CN105903084A - 一种具有抗菌功能涂层的3d打印多孔支架及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架及其制备方法，多孔支架包括支架本体和抗菌涂层，支架本体采用SLM技术成形，并由体心立方单元堆积而成；抗菌涂层采用电沉积技术构建在支架本体表面，其为丝素蛋白和庆大霉素组成的复合涂层。该方法包括如下步骤：建立多孔支架三维模型，并导入SLM设备中进行切片；准备金属粉末，以优化的工艺参数成形多孔支架；制备丝素蛋白/庆大霉素混合溶液；在多孔支架表面电沉积抗菌涂层：取出多孔支架风干获得所需多孔支架。本发明运用电沉积在SLM成形的Co‑Cr多孔支架内外表面均匀连续构建了丝素蛋白/庆大霉素复合涂层，简化了制备步骤，降低成本，能达到预防关节置换术后感染的目的。

Description

一种具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架及其制备方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，更具体地，涉及一种具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架及其制备方法。
背景技术
颞下颌关节是人每天使用最多的关节之一，关节强直、外伤、肿瘤等因素常常造成颞下颌关节的形态缺陷和功能丧失，严重影响人们的说话咀嚼吞咽活动，给患者带来严重的生理和心理创伤，颞下颌关节本身形态结构和生理功能的复杂性给其人工关节的置换手术和重建带来了巨大的挑战。
3D打印基于逐层堆积增材制造方法，可成形复杂外形及内部孔隙的个性化结构。以钴铬合金(Cobalt-chromium,Co-Cr)粉末为原料，采用激光选区熔化技术(SelectiveLaser Melting,SLM)进行三维金属支架制造的Co-Cr多孔支架具有个性定制的外形，优于钛合金的耐磨性，能和周围人骨匹配的弹性模量(传统实心钴铬合金由于模量过高产生的应力遮蔽效应，是造成假体远期松动的主要原因之一)，是现在的人工关节材料研究领域的热门方向之一，部分产品已经获得CFDA批准进入临床应用。这种多孔支架假体主要是通过插入骨髓腔让周围骨长入其孔隙和/或辅助以固位钉来实现固定；但是，相对于传统实心假体，多孔支架假体由于表面积显著增加，更容易发生术后感染。因此，如何促进骨更快更好的长入孔隙和预防术后感染成为目前在临床使用SLM制造的钴铬合金多孔支架假体时最关注的两个问题。
对多孔支架假体进行表面改性能很好解决以上两个临床问题，专利CN105126167A提出了一种表面具有纳米复合涂层的3D打印多孔金属支架及其制备方法，该方法以电子束熔融技术构建三维Ti6Al4V多孔支架，并在其上采用电泳沉积或提拉法制备丝素蛋白-氧化石墨烯纳米涂层，通过物理吸附方法将具有杀菌/抑菌作用的金属离子加入到涂层中，从而使多孔支架具备抑菌功能。但该方法的目的在于提高支架的生物活性，减缓基体腐蚀速率，且其金属离子的杀菌作用十分有限，实现杀菌功能的过程过于繁琐。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架及其制备方法，其利用SLM技术成形多孔钴铬支架，并首次运用改良的电沉积方法在SLM成形的多孔支架表面上构建出了丝素蛋白和庆大霉素复合涂层，可有效防止人工关节植入体在骨修复过程中产生的应力遮蔽效应，可促进骨更快更好的长入孔隙，并可有效预防术后感染，适用于生物医疗领域所需的人工关节假体的制造，有望在大面积骨缺损修复领域获得应用。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架，所述多孔支架包括支架本体和抗菌涂层，其中：
所述支架本体采用SLM技术3D打印成形，其由体心立方单元堆积而成，所述体心立方单元包括一个中心节点、八个顶点和八根支柱，所述八根支柱分别从所述中心节点向八个顶点呈放射状延伸；
所述抗菌涂层采用电沉积技术沉积在所述支架本体表面，其为丝素蛋白/庆大霉素复合涂层，以提高支架的表面生物相容性，实现抗菌载药的功能。
作为进一步优选的，所述丝素蛋白原料为家蚕蚕茧。
作为进一步优选的，所述支架本体为3D打印的钴基合金多孔支架，优选为Co-Cr合金多孔支架，其外形为类圆柱体，外径8mm、高度10mm、孔隙率86％。
按照本发明的另一方面，提供了一种具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)通过计算机建模软件建立多孔支架的三维模型，然后导入SLM设备中进行切片处理；
2)准备金属粉末，确定优化的工艺参数成形多孔支架；
3)制备丝素蛋白/庆大霉素混合溶液；
4)在多孔支架表面电沉积抗菌涂层：
首先，将制备的多孔支架进行超声清洗后，浸泡于丝素蛋白/庆大霉素混合溶液中超声1分钟；然后，将与多孔支架平行的铂电极置于丝素蛋白/庆大霉素混合溶液中；最后，设置电沉积的电压和通电时间，进行通电沉积；
5)电沉积后，断开电极与电源，将多孔支架移出溶液，室温下风干干燥过夜，获得所需的多孔支架。
作为进一步优选的，步骤2)中所述的工艺参数为：激光功率180W-300W，激光光斑直径0.05mm-0.1mm，扫描间距50μm-70μm，扫描速度200mm/s-400mm/s，铺粉层厚20μm-30μm。
作为进一步优选的，所述丝素蛋白/庆大霉素混合溶液采用如下方式制备：首先，将家蚕蚕茧加入到0.02M碳酸钠溶液中，煮沸20分钟，再用超纯水冲洗；其次，提取出丝素蛋白干燥后，加入到9.3M溴化锂溶液中60℃水浴溶解4小时；接着，将制得的溶液倒入透析带，在4℃超纯水中透析72小时；再次，将溶液在4℃的1500rpm转速下离心40分钟，去除不溶性部分，将其稀释成浓度为20mg/mL的丝素蛋白溶液；最后，将庆大霉素配置成浓度为1mg/mL的溶液，加入至丝素蛋白溶液中以制备获得丝素蛋白/庆大霉素混合溶液。
作为进一步优选的，步骤4)中多孔支架在混合溶液中作为阳极，铂电极作为阴极，两电极相距5cm，两电极间施加5V-80V的电压，通电15s-4min。
作为进一步优选的，步骤4)中所述超声清洗的具体过程如下：按丙酮、乙醇和超纯水的顺序分别超声清洗20分钟，然后用超纯水冲洗。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明采用激光选区熔化技术和优化的工艺参数成形Co-Cr合金多孔支架，并运用电沉积在SLM成形的Co-Cr多孔支架假体内外表面均匀连续构建了丝素蛋白和庆大霉素的复合涂层，厚度均匀且分布连续完整，平均厚度为2.41±0.62μm，属于超薄涂层，且涂层的结合强度(剪切力3.77±0.34MPa和拉力3.43±0.38Mpa)可以满足手术需要，防止剥脱。
2.本发明构建的丝素蛋白/庆大霉素涂层为具有抗菌功能的载药涂层，直接通过电沉积方法制备，不仅以新材料体系成功在SLM多孔支架上沉积为涂层，大大简化了制备步骤，降低成本，而且能促进骨更快更好的长入孔隙以提高假体固位的长期稳定性，同时也能通过局部缓释抗生素来抑制有效抑制细菌生长以达到预防关节置换的术后感染的目的，提高了骨骼植入体的应用范围；此外，以丝素蛋白溶液为基础的涂层方法未来不仅可以用在其他多孔金属的材料的表面功能改性，更重要的是，其可以在中性水环境下电沉积，为下一步载药和细胞因子的应用提供了更广阔的空间。
3.本发明的抗菌涂层及其制备方法适用于3D打印Co-Cr合金多孔支架等具有内部复杂孔隙等的表面改性，制备方法不受基体材料大小和形状限制，而且涂层溶质可以进入多孔支架的内部，使得在多孔支架内部表面构建涂层成为可能，结合了多孔结构和新型涂层的优点，改善了传统实心植入体模量过大、多孔假体易术后感染的缺点，达到进一步提高骨骼植入体应用范围的目的。
附图说明
图1(a)和(b)分别是本发明多孔支架本体拓扑单元及整体结构示意图；
图2是有涂层(a21)和无涂层(a22)多孔支架表面SEM形貌图；
图3是有涂层多孔支架局部拓扑单元的micro-CT形貌图；
图4是有涂层(SG)和无涂层(CO)多孔支架的细胞粘附和铺展(A)及细胞增殖(B)图；
图5是有涂层(SG)和无涂层(CO)多孔支架在体外持续污染环境里一周内粘附的活细菌荧光图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供了一种具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架，其主要包括支架本体和抗菌涂层，其中，支架本体采用SLM(Selective LaserMelting，激光选区熔化技术)技术3D打印成形，该3D打印工艺能够直接根据CAD模型，基于逐层叠加成形，利用较小功率(100-500W)激光熔化微细(10-50μm)金属粉末，成形精度高，特别适合于制造面向骨植入体的具有个性化外形和内部可控精细孔隙的多孔结构。所述抗菌涂层采用电沉积技术沉积在支架本体表面，电沉积是一种低成本，易操作，设备简单，少参数控制的涂层构建方法，不受基体材料大小和形状限制，而且其基于高分子溶液体系，溶液可以进入多孔支架的内部，使得在支架内部表面构建涂层成为可能。
下面将分别对各个部件进行详细的说明和描述。
所述支架本体为3D打印的多孔支架，其优选为3D打印钴基合金多孔支架，特别优选为3D打印Co-Cr合金多孔支架，如图1所示，其由体心立方单元堆积而成，所述体心立方单元包括一个中心节点、八个顶点和八根支柱，八根支柱分别从中心节点向八个顶点呈放射状延伸。多孔支架外形优选为类圆柱体，外径8mm，高度10mm，拓扑单元尺寸大小为1250μm，构成单元的支柱直径为200μm，孔隙率86％。
所述抗菌涂层采用电沉积技术沉积在支架本体表面，本发明选用丝素蛋白/庆大霉素复合涂层作为抗菌涂层，所述丝素蛋白原料优选为家蚕蚕茧，从家蚕中提取的丝素蛋白是一种天然共聚物，生物相容性好，无免疫原性，具有良好的机械性能和生物降解性，且其在阳极会形成电凝胶的现象，可以将其作为一种新的电沉积基础材料。更重要的是，丝素蛋白可以在中性的水环境中电沉积，产生的气泡非常少，更适合多孔结构的电沉积；此外，中性的水环境也能降低电沉积过程中对涂层负载的对酸和醇类不稳定药物和因子的不良影响；庆大霉素价格低，抑菌性好，抗菌谱广，因此本发明创造性的采用丝素蛋白/庆大霉素复合涂层作为多孔支架的抗菌涂层，可有效提高支架的表面生物相容性，实现其抗菌载药的功能。
本发明实施例还提供了一种具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架的制备方法，该方法主要包括如下步骤：
1)通过计算机建模软件建立多孔支架的三维模型，然后导入SLM设备中进行切片处理；
2)准备金属粉末，确定优化的工艺参数成形多孔支架：
具体选用如下工艺参数：激光功率180W-300W，激光光斑直径0.05mm-0.1mm，扫描间距50μm-70μm，扫描速度200mm/s-400mm/s，铺粉层厚20μm-30μm，采用上述工艺参数，能够成形表面质量较好的Co-Cr合金实体。
3)制备丝素蛋白/庆大霉素混合溶液：
首先，将家蚕蚕茧加入到0.02M碳酸钠溶液中，煮沸20分钟，再用超纯水冲洗；其次，提取出丝素蛋白干燥后，加入到9.3M溴化锂溶液中60℃水浴溶解4小时；接着，将制得的溶液倒入透析带，在4℃超纯水中透析72小时；再次，将溶液在4℃的1500rpm转速下离心40分钟，去除不溶性部分，获得丝素蛋白溶液，经过稀释其浓度优选为20mg/mL，选用该浓度的丝素蛋白溶液，可以在支架表面构建超薄涂层，而不改变孔隙特征；最后，将庆大霉素配置成浓度为1mg/mL的溶液，加入至丝素蛋白溶液制备成丝素蛋白/庆大霉素混合溶液，选用该浓度的庆大霉素，可以使混合溶液pH值在6-7之间，在沉积形成电凝胶时产生极少气泡。
4)选用合适的电沉积工艺参数在多孔支架表面构建抗菌涂层：
首先，将制备的多孔支架进行超声清洗后，浸泡于丝素蛋白/庆大霉素混合溶液中超声1分钟；然后，将与多孔支架平行的铂电极置于丝素蛋白/庆大霉素的混合溶液中，其中，多孔支架在混合溶液中作为阳极，铂电极作为阴极，两电极相距5cm，分别将阳极和阴极连接至直流稳压电源上，在两电极间施加不同的电压(5V到80V)和时间(15s到4min)，在支架表面形成一层电凝胶。其中，合适的电沉积工艺参数根据多孔支架材料的不同有所变化，只要保证在此参数下涂层既能充分均匀覆盖多孔结构表面，又没有出现大量的孔被过厚的涂层堵住的现象即可。
5)电沉积后，断开电极与电源，将多孔支架移出溶液，室温下风干干燥过夜，获得所需的多孔支架。
具体的，步骤4)中所述超声清洗的具体过程如下：按丙酮、乙醇和超纯水的顺序分别超声清洗20分钟，然后用超纯水冲洗。
以下为本发明的具体实施例。
实施例1：
通过计算机建模软件建立多孔支架的三维模型，模型为圆柱体状的多孔支架，外径8mm，高度10mm，多孔支架由体心立方单元堆积而成，其拓扑单元尺寸大小为1250μm、支柱直径200μm；再将模型导入SLM装备进行切片处理；采用Co-Cr合金粉末，设置工艺参数为激光功率220W，扫描间距70μm，扫描速度300mm/s，铺粉层厚20μm，成形Co-Cr多孔支架。
实施例2：
将家蚕蚕茧加入到0.02M碳酸钠溶液中，煮沸20分钟，再用超纯水冲洗；其次将提取出的丝素蛋白干燥后，加入9.3M溴化锂溶液中60℃水浴溶解4小时；接着将制得的溶液倒入透析带，在4℃超纯水中透析72小时；最后将溶液在4℃下的1500rpm转速下离心40分钟，去除不溶性部分，最后稀释成浓度为20mg/mL的丝素蛋白溶液。将庆大霉素配置成浓度为1mg/mL的溶液，加入至丝素蛋白溶液，制备成丝素蛋白/庆大霉素混合溶液。
实施例3：
将实施例1中Co-Cr多孔支架按丙酮、乙醇和超纯水的顺序超声清洗，每种溶剂20分钟，用超纯水冲洗；其次将清洗后的多孔支架浸泡于实施例2中的丝素蛋白/庆大霉素混合溶液中，超声1分钟；然后将与钴铬多孔支架平行的铂电极置于丝素蛋白/庆大霉素的混合溶液中，多孔支架作为阳极，铂电极作为阴极，两电极相距5cm，分别连接阳极与阴极至直流稳压电源上；最后设置电沉积的电压为20V、时间为1min，进行通电；电沉积后，断开电极与电源，将多孔支架移出溶液，室温下风干干燥过夜。
将实施例1所得的Co-Cr多孔支架，以及实施例3所得的沉积有抗菌涂层的多孔支架采用扫描电子显微镜(SEM)、显微CT(Micro-CT)、免疫荧光进行表征，结果如图2-图5所示。
图2显示了有涂层(a21)和无涂层(a22)的多孔支架表面SEM形貌，从图2可以看出，以Co-Cr合金粉末为原料，采用SLM成形得到的多孔支架，支架表面粗糙(a22)，以丝素蛋白/庆大霉素作为沉积液，电沉积后涂层的多孔支架表面的拓扑形态有所改变，涂层均匀构建在多孔支架表面(a21)。
图3显示了有涂层的多孔支架局部拓扑单元的micro-CT形貌图，从图3可以看出，通过局部单元的三维重建，不仅可以清晰观察到附有涂层的多孔支架的一个局部单元表面整体三维拓扑形态(d21)，还可以观察涂层截面单独的三维拓扑形态(d22)，支柱表面被涂层均匀连续完整包裹(d23)。
图4显示了有涂层(SG)和无涂层(CO)的多孔支架的细胞粘附和铺展(A)及细胞增殖(B)图，从图4可以看出，24h内，从活细胞染色(B(B1)b11-b12)可以发现细胞数量没有明显差异，但是从免疫荧光(A(A1)a11-a12)看出有涂层的多孔假体表面的细胞黏附和铺展要明显好一些，而且其细胞间有更多的伪足(A(A1)a21，斜箭头)和细胞间连接(A(A1)a21，水平箭头)；第3天免疫荧光的结果(A(A1)a13-a14)可以看到有涂层的多孔假体表面的细胞黏附和铺展也要明显好一些；第7天从活细胞染色(B(B1)b15-b16)发现有涂层的多孔假体表面细胞增殖明显优于无涂层的多孔假体。
图5显示了有涂层(SG)和无涂层(CO)的多孔支架在体外持续污染环境里一周内粘附的活细菌荧光图，从图5可以看出，24h、第5天和第7天的多孔支架表面黏附的CTC活细菌荧光验证了涂层具有良好的抑菌性，5天以内附有涂层假体表面几乎没有细菌，直到第7天才开始出现少量细菌生长；而CO组，细菌抑制在增加，7天时，支柱表面已经长满细菌。由此，证明构建了丝素蛋白和庆大霉素涂层的多孔支架具备优良的抗菌载药功能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架，其特征在于，所述多孔支架包括支架本体和抗菌涂层，其中：
所述支架本体采用SLM技术3D打印成形，其由体心立方单元堆积而成，所述体心立方单元包括一个中心节点、八个顶点和八根支柱，所述八根支柱分别从所述中心节点向八个顶点呈放射状延伸；
所述抗菌涂层采用电沉积技术沉积在所述支架本体表面，其为丝素蛋白/庆大霉素复合涂层，以提高支架的表面生物相容性，实现抗菌载药的功能。
2.如权利要求1所述的具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架，其特征在于，所述丝素蛋白原料为家蚕蚕茧。
3.如权利要求1或2所述的具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架，其特征在于，所述支架本体为3D打印的钴基合金多孔支架，优选为Co-Cr合金多孔支架，其外形为类圆柱体，外径8mm、高度10mm、孔隙率86％。
4.一种具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)通过计算机建模软件建立多孔支架的三维模型，然后导入SLM设备中进行切片处理；
2)准备金属粉末，确定优化的工艺参数成形多孔支架；
3)制备丝素蛋白/庆大霉素混合溶液；
4)在多孔支架表面电沉积抗菌涂层：
首先，将制备的多孔支架进行超声清洗后，浸泡于丝素蛋白/庆大霉素混合溶液中超声1分钟；然后，将与多孔支架平行的铂电极置于丝素蛋白/庆大霉素混合溶液中；最后，设置电沉积的电压和通电时间，进行通电沉积；
5)电沉积后，断开电极与电源，将多孔支架移出溶液，室温下风干干燥过夜，获得所需的多孔支架。
5.如权利要求4所述的具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的工艺参数为：激光功率180W-300W，激光光斑直径0.05mm-0.1mm，扫描间距50μm-70μm，扫描速度200mm/s-400mm/s，铺粉层厚20μm-30μm。
6.如权利要求5所述的具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架的制备方法，其特征在于，所述丝素蛋白/庆大霉素混合溶液采用如下方式制备：首先，将家蚕蚕茧加入到0.02M碳酸钠溶液中，煮沸20分钟，再用超纯水冲洗；其次，提取出丝素蛋白干燥后，加入到9.3M溴化锂溶液中60℃水浴溶解4小时；接着，将制得的溶液倒入透析带，在4℃超纯水中透析72小时；再次，将溶液在4℃的1500rpm转速下离心40分钟，去除不溶性部分，将其稀释成浓度为20mg/mL的丝素蛋白溶液；最后，将庆大霉素配置成浓度为1mg/mL的溶液，加入至丝素蛋白溶液中以制备获得丝素蛋白/庆大霉素混合溶液。
7.如权利要求6所述的具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架的制备方法，其特征在于，步骤4)中多孔支架在混合溶液中作为阳极，铂电极作为阴极，两电极相距5cm，两电极间施加5V-80V的电压，通电15s-4min。
8.如权利要求7所述的具有抗菌功能涂层的3D打印多孔支架的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述超声清洗的具体过程如下：按丙酮、乙醇和超纯水的顺序分别超声清洗20分钟，然后用超纯水冲洗。
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