CN107754012A - 3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的方法及其产品和应用 - Google Patents

3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的方法及其产品和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的方法及其产品和应用，以1,4‑二氧六环为溶剂，按质量比9：1‑5：5混合PLGA、PCL，按质量分数的10‑25%加入nHA粉末，最后加入柠檬酸三丁酯作为增容剂提高材料的均一性；以上述溶液为3D打印“墨水”，使用3D打印机进行3D打印，出料针头选用150μm，设置打印参数：每层采用平行式打印，间隙为0.1‑0.3mm，Z轴方向每次升高0.2mm，层与层间采用垂直交叉式堆叠，挤出速度设为1.5‑2mm/s，接收平台温度为‑20~‑10℃；支架打印完毕后，进行冷冻干燥48h，之后置于50℃真空烘箱中干燥24h以上，制备得到PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架。本发明提供的制备方法简单、易行，所制备多孔骨修复支架具有合适的孔径、孔隙率，良好的生物相容性和力学强度，为临床治疗大块骨缺损提供了新的思路，具有广泛的临床应用前景。

Description

3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的方法及 其产品和应用
技术领域
本发明涉及一种生物医用材料技术领域的方法，具体是一种3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的方法及其产品和应用，以1,4-二氧六环为溶剂，柠檬酸三丁酯等增容剂为添加剂，使复合材料中各组分的比例可控同时保持溶液稳定，最终通过3D打印技术制备得到材料均一性良好、力学性能良好的多孔骨修复支架。
背景技术
大块骨缺损的修复是临床骨科面临的一个重大难题，随着组织工程学的发展，组织工程骨支架材料有望取代传统的自体骨或同种异体骨，避免患者二次创伤，为骨缺损修复提供了新的思路 [Dimitriou R, Injury, 2011] 。3D打印技术用于制备组织工程骨支架材料，可以精确调控支架的孔径、孔隙率、连通性以及比表面积，有助于细胞黏附生长，方便营养物质供给，也可以根据患者受创部位的实际情况，提供个性化设计，实现精确治疗。
聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）是一种可用于临床的聚酯类高分子材料，具有良好的生物相容性和生物降解性，在组织工程领域得到了广泛的应用。PLGA与纳米羟基磷灰石（nHA）、β-磷酸三钙等无机磷酸钙盐混合，可用于临床骨修复支架的制备，但材料仍存在一些缺点，它的力学韧性较差，且体内降解速度过快，导致其降解过程中降解中间产物酸性太大，对周围骨组织的正常生长和再生产生不良影响，不能满足临床需求。聚己内酯（PCL）也是一种常用的医用聚酯类高分子材料，具有良好的韧性和缓慢的体内降解周期，与PLGA共混使用时可以调节材料的力学韧性和生物降解性。但由于PCL与PLGA的熔点相差较大，利用熔融混合或加工时会导致PCL提前发生热降解；而PCL是半结晶型聚酯，易形成结晶，与PLGA在溶剂中的相容性较差，影响混合材料的力学性能。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的方法。以提供具有良好力学性能和可控生物降解能力的PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架。
本发明的再一目的在于：提供上述3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的产品。
本发明的又一目的在于：提供上述产品的应用。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的方法，包括以下步骤：
（1）以1,4-二氧六环为溶剂，按质量比9：1-5：5混合聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）、聚己内酯（PCL），按质量分数的10-25%加入纳米羟基磷灰石（nHA）粉末，最后加入柠檬酸三丁酯作为增容剂提高材料的均一性；
（2）以上述溶液为3D打印“墨水”，使用3D打印机进行3D打印，出料针头选用150μm，设置打印参数：每层采用平行式打印，间隙为0.1-0.3mm，Z轴方向每次升高0.2mm，层与层间采用垂直交叉式堆叠，挤出速度设为1.5-2mm/s，接收平台温度为-20~-10℃；
（3）支架打印完毕后，进行冷冻干燥48h，之后置于50℃真空烘箱中干燥24h以上，制备得到PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架。
步骤（1）所述的PLGA的重均分子量10-20W，PCL的重均分子量为6-10W，nHA的粒径小于100nm。
步骤（1）所述的溶剂1,4-二氧六环与聚合物和nHA的总质量按0.5g/mL混合，混合溶液的粘度适合用于3D打印，溶解混合方式为常温下机械搅拌24h以上。
步骤（2）所述的3D打印机可为任意商业或自制生物3D打印机，具备垂直挤出功能和低温接收平台。
本发明提供一种3D打印技术制备的PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架，根据上述任一所述方法制备得到。
本发明提供一种3D打印技术制备的PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架作为骨修复材料的应用。
本发明利用增容剂改善了PLGA、PCL共混材料的均一性，提高材料的力学性能，并通过合适的溶剂使材料适用于低温3D打印，制备得到一种材料均一性良好、力学性能良好的多孔骨修复支架，满足临床应用的需求。
利用PCL与PLGA共混克服PLGA力学韧性较差、体内降解速度过快、降解产物酸性较大的缺陷；添加nHA提高材料的骨传导性和骨诱导性，以1,4-二氧六环为溶剂，柠檬酸三丁酯等增容剂为添加剂，改善溶液的均一性，提高材料的力学性能；利用1,4-二氧六环凝固点较高的特点，使共混材料适用于3D打印技术，最终制备得到材料均一性良好、力学性能良好的多孔骨修复支架。本发明提供的制备方法简单、易行，所制备多孔骨修复支架具有合适的孔径、孔隙率，良好的生物相容性和力学强度，为临床治疗大块骨缺损提供了新的思路，具有广泛的临床应用前景。
本发明的优点在于：
1、本发明以PLGA、PCL、nHA共混材料制备多孔骨修复支架，克服了PLGA力学韧性差、体内降解过快、降解酸度较大的缺点，利用增容剂改善PLGA、PCL的混合均一性，提高材料的力学性能。
2、本发明以1,4-二氧六环为溶剂，利用其在低温可凝固成型的特点，使材料适用于3D打印技术加工，可调控多孔材料孔径、尺寸，使其适合细胞黏附生长以及适用于不同病患的个性化治疗。
附图说明
图1是所制备混合材料的SEM图，nHA颗粒均匀分散于聚合物材料内；
图2压力与位移的曲线，是材料压缩强度测试结果，由弹性形变内的受力可计算其抗压强度为85.1Mpa。
具体实施方式
以下实施例以发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于下述的实施例。
实施例1
按质量比9：1称量PLGA（10W）、PCL（8W）共4g，nHA粉末1g，加入10mL 1,4-二氧六环中，加入增容剂柠檬酸三丁酯0.2g，常温下机械搅拌24h以上，使材料充分溶解、混合均匀，制备得到3D打印“墨水”，图1是所制备混合材料的SEM图，nHA颗粒均匀分散于聚合物材料内。 3D打印机为Bio-Architect ®-WS，将上述“墨水”置于3D打印机料筒中，出料针头选用150μm，设置打印参数：每层采用平行式打印，间隙为0.2mm，Z轴方向每次升高0.2mm，层与层间采用垂直交叉式堆叠，挤出速度设为2mm/s，接收平台温度为-15℃，打印尺寸为4mm*4mm*4mm立方体。支架打印完毕后，进行冷冻干燥48h，之后置于50℃真空烘箱中干燥24h以上。图2压力与位移的曲线，是材料压缩强度测试结果，由弹性形变内的受力可计算其抗压强度为85.1Mpa。即该材料弹性形变范围内的抗压强度为85.1MPa。
实施例2
按质量比9：1称量PLGA（10W）、PCL（8W）共4g，nHA粉末1g，加入10mL1,4-二氧六环中，加入增容剂柠檬酸三丁酯0.04g，常温下机械搅拌24h以上，使材料充分溶解、混合均匀，制备得到3D打印“墨水”。 3D打印机为Bio-Architect ®-WS，将上述“墨水”置于3D打印机料筒中，出料针头选用150μm，设置打印参数：每层采用平行式打印，间隙为0.2mm，Z轴方向每次升高0.2mm，层与层间采用垂直交叉式堆叠，挤出速度设为2mm/s，接收平台温度为-15℃，打印尺寸为4mm*4mm*4mm立方体。支架打印完毕后，进行冷冻干燥48h，之后置于50℃真空烘箱中干燥24h以上。材料弹性形变范围内的抗压强度为42.3MPa。
实施例3
按质量比5：5称量PLGA（10W）、PCL（8W）共4g，nHA粉末1g，加入10mL1,4-二氧六环中，加入增容剂柠檬酸三丁酯0.2g，常温下机械搅拌24h以上，使材料充分溶解、混合均匀，制备得到3D打印“墨水”。 3D打印机为Bio-Architect®-WS，将上述“墨水”置于3D打印机料筒中，出料针头选用150μm，设置打印参数：每层采用平行式打印，间隙为0.2mm，Z轴方向每次升高0.2mm，层与层间采用垂直交叉式堆叠，挤出速度设为2mm/s，接收平台温度为-15℃，打印尺寸为4mm*4mm*4mm立方体。支架打印完毕后，进行冷冻干燥48h，之后置于50℃真空烘箱中干燥24h以上。材料弹性形变范围内的抗压强度为44.6MPa。

Claims (6)

1.一种3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以1,4-二氧六环为溶剂，按质量比9：1-5：5混合聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）、聚己内酯（PCL），按质量分数的10-25%加入纳米羟基磷灰石（nHA）粉末，最后加入柠檬酸三丁酯作为增容剂提高材料的均一性；
（2）以上述溶液为3D打印“墨水”，使用3D打印机进行3D打印，出料针头选用150μm，设置打印参数：每层采用平行式打印，间隙为0.1-0.3mm，Z轴方向每次升高0.2mm，层与层间采用垂直交叉式堆叠，挤出速度设为1.5-2mm/s，接收平台温度为-20~-10℃；
（3）支架打印完毕后，进行冷冻干燥48h，之后置于50℃真空烘箱中干燥24h以上，制备得到PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架。
2.根据权利要求1所述的3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的方法，其特征在于，步骤（1）所述的PLGA的重均分子量10-20W，PCL的重均分子量为6-10W，nHA的粒径小于100nm。
3.根据权利要求1所述的3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的方法，其特征在于，步骤（1）所述的溶剂1,4-二氧六环与聚合物和nHA的总质量按0.5g/mL混合，混合溶液的粘度适合用于3D打印，溶解混合方式为常温下机械搅拌24h以上。
4.根据权利要求1所述的3D打印技术制备PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架的方法，其特征在于，步骤（2）所述的3D打印机可为任意商业或自制生物3D打印机，具备垂直挤出功能和低温接收平台。
5.一种3D打印技术制备的PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架，其特征在于根据权利要求1-4任一所述方法制备得到。
6.根据权利要求5所述3D打印技术制备的PLGA/PCL/nHA复合骨修复多孔支架作为骨修复材料的应用。
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