280金属材料3D打印机，以钛合金(Ti-6Al-4V)为原料，依据设计模型打印多孔钛支架(如图2所示)。
2、脱钙骨基质的制备
(1)取新西兰大白兔尸体若干，截取其四肢；
(2)将四肢骨与组织分离，去除表面骨膜、软骨及组织等；
(3)获得的四肢骨洗净后放入-80℃冰箱保存待用；
(4)取新西兰大白兔四肢同种异体骨若干，加入氯仿/甲醇(1：l，体积分数)脱脂4h，风干；
(5)在0.6mol/L盐酸中脱钙2-3h(盐酸/松质骨：20ml/g)，风干；
(6)再用氯仿/甲醇脱脂4h，风干；
(7)以蒸馏水反复漂洗直至蒸馏水pH值接近7.0；
(8)用0.1％PBS(pH 7.4)37℃浸泡脱钙骨72h，风干；
(9)取出脱钙骨放入75％酒精中浸泡30min，风干后密封4℃保存备用。
3、复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架的制备
(1)用液氮冷冻球磨机将上述制备的块状脱钙骨基质粉碎至大小约几百微米颗粒，并用特定孔径大小滤网筛选出200-600μm大小脱钙骨基质颗粒；
(2)将脱钙骨基质颗粒1500mg放入浓度为10％的聚乙烯醇溶液中形成混凝液5ml，而后将混凝液注入3D打印多孔钛支架中，使其支架空隙中填充悬浮着脱钙骨基质颗粒的混凝液；
(3)将上述处理物放入容器内，加入去离子水至没过多孔钛合金支架上表面，放入-80℃冰箱冷冻4h。
(4)取出冻存物，放入真空冷冻干燥机中，-46℃冷冻干燥48h，即得到具有仿生三维微支架的3D打印多孔钛合金支架(如图3所示)。
(5)将上述支架放入环氧乙烷灭菌箱中进行灭菌，独立分装处理。
本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架，其特征在于，所述复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架由多孔钛合金支架和位于所述多孔钛合金支架内部由脱钙骨基质构成的三维微支架组成。
2.根据权利要求1所述的复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架，其特征在于，所述复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架是将所述脱钙骨基质颗粒制备成混凝液，而后将所述混凝液注入所述多孔钛合金支架中形成。
3.根据权利要求2所述的复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架，其特征在于，所述混凝液中脱钙骨基质颗粒的大小为200-600μm。
4.权利要求1所述的复合多孔钛合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括下列步骤：
(1)制备多孔钛合金支架；
(2)制备脱钙骨基质；
(3)将步骤(2)获得的脱钙骨基质注入步骤(1)获得的多孔钛合金支架中；
(4)将步骤(3)的处理物放入容器中，加入去离子水至没过多孔钛合金支架上表面，放入-80℃冰箱冷冻；
(5)取出冻存物，放入真空冷冻干燥机中，-46℃冷冻干燥，即得到权利要求1所述的复合脱钙骨基质的3D打印多孔金属支架。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述多孔钛合金支架是采用Mimics或CAD等三维图像软件设计后使用EOS M280金属材料3D打印机打印而成。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)的具体操作步骤如下：
a、取同种异体骨若干，加入体积比为1：l的氯仿/甲醇混合液脱脂，风干；
b、在盐酸中脱钙，然后风干；
c、用氯仿/甲醇脱脂，风干；
d、以蒸馏水反复漂洗直至蒸馏水pH值接近7.0；
e、用pH7.4的0.1％PBS37℃浸泡脱钙骨，风干；
f、取出脱钙骨，在75％酒精中浸泡，风干后密封4℃保存备用。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)的具体操作步骤如下：
a、取同种异体骨若干，加入体积比为1：l的氯仿/甲醇混合液脱脂4h，风干；
b、将步骤a获得的松质骨使用0.6mol/L盐酸脱钙2-3h，其中每克松质骨需使用0.6mol/L盐酸20mL，然后风干；
c、用氯仿/甲醇脱脂4h，风干；
d、以蒸馏水反复漂洗直至蒸馏水pH值接近7.0；
e、用pH7.4的0.1％PBS37℃浸泡脱钙骨72h，风干；
f、取出脱钙骨，在75％酒精浸泡30min，风干后的产品即为脱钙骨基质，密封4℃保存备用。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)的具体操作步骤如下：
a、将步骤(2)获得的脱钙骨基质制备成颗粒；
b、将步骤a获得的脱钙骨基质颗粒制备成混凝液；
c、将步骤b制备的所述混凝液注入步骤(1)制备的多孔钛合金支架中。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述混凝液是将脱钙骨基质颗粒放入聚乙烯醇溶液中制备而成。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述混凝液中脱钙骨基质颗粒大小为200-600μm。
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