CN105769382A - 适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，该支架包括内、外支架两部分，内支架被外支架包围，所述的内、外支架均是内部孔道结构完全贯通的多孔支架，其中所述的外支架具有高的孔隙率和高的力学强度，所述的内支架具有比外支架慢的降解速度，同时又具有高的力学强度，本发明的支架具有好的力学匹配性能，生物降解性能和骨组织修复性能，而且支架的形状，尺寸可控，孔径大小可控，支架中的内支架、外支架的材料组成和材料的分布可控。同时，本发明还提供了多孔结构支架的制造方法，该方法简单，方便，生产成本低，能够实现按骨缺损修复的需求个性化定制相应的按需求分级降解的多孔支架。

Description

适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架及其制造方法

技术领域

本发明涉及组织工程技术领域，尤其是涉及一种适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架及其制造方法。

背景技术

随着社会的发展，骨缺损修复一直是困扰着科研人员的棘手问题，各种不同的技术被发明出来，应用在骨组织修复领域，骨组织工程是骨组织缺损治疗技术研究的热点，而构建骨组织工程支架是进行骨缺损修复的关键技术之一。目前，人们通过多种材料的复合，试图构建一种满足安全性、降解性、力学性能等需求的骨组织工程支架，但其难度比较高，于是，又有人开始从骨支架的结构出发，来研究其对骨再生修复的影响，各种不同的技术被应用到构建不同的多孔支架，如粒子析出法、静电纺丝技术、造孔剂法、高压气体发泡法等，通过研究表明，多孔骨支架的结构对骨组织工程支架的骨修复能力起到不容忽视的影响。

授权公告号为CN102784014B的中国发明专利公开了一种多孔性骨支架，其由生物活性添加物、可降解金属、可降解无机物和可降解聚合物形成，支架上有多个孔洞，孔洞的连通率大于97％，同时孔洞的孔壁上又有多个微孔，孔洞的孔径为100～800μm，微孔的孔径为5～100μm，孔深1～50μm，多孔性骨支架的孔隙率为60～95％，虽然该技术发明的多孔支架有利于骨组织细胞的粘附和养分的传输，能够有效的固定细胞，进而使其分化和繁殖，但支架的力学强度不高，在支架的降解过程中，其力学强度会进一步的衰减，导致整个结构无法保证完整性，出现结构坍塌的可能。

除了上述专利文献，目前在骨缺损修复领域构建的支架结构多为单一材料，为了保证前期骨的快速长入，需要有高的孔隙率和孔径，但这样的设计会导致支架结构的强度大大降低，使得在骨长入的过程中，结构由于强度不够会导致坍塌，影响骨的长入，因为骨组织是通过骨支架构建的孔道结构长入的，而且支架的降解也难与骨生成的速度相匹配，对于单一材料构建的支架，其内外结构的降解速度相同，会导致在某些骨组织修复领域，骨组织还没有长入到支架内部，支架已经降解，导致缺损部位的骨修复不完全，缺损中心的位置没有得到修复，或者骨组织已经长入到支架内部，但因为支架的降解，支架的强度不够，而新生的骨组织强度也没有达到要求，导致承重部位的骨组织再次受到损伤，无法完成修复。

因此，需要设计一种新的结构的支架，它有高的孔隙率，能够促进骨的快速长入，但又具有高的力学性能，能承受一定的载荷和保证支架结构的空间稳定性，同时，支架的内外结构有不同的降解性能，具体来说是内部结构的降解速度更慢，使得骨组织能长入到支架结构的内部，而且在支架降解的过程中，支架仍然保持有高的力学强度，保证骨的完全再生修复。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有的多孔支架的不足之处，提供一种新的结构的材料复合的适合骨再生修复的生物活性多孔支架，其具备更好的力学匹配性能，生物降解性能、骨组织修复性能，能够更好的用在骨组织修复领域。

本发明要解决的另一个技术问题是要提供一种具备更好力学匹配性能，生物降解性能，骨组织修复性能的生物活性多孔支架的制造方法，该方法能够控制多孔支架的形状，内部孔径大小，材料组成，材料的分布，制造简单方便，能够实现按需求的个性化定制多级分批降解，多种力学强度复合的多孔支架。

一种适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，该支架包括至少一组内支架以及将内支架包围的外支架；所述内支架抗压强度低于所述外支架抗压强度；所述内支架生物降解速度低于外支架的生物降解速度；所述外支架和内支架为孔道贯通的多孔支架结构。

作为优选，所述内支架材料为由钙镁硅酸盐与磷酸盐的混合物制成的多孔支架；所述外支架为由钙镁硅酸盐制成的多孔支架；所述多孔支架内孔道贯通。

本发明中，所述内支架被外支架包围，所述的内、外支架均是内部孔道结构完全贯通的多孔支架，所述的外支架具有高的孔隙率和高的力学强度，所述的内支架具有比外支架慢的降解速度，同时又具有高的力学强度。

作为优选，所述的外支架的材料为钙镁硅酸盐陶瓷，其可以是掺镁的β-硅酸钙，掺镁的α-硅酸钙，或者是其两种以一定比例的混合，所述的钙镁硅酸盐一般采用粉末，粉末的粒度为1μm～10μm，其具有很好的力学性能。

作为优选，所述的内支架的材料为钙镁硅酸盐与磷酸盐的混合物，其可以是钙镁硅酸盐与TCP(磷酸三钙)按一定比例的混合物，也可以是钙镁硅酸盐与HA(羟基磷灰石)按一定比例的混合物。所述的磷酸盐粉末的粒度为0.5μm～2μm，其具有很好的降解性能。同样，所述钙镁硅酸盐可以是掺镁的β-硅酸钙，掺镁的α-硅酸钙，或者是其两种以一定比例的混合，所述的钙镁硅酸盐一般采用粉末，粉末的粒度为1μm～10μm，其具有很好的力学性能。

所述的内支架的材料中掺杂的磷酸盐的含量不同，会导致内支架的强度不同，降解特性也不同，磷酸盐的量越多，支架的强度越低，降解也越慢，一般选择掺杂的量为0～40％，掺杂的量太多，会导致支架强度过低，无法满足要求。作为优选，所述内支架中，磷酸盐掺杂的重量百分比为0.1～40％。作为更进一步优选，内支架的材料中磷酸盐的重量百分比为25～35％。

所述的内支架的孔隙率可以跟外支架的孔隙率相同，也可以比外支架的孔隙率低，所述的内支架的孔径为100～500μm。考虑到掺杂磷酸盐后，内支架的降解性能得到了很好的改善，但其力学强度会降低，孔径的大小直接影响支架的孔隙率，从而会影响支架的力学强度，孔径越小，支架的强度越高，所以作为优选，可以通过减小孔的尺寸来提高内支架的力学性能，但不能太小，因为过小的孔径会影响骨组织的长入。

外支架具有好的力学性能和孔隙率，在骨修复前期，在承受外部载荷保持支架结构稳定的情况下，还能很好的促进骨组织的快速长入，在外支架随着降解的发生强度下降后，内支架又能维持支架结构的稳定，随着骨组织的长入，支架的强度先下降后上升，新生的骨组织慢慢的适应周围的载荷，避免应力遮挡，同时由于内支架慢的降解率，能等到骨组织完全长入到支架内部，在内、外支架的共同作用下，促进骨组织的再生修复。具体可以根据所需要修复的缺损位置的力学性能和降解性能的要求，通过调节磷酸盐的掺杂量，支架的孔径大小和内、外支架所占整个支架中的比重来设计与骨缺损位置相匹配的支架结构。

一种制作适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(a)：分别制备内支架粉末材料和外支架粉末材料，并配置水凝胶溶液；

步骤(b)把步骤(a)中得到的不同粉末分别与水凝胶溶液按设定比例混合均匀，分别得到内支架生物墨水和外支架生物墨水；

步骤(c)把步骤(b)中得到的不同的生物墨水分别倒入到多喷头的三维打印装置的不同储液单元中；

步骤(d)利用多喷头的三维打印装置，按照设定的程序参数，将不同材料的生物墨水依次分别挤出到位于喷头下方的工作面上，分别实现对内支架、外支架的构建，层层堆积形成具有内外不同材料的孔道结构完全贯通的三维立体支架；

步骤(e)将步骤(d)打印完得到的支架干燥，然后放进高温炉内烧结，冷却得到生物活性多孔支架。

作为优选，干燥温度为90～110℃；烧结温度为1100～1200℃，烧结时间为2～4小时。

作为优选，所述的水凝胶溶液包括聚乙烯醇溶液，羧甲基纤维素溶液，聚乙二醇溶液中的至少一种。作为进一步优选，所述的凝胶水溶液为浓度为2～10％的聚乙烯醇溶液，或者浓度为0.5～3％的羧甲基纤维素溶液。这样的溶液粘度比较合适，利于与混合粉体混合均匀后，得到高粘度的流动性能优异的生物墨水，具有很强的自我支撑性能，最后便于多孔支架的制造。作为优选，所述内支架生物墨水和外支架生物墨水中，支架粉末材料和外支架粉末材料的质量比为56～65％。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

一、本发明的多孔支架具有好的力学匹配性能和骨组织修复性能，能应用在对抗载荷要求高的承重骨缺损修复部位。

二、本发明设计的支架有好的生物降解性能，分级降解能保证骨组织完全长入到支架内部，实现对骨缺损部位的完全修复。

三、本发明的支架形状，尺寸可控，孔径大小可控，支架的内、外支架材料组成和材料的分布可控。

四、本发明的支架制造方法简单，方便，生产成本低，能够实现按骨缺损修复需求的个性化定制多孔支架。

附图说明

图1是本发明的一种适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架的制造流程示意图；

图2是本发明的三维打印装置结构示意图；

图3是本发明的多孔支架结构示意图；

图4是本发明的多孔支架制造过程方法一示意图；

图5是本发明的多孔支架制造过程方法二示意图；

图6是本发明的多孔内支架、外支架以及混合支架体外降解图；

图7是本发明的多孔内支架、外支架以及混合支架体外降解力学强度图；

图8是本发明的支架骨组织长入示意图；

图中：1为X、Y轴运动平台，2为挤出装置，3为喷头，4为工作面，5为Z轴运动平台。

具体实施方式

本发明采用的技术方案如下：

一种适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，包括内、外支架两部分，内支架被外支架包围，内、外支架均是内部孔道结构完全贯通的多孔支架，如图5所示，外支架具有高的孔隙率和高的力学强度，所述的内支架具有比外支架慢的降解速度，同时又具有高的力学强度。

上述的外支架的材料为钙镁硅酸盐陶瓷，其可以是掺镁的β-硅酸钙，掺镁的α-硅酸钙，或者是其两种以一定比例的混合，钙镁硅酸盐粉末的粒度在1μm～10μm。

上述的内支架的材料为钙镁硅酸盐与磷酸盐的混合，其可以是钙镁硅酸盐与TCP(磷酸三钙)按一定比例的混合，也可以是钙镁硅酸盐与HA(羟基磷灰石或者钙磷灰石)按一定比例的混合。磷酸盐粉末的粒度在0.5μm～2μm。选择磷酸盐掺杂的量为0～40％，一般为1～40％，需要根据实际需要确定。

内支架的孔隙率可以跟外支架的孔隙率相同，也可以比外支架的孔隙率低，内支架的空隙的孔径在100～500μm。考虑到掺杂磷酸盐后，内支架的降解性能得到了很好的改善，但其力学强度会降低，孔径的大小会影响支架的力学强度，孔径越小，支架的强度越高，所以作为优选，可以通过减小孔的尺寸来提高内支架的力学性能。

外支架具有好的力学性能和孔隙率，在骨修复前期，在承受外部载荷保持支架结构稳定的情况下，还能很好的促进骨组织的快速长入，在外支架随着降解的发生强度下降后，内支架又能维持支架结构的稳定，随着骨组织的长入，支架的强度先下降后上升，新生的骨组织慢慢的适应周围的载荷，避免应力遮挡，同时由于内支架慢的降解率，能等到骨组织完全长入到支架内部，在内、外支架的共同作用下，促进骨组织的再生修复。具体可以根据所需要修复的缺损位置的力学性能和降解性能的要求，通过调节磷酸盐的掺杂量，支架的孔径大小和内、外支架所占整个支架中的比重来设计与骨缺损位置相匹配的支架结构。

图2为本发明使用的三维打印装置，整个装置包括：X、Y轴运动平1、挤出装置2、喷头3、工作面4、Z轴运动平台5。挤出装置2和喷头3为分别设置的两个，两个挤出装置2分别标记为挤出装置A’和挤出装置B’，分别用于打印内支架用生物墨水A和外支架用生物墨水B。

X、Y轴运动平台1由X轴运动平台、Y轴运动平台组成。Y轴运动平台一般由Y轴轨道以及与Y轴轨道滑动配合的Y轴滑动块组成。X轴运动平台一般由X轴轨道以及与X轴轨道滑动配合的X轴滑动块组成，X轴轨道同时与Y轴滑动固定，并随Y轴滑动块滑动。Z轴运动平台5一般包括Z轴轨道以及与Z轴轨道滑动配合的Z轴滑动块。喷头3安装在挤出装置2上，挤出装置2安装在X轴运动平台的X轴滑动块上，X轴运动平台安装在Y轴运动平台上，在X、Y轴运动平台1的共同作用下，喷头3能够实现在X、Y轴平面的水平二维方向的运动，以实现在同一层面内线条的打印。工作面4作为支架的底部支撑平面，位于喷头3的正下方，工作面4固定安装在Z轴运动平台5的Z轴滑动块上，在Z轴运动平台5的作用下，实现工作面4的上下运动，从而实现支架结构的层层堆积成型。

如图1所示，以2种材料复合的支架为例，一种适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架的制造方法具体是这样实现的：

(a)制备钙镁硅酸盐和磷酸盐粉末材料：在本次实例中，钙镁硅酸盐选择为掺镁的β-硅酸钙，可用现有的方法制备得到，比如可通过将含Mg²⁺、Ca²⁺的无机盐水溶液(比如硝酸盐水溶液)和SiO₃ ^2-离子的水溶液(比如Na₂SiO₃水溶液)混合利用化学沉积合成法合成，其烧结温度在900℃，保温180分钟，再球磨5小时，从而获得粒度在1～10μm的掺镁β-硅酸钙粉体；磷酸盐材料选择为TCP，通过将含Ca²⁺的无机盐水溶液(比如硝酸盐水溶液)和PO₄ ^3-离子的水溶液(比如Na₃PO₄水溶液)混合利用化学沉积合成法合成，其烧结温度在860℃，保温180分钟，再球磨2小时，从而获得粒度在0.5～2μm的TCP粉体。

然后将两种不同的粉末以掺镁硅酸钙：TCP为7:3的重量比例通过机械混合方式得到均匀混合的混合粉末，和配置粘度为8％的聚乙烯醇水凝胶溶液(8g聚乙烯醇粉末加入到100ml去离子水中)；

(b)把步骤(a)中得到的掺镁硅酸钙粉末和混合粉末分别与聚乙烯醇溶液按一定的比例混合均匀，得到可打印的高粘度的内支架用生物墨水A和外支架用生物墨水B，本实施例中生物墨水A中混合粉末的重量百分比为60％，外支架用生物墨水B中掺镁硅酸钙的重量百分比为60％；

(c)把步骤(b)中得到的生物墨水A和B分别倒入到如图2所示的挤出装置A’和挤出装置B’中，将挤出装置A’和挤出装置B’分别安装在三维打印装置上；

(d)利用双喷头的三维打印装置，设计支架的结构如图3所示，其中图3中(a)为支架的主视剖视图，(b)为支架的俯视图，设定外支架的孔径大小(本发明中，孔径指的是相邻墨水线条之间的距离)，内支架的孔径大小为300μm，层高为100μm，喷头的移动速度为10mm/s，然后三维打印装置按照设计好的程序将挤出装置A’和挤出装置B’中的生物墨水A和生物墨水B依次分别挤出到位于喷头3下方的工作面4上，分别实现对内、外支架不同部位的构建，层层堆积形成具有内外不同材料的孔道结构完全贯通的三维立体支架；

(e)将步骤(d)打印完得到的支架在100℃烘箱中干燥24h，然后放进高温炉内1150℃保温4小时，冷却得到2种材料复合的生物活性多孔支架，如图3所示。

对于如图3所示的生物活性多孔结构支架，其在步骤(d)时，支架的制造方法有两种，方法一是这样实现的：

一、三维打印装置中的挤出装置2中的挤出装置A’先挤出生物墨水A经喷头3到工作面4上，按照设定的路径在X、Y轴运动平台1的控制下先打印完第一层，完成外支架的第一层的打印，如图4中(a)所示，然后三维打印装置中的挤出装置2中的挤出装置B’挤出生物墨水B到工作面4上，也是打印第一层，在X、Y轴运动平台1的控制下完成内支架的第一层的打印，如图4中(b)所示；

二、完成步骤一后，工作面4在Z轴运动平台5的控制下下降1层高度的距离，开始在第一层的上面打印第二层，方法如步骤一，先打印外支架的第二层，然后打印内支架的第二层，如图4中(c)所示；

三、继续重复步骤二，打印支架的第三层，直到支架全部打印完成，如图4中(d)所示；

方法二是这样实现的：

一、跟方法一相反，三维打印装置中的挤出装置B’先挤出生物墨水B到工作面上，完成内支架的第一层的打印，如图5中(a)所示，然后三维打印装置中的挤出装置A’挤出生物墨水A到工作面上，完成外支架的第一层的打印，如图5中(b)所示；

二、完成步骤一后，工作面下降1层高度的距离，开始在第一层的上面打印第二层，方法如步骤一，先打印内支架的第二层，然后打印外支架的第二层，如图5中(c)所示；

三、继续重复步骤二，打印支架的第三层，直到支架全部打印完成，如图5中(d)所示；

对于本发明的材料，用掺镁硅酸钙粉末，混合粉末分别制造单独的完整的外支架和内支架复合支架结构，以及采用镁硅酸钙粉末和混合粉末制作本发明的内支架、外支架复合的支架，将这三种支架分别在Tris溶液中进行体外降解实验，浸泡2周，4周和6周后，分别测量其重量损失和抗压强度的变化，如图6和图7所示，其重量随着浸泡时间慢慢减少，由单一混合粉末制造的内支架的降解速度明显比由单一掺镁硅酸钙制造的外支架的降解速度要慢，而本发明的支架的降解速度位于这两种支架之间，支架的强度也随着浸泡时间慢慢下降，在4周后支架强度的下降变慢，6周后还能维持在50MPa左右，在所有支架相同孔隙率的情况下，本发明的支架的强度位于其他两种支架之间，起到了预期的效果。

如图8所示，是一种骨组织沿着支架的外围长入到支架内部情况下的过程示意图。在一开始的时候，将支架植入到骨缺损的位置，支架内部没有骨组织，如图8中(a)所示；随着植入时间的延长，骨组织慢慢的从支架的外围沿着支架的孔道长入到支架内部，同时伴随着支架的降解，支架内斜线的疏密程度代表剩余支架的量，点的疏密程度代表新生骨组织的量，如图8中(b)所示；随着植入时间的继续，骨组织慢慢的长入到内支架，外支架出现更多的材料降解，外支架内的新生骨组织在增加，而内支架仍然有很多材料保留，如图8中(c)所示；接着骨组织长入到内支架的中心，外支架基本降解完，内支架还有很多剩余，如图8中(d)所示；然后，外支架全部降解完，内支架还有，支架内的新生骨组织也在增加，如图8中(e)所示；最后，内支架也全部降解，新生的骨组织完全填充支架所在的位置，实现骨缺损位置的骨再生修复，如图8中(f)所示。

本发明不局限于圆柱体的支架结构，其他形状的支架也适合，也不局限于用双喷头的三维打印装置制造2种材料复合的内外支架，可以根据实际的需要，利用更多的喷头打印更多的材料实现2级以上的分级降解。

Claims (10)

1.一种适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，其特征在于，该支架包括至少一组内支架以及将内支架包围的外支架；所述内支架抗压强度低于所述外支架抗压强度；所述内支架生物降解速度低于外支架的生物降解速度；所述外支架和内支架为孔道贯通的多孔支架结构。

2.根据权利要求1所述的适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，其特征在于，所述内支架为由钙镁硅酸盐与磷酸盐的混合物制成的多孔支架；所述外支架为由钙镁硅酸盐制成的多孔支架。

3.根据权利要求1所述的适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，其特征在于，所述外支架的孔隙率大于内支架的孔隙率。

4.根据权利要求1所述的适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，其特征在于，所述内支架内空隙的孔径为100～500μm。

5.根据权利要求2所述的适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，其特征在于，所述钙镁硅酸盐为掺镁的β-硅酸钙，掺镁的α-硅酸钙，或者是其两种的混合。

6.根据权利要求2或5所述的适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，其特征在于，所述钙镁硅酸盐的粒度为1μm～10μm。

7.根据权利要求2所述的适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，其特征在于，所述磷酸盐为羟基磷灰石、磷酸三钙或两者的混合物。

8.根据权利要求2或7所述的适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，其特征在于，所述内支架中，磷酸盐掺杂的重量百分比为0.1～40％。

9.根据权利要求2或7所述的适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架，其特征在于，所述磷酸盐的粒度为0.5μm～2μm。

10.一种制作权利要求1所述的适合骨再生修复的生物活性多孔结构支架的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(a)：分别制备内支架粉末材料和外支架粉末材料，并配置水凝胶溶液；

步骤(b)把步骤(a)中得到的不同粉末分别与水凝胶溶液按设定比例混合均匀，分别得到内支架生物墨水和外支架生物墨水；

步骤(c)把步骤(b)中得到的不同的生物墨水分别倒入到多喷头的三维打印装置的不同储液单元中；

步骤(d)利用多喷头的三维打印装置，按照设定的程序参数，分别实现对内支架、外支架的构建，层层堆积形成具有内外不同材料的孔道结构完全贯通的三维立体支架；

步骤(e)将步骤(d)打印完得到的支架干燥，然后放进高温炉内烧结，冷却得到生物活性多孔支架。