CN106267374A - 一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架及其制备方法 - Google Patents

一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架，属于生物医学材料领域。所述骨组织工程支架由含锶(Sr)介孔生物玻璃(Sr‑MBG)和聚己内酯(PCL)组成，其中Sr‑MBG和PCL的质量比例分别为70％和30％，Sr‑MBG中5％的Ca由Sr替代；所述骨组织工程支架采用三维打印技术，将Sr‑MBG和PCL两种材料逐层打印成为立方形的生物活性支架，各层由纵横交错的垂直线构成，垂直线构成的孔为正方形，有利于骨细胞和新生血管的长入。本发明的生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架可应用于针对骨缺损的修复及治疗，具有良好的生物相容性、有较好的促进成骨的能力并且可被生物机体吸收降解，有望成为骨组织工程较理想的支架材料。

Description

一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架及其制备 方法
技术领域
本发明属于生物医学材料领域，具体涉及一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架。
背景技术
严重的骨创伤或骨肿瘤切除术后往往会遗留或大或小的骨缺损，临床医生需要应用各种骨修复材料对其进行填补、修复。虽然自体骨移植向来是修复骨缺损“金标准”，但其存在增加创伤、骨量受限、供区并发症等缺点，而异体骨移植也因为可能传播疾病、发生免疫排斥反应而影响了广泛应用。寻找具有良好的生物相容性，骨传导性和骨诱导性的材料成为骨组织修复领域的研究方向。
生物活性玻璃简称生物玻璃，是一种人工合成的骨组织替代材料，其含有的Ca2+与生物体液中的PO4 3-向SiO2凝胶层扩散、沉积，逐渐矿化，进而在其表面形成羟基磷灰石覆盖层，实现其与骨组织的结合。生物玻璃具有良好的骨诱导性、骨传导性和生物相容性。经过20余年的研究，在90年代经美国食品及药品监督管理局正式批准用于骨科临床，已被证实有良好的骨修复功能。
传统制备支架的方法很难控制孔径尺寸、孔的连接以及整个支架的孔隙率。而采用最新的三维打印技术可以很好的控制孔径的形态、大小以及支架的孔隙率。此技术的优势在于在计算机辅助设计系统(CAD)的帮助下我们可以精确控制所打印支架的结构，并且打印的支架有很好的机械强度。
中国专利申请CN201510537311.6，公开了一种基于3D-Bioplotter打印技术的骨修复多孔复合支架，。该支架由具有三维大孔结构的基体和载药微球复合而成，首先用3D-Bioplotter打印出具有规则三维大孔结构的支架基体；乳化溶剂挥发法制备复合六方介孔硅(HMS)、硅酸钙粉体(CS)和PLGA的载药微球；最后通过低温烧结将复合微球固定到基体材料中，制得复合支架。该复合支架具有良好的载药释药性能。
中国专利申请CN201510674031.X，公开了一种3D打印介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架，该支架是利用三维打印技术制备的β-磷酸三钙生物活性支架、以及均匀涂覆于所述支架表面的介孔生物活性玻璃；，所述介孔生物活性玻璃前驱体里含有Si源(具体为正硅酸乙酯)、磷酸三乙酯、硝酸钙等。
近年来锶元素(Strontium，Sr)被发现具有促进成骨和抑制破骨细胞作用，并被临床用于治疗骨质疏松。由于锶和钙属于同一周期元素，在化学性质上类似，所以锶可以取代钙，并被用于改性各类生物活性骨植入材料(如生物陶瓷、生物玻璃或多聚物等)。经过锶改性后的生物玻璃随着材料降解锶元素可以被释放出来形成锶离子状态，从而起到促进成骨或抑制破骨的作用，所以锶改性可降解生物活性骨植入材料在理论上有其科学合理性。
目前尚无文献报道一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架及其制备方法，该生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架可应用于针对骨缺损的修复及治疗，具有良好的生物相容性、有较好的促进成骨的能力并且可被生物机体吸收降解，有望成为骨组织工程较理想的支架材料。
本发明设计了一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架，采用三维打印技术，将Sr-MBG和PCL两种材料逐层打印成为圆柱形的生物活性支架。
本发明的第一方面，提供了一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架，所述骨组织工程支架由含锶(Sr)介孔生物玻璃(Sr-MBG)和聚己内酯(PCL)组成，其中Sr-MBG和PCL的质量比例分别为70％和30％，Sr-MBG中5％的Ca被Sr替代；所述骨组织工程支架采用三维打印技术，将Sr-MBG和PCL两种材料逐层打印成为立方形的生物活性支架，每层都由纵横交错的垂直线构成。
所述的支架为立方体，同层的线为平行线且间距相等，相邻两层由纵横交错的垂直线构成，即第一层全部为经线、第二层全部为纬线、第三层又全部为经线，第四层又全部为纬线……纵横交错的垂直线构成的孔为正方形。
所述的孔径优选为边长400μm的正方形，并上下连通。
作为优选，支架所用的Sr-MBG粉体由57.2SiO2:7.5P2O5:35.3(SrO+CaO)(摩尔比例)构成，其中5％的Ca被Sr替换。
作为优选，Sr-MBG粉末和PCL的质量比例分别为70％和30％，将PCL溶解于氯仿中，然后加入Sr-MBG粉末溶解均匀。
本发明的第二方面，提供了上述的生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
步骤一，制备含锶生物活性玻璃粉体，并过400目的筛子，使其尺寸小于37μm，干燥保存备用；
含锶生物活性玻璃粉体的制备方法可参见文献：Zhang J,Zhao S,Zhu Y,etal.Three-dimensional printing of strontium-containing mesoporous bioactiveglass scaffolds for bone regeneration[J].Acta Biomaterialia,2014,10(5):2269-2281.优选其中5％的Sr-MBG。
步骤二，将聚己内酯(PCL)溶于氯仿，磁力搅拌2小时，密封保存备用；
步骤三，将步骤一得到的含锶生物活性玻璃粉体加入到PCL溶液中，质量比为7:3，快速搅拌均匀配成打印墨水，密封保存备用。
步骤四，将步骤三的打印墨水装进三维打印机的料筒中，喷头直径为0.25mm，喷射速度为1.5-5mm/s，注射泵的压力为1.5-3bar，逐层打印。
优选的，三维打印采用的是第四代3D BioplotterTM(EnvisionTEC GmbH,Germany)，调节气压为1.8bar，打印速度为1.5-5mm/s，墨水相邻两层走向夹角为0°和90°，孔间距为400微米，将墨水以层层堆积的方式沉积在载物平台的玻璃培养皿中，37℃干燥48小时，得到生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架。
更优选的，支架由纵横交错的垂直线构成，线与线之间的距离为400μm，支架孔径的直径为400μm，支架尺寸为10mm*10mm*3mm。
本发明的第三方面，提供了上述的生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架在制备骨组织工程修复材料中的应用。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架，可应用于针对骨缺损的修复及治疗，并且可根据患者骨缺损的形态进行个体化三维打印骨填充支架，达到个体化治疗的目的；而且本支架具有良好的生物相容性、较强的力学性能，有较好的促进成骨的能力并且可被生物机体吸收降解；支架孔径设计为直径为400μm的正方形孔，有利于骨细胞和新生血管的长入；体内动物实验进一步证明了本发明的支架具有优异的体内成骨活性。有望成为骨组织工程较理想的支架材料。
本发明的生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架可应用于针对骨缺损的修复及治疗，具有良好的生物相容性、有较好的促进成骨的能力并且可被生物机体吸收降解，有望成为骨组织工程较理想的支架材料。
附图说明
图1是本发明的一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架的实物图；
图2是本发明的一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架的示意图；
图3是本发明的一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架的扫描电镜图；
图4是MC3T3-E1细胞在生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架上培养7天的SEM图。
具体实施方式
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。
下列实施例中未注明来源的试剂均可以从商用途径获取。
实施例1：一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架的制备
制备一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架，包括以下步骤：
步骤一，制备含锶生物活性玻璃粉体，并过400目的筛子，使其尺寸小于37μm，干燥保存备用；
含锶生物活性玻璃粉体的制备方法参见文献Zhang J,Zhao S,Zhu Y,etal.Three-dimensional printing of strontium-containing mesoporous bioactiveglass scaffolds for bone regeneration[J].Acta Biomaterialia,2014,10(5):2269-2281.优选其中5％的Sr-MBG。
步骤二，将聚己内酯(PCL，分子量为70000-90000，购自Sigma-Aldrich公司)溶于氯仿，磁力搅拌2小时，密封保存备用；
步骤三，将步骤一得到的含锶生物活性玻璃粉体加入到PCL溶液中，质量比为7:3，快速搅拌均匀配成打印墨水，密封保存备用。
步骤四，将步骤三的打印墨水装进三维打印机第四代3D BioplotterTM(EnvisionTEC GmbH,Germany)的料筒中，针头直径为250微米；启动三维打印程序，调节气压为1.8bar，打印速度为1.5-5mm/s，墨水相邻两层走向夹角为0°和90°，孔间距为400微米，将墨水以层层堆积的方式沉积在载物平台的玻璃培养皿中，37℃干燥48小时，得到生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架。
本发明的一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架的实物图如图1所示；结构示意图如图2所示；扫描电镜图如图3所示，说明本发明的支架相邻两层为纵横交错的经纬线，纵横交错的经纬线构成均匀分布的连通孔，孔为正方形。本发明的支架结合良好，无分裂及塌陷现象。
实施例2：MC3T3-E1细胞在生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架上的粘附
MC3T3-E1细胞(小鼠胚胎成骨细胞前体细胞)，购自中科院细胞库。
三维打印含锶介孔生物玻璃支架材料样品都使用75％的医用酒精浸泡4小时，然后在紫外灯下照射24h灭菌，同时，在24孔板中加入lml含10％FBS的α-MEM培养基预先润湿24h，更换培养基，之后将灭菌支架材料移入24孔板内。然后，将含有1×105MC3T3-E1细胞的200μ1的培养液滴加到每个样品，并在37℃、5％CO2气氛的CO2培养箱中培养，待8小时细胞基本贴壁后，加入1ml含10％FBS的α-MEM培养基。
细胞在支架上培养3天和7天后，先在37℃下用PBS缓冲液洗涤三次，之后所有样品用含有2.5％戊二醛的PBS固定1h，固定剂通过含有4％蔗糖的缓冲溶液PBS除去，之后通过含有1％的四氧化锇的PBS缓冲溶液进行固定，再通过梯度乙醇溶液(50％,70％,90％,95％,100％)和六甲基二硅胺烷溶液(HMDS)脱水。最后SEM(FEI Quanta 450)观察细胞在支架表面的粘附情况，所有支架样品用导电胶粘在金属基座上，观察前进行喷金处理。
通过扫描电镜(SEM)来观察细胞在支架上培养3天和7天后的细胞形貌及粘附。图4为MC3T3-E1细胞与支架共培养7天后支架表面的SEM图片，由图可知，MC3T3-E1细胞在支架上都能够完全伸展，显示很好的细胞形貌。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架，其特征在于，所述的支架是采用三维打印技术将支架材料逐层打印成为立方体，同层的线为平行线且间距相等，相邻两层由纵横交错的垂直线构成，纵横交错的垂直线构成的孔为正方形；
所述的支架材料由含锶介孔生物玻璃和聚己内酯组成，其中含锶介孔生物玻璃和聚己内酯的质量比为70％:30％；所述的含锶介孔生物玻璃中5％的Ca由Sr替代。
2.根据权利要求1所述的生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架，其特征在于，含锶介孔生物玻璃的组成如下：SiO2:P2O5:(SrO+CaO)的摩尔比为57.2:7.5:35.3，其中Sr占(SrO+CaO)的摩尔比为5％。
3.根据权利要求1或2所述的生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架，其特征在于，所述的支架线与线之间的间距均为400μm，孔径为边长400μm的正方形，立方体尺寸为10mm*10mm*3mm。
4.如权利要求1所述的生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
步骤一，制备含锶生物活性玻璃粉体，并过400目的筛子，使其尺寸小于37μm，干燥保存备用；
步骤二，将聚己内酯溶于氯仿，磁力搅拌1-3小时；
步骤三，将步骤一得到的含锶生物活性玻璃粉体加入到聚己内酯溶液中，质量比为7:3，搅拌均匀配成打印墨水；
步骤四，将步骤三的打印墨水装进三维打印机的料筒中，喷头直径为0.25mm，喷射速度为1.5-5mm/s，注射泵的压力为1.5-3bar，逐层打印。
5.根据权利要求4所述的生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架的制备方法，其特征在于，所述的三维打印采用的是第四代3DBioplotterTM(EnvisionTEC GmbH,Germany)，调节气压为1.8bar，打印速度为1.5-5mm/s，墨水相邻两层走向夹角为0°和90°，孔间距为400微米，将墨水以层层堆积的方式沉积在载物平台的玻璃培养皿中，37℃干燥48小时，即得。
6.如权利要求1所述的生物可吸收的三维打印含锶介孔生物玻璃支架在制备骨组织工程修复材料中的应用。
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