CN108339153A - 一种3d打印多孔组织工程支架复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料及其制备方法，包括：按重量份，聚己内酯/聚乳酸/壳聚糖50‑90份，生物玻璃/羟基磷灰石/β—磷酸三钙10‑50份，共混形成复合体，加入105—106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，在3D打印过程中共混打印。本发明三维形态可控、孔隙率可控、微孔结构可控、可生物降解、成骨效果良好，力学性能良好，生物相容性良好。

Description

一种3D打印多孔组织工程支架复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种组织细胞生长、繁殖和功能恢复的三维多孔支架，具体涉及一种3D打印多孔组织工程支架复合材料，本发明还涉及一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法。
背景技术
制备利于人体或动物体组织细胞生长、繁殖和功能恢复的三维多孔支架结构的降解材料是近年来组织工程学展现出的新的研究领域。目前国内外用于制备多孔支架材料的方法主要有纤维粘接法、溶媒涂层/微粒浸析法、相分离/乳化法，以及冷冻干燥法等。这些方法都可构造出较大孔洞、孔洞间相互连通、利于细胞长入的多孔支架材料。当前用传统方法制备的组织工程支架材料虽然已经在材料成型、孔洞大小、孔隙率、生物相容性等各方面以经取得了可喜的进展。然而，由于传统制备方法中所必须采用的有机溶剂，使得所制备的组织工程支架材料有着不可避免的缺陷。同时，其制备过程繁琐，孔隙率和结构可控性差，成型困难不便于产业化推广应用到临床。
发明内容
为了克服以上不足，本发明专利提供一种3D打印多孔组织工程支架复合材料，其三维形态可控、孔隙率可控、微孔结构可控、可生物降解、成骨效果良好，力学性能良好，生物相容性良好。
为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：
本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料，包括：按重量份，聚己内酯/聚乳酸/壳聚糖50-90份，生物玻璃/羟基磷灰石/β—磷酸三钙10-50份，共混形成复合体，加入105—106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，在3D打印过程中共混打印；
或者，聚己内酯/聚乳酸/壳聚糖50-90份，生物玻璃/羟基磷灰石/β—磷酸三钙10-50份，在3D打印过程中共混打印后形成复合体，将105—106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将聚己内酯/聚乳酸/壳聚糖50-90份，生物玻璃/羟基磷灰石/β—磷酸三钙10-50份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包含不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入105—106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将105—106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
其中，所述步骤6)还包括以下步骤：
1)采用三维设计软件设计3D打印多孔组织工程支架三维形态；
2)孔隙率、微孔结构采用预先三维设计软件设计及调整完成或在3D打印软件中参数化规划设计与调整。
其中，所述步骤6)的3D打印包括不限于光固化成形、烧结成形，熔凝成形。
本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料，包括：按重量份，聚乙丙交酯10-20份，聚己内酯40-80份，生物玻璃10-50份，β—磷酸三钙5-10份，加入105—106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，在3D打印过程中共混打印；
或聚乙丙交酯10-20份，聚己内酯40-80份，生物玻璃10-50份，β—磷酸三钙5-10份，在3D打印过程中共混打印后形成复合体，将105—106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流方式与所述复合体混合。
本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将聚乙丙交酯10-20份，聚己内酯40-80份，生物玻璃10-50份，β—磷酸三钙5-10份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包涵不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入105—106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将105—106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
所述三维设计软件包含不限于mimics、magics,geomagic,simplify3D,cura。
所述三维形态可控：根据医学重建三维数据设计缺损修复组织三维模型，数字化参数调整形态。
所述孔隙率可控：即工程支架内孔隙率能在三维数据调整微孔填充百分比。
所述微孔结构可控：微孔可以是圆孔，多边形孔；孔径也能调整；
所述可生物降解且降解速率可控：调整配方中聚己内酯的分子量和比例，从而改变降解速率。
聚己内酯(C6H10O2)n分子量2000-80000；
聚乙丙交酯(poly(DL-lactide-co-glycolide)，PLGA)[-OCH(CH3)CO-]m[-OCH2CO]n；
β—磷酸三钙(β-TCP)Ca3(PO4)2；
羟基磷灰石Ca5HO13P3；
壳聚糖C6H11NO4X2；
聚乳酸：
细胞：
具体添加的细胞种类例如：
tri-culture(三种细胞共培养)；
MSCs(间充质干细胞)+HUVECs(人脐静脉内皮细胞)+pericytes(周细胞)；
bi-culture(两种细胞共培养)；
MSCs+HUVECs(间充质干细胞+人脐静脉内皮细胞)；
Mono-culture(单一细胞培养)；
MSCs(间充质干细胞)；
活性因子的使用量及具体浓度要根据工程支架使用的目标、细胞种类、单独添加或共同添加确定；
活性因子配方举例如下：
(1)成骨培养液成分：100nmol/L地塞米松10nmol/L甘油磷酸盐50mg/ml维生素C；
(2)50ng/ml bFGF(成纤维细胞生长因子)；
(3)1.1mg/ml BMP(骨形态发生蛋白)；
(4)20ug/ml VEGF(血管内皮细胞生长因子)；
活性因子可以根据以上(1)—(4)单独添加使用或共同添加使用。
浸泡、灌流或水凝胶负载方式：
以水凝胶负载方式为例，将3D打印多孔组织工程支架置于孔板中，将1×106个MSCs加入胶原溶液并将此溶液加入孔板，要求溶液没过支架上表面。待胶原溶液凝胶化后完成组织工程支架负载细胞及活性因子过程。
本发明的优点在于：
本发明三维形态可控、孔隙率可控、微孔结构可控、可生物降解、成骨效果良好，力学性能良好，生物相容性良好。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将聚己内酯50份，生物玻璃10份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包含不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入105个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将105个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实施例2：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将聚己内酯90份，生物玻璃50份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包含不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实施例3：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将聚己内酯70份，生物玻璃30份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包含不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实施例4：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将聚乳酸50份，羟基磷灰石10份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包含不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入105个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将105个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实施例5：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将聚乳酸70份，羟基磷灰石300份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包含不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实施例6：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将聚乳酸90份，羟基磷灰石50份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包含不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入105个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将105个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实施例7：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将壳聚糖50份，β—磷酸三钙10份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包含不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入105个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实施例8：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将壳聚糖70份，β—磷酸三钙30份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包含不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实施例9：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将壳聚糖90份，β—磷酸三钙50份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包含不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入105个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将105个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实施例10：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将聚乙丙交酯10份，聚己内酯40份，生物玻璃10份，β—磷酸三钙5份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包涵不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实施例11：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将聚乙丙交酯20份，聚己内酯80份，生物玻璃50份，β—磷酸三钙10份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包涵不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实施例12：本发明的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，有以下步骤：
1)将聚乙丙交酯15份，聚己内酯60份，生物玻璃30份，β—磷酸三钙80份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包涵不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
实验例：
将本发明的实施例1-9与现有技术中的纤维粘接法、溶媒涂层法对比，如下表：
如上所述，便可较为充分的实现本发明。以上所述仅为本发明的较为合理的实施实例，本发明的保护范围包括但并不局限于此，本领域的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性变性变更均包括在本发明包括范围之内。

Claims (6)

1.一种3D打印多孔组织工程支架复合材料，其特征在于包括：按重量份，聚己内酯/聚乳酸/壳聚糖50-90份，生物玻璃/羟基磷灰石/β—磷酸三钙10-50份，共混形成复合体，加入105—106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，在3D打印过程中共混打印；
或者，聚己内酯/聚乳酸/壳聚糖50-90份，生物玻璃/羟基磷灰石/β—磷酸三钙10-50份，在3D打印过程中共混打印后形成复合体，将105—106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
2.一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，其特征在于有以下步骤：
1)将聚己内酯/聚乳酸/壳聚糖50-90份，生物玻璃/羟基磷灰石/β—磷酸三钙10-50份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包含不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入105—106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将105—106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
3.按照权利要求2所述的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤6)还包括以下步骤：
1)采用三维设计软件设计3D打印多孔组织工程支架三维形态；
2)孔隙率、微孔结构采用预先三维设计软件设计及调整完成或在3D打印软件中参数化规划设计与调整。
4.按照权利要求2所述的一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤6)的3D打印包括不限于光固化成形、烧结成形，熔凝成形。
5.一种3D打印多孔组织工程支架复合材料，其特征在于包括：按重量份，聚乙丙交酯10-20份，聚己内酯40-80份，生物玻璃10-50份，β—磷酸三钙5-10份，加入105—106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，在3D打印过程中共混打印；
或聚乙丙交酯10-20份，聚己内酯40-80份，生物玻璃10-50份，β—磷酸三钙5-10份，在3D打印过程中共混打印后形成复合体，将105—106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流方式与所述复合体混合。
6.一种3D打印多孔组织工程支架复合材料的制备方法，其特征在于有以下步骤：
1)将聚乙丙交酯10-20份，聚己内酯40-80份，生物玻璃10-50份，β—磷酸三钙5-10份，置于容器中；
2)将容器置于干燥箱中干燥去除水分；
3)将上述步骤2)干燥后的原料共混均匀，共混包涵不限于二步共混法或多步共混法；
4)共混后即得到备用复合材料；
5)把上述步骤4)备用复合材料制备成丝或粉体或颗粒或块；
6)把步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，同时在3D打印机的材料供料装置中加入105—106个细胞，加入适宜浓度的活性因子，加热或室温下便能制备3D打印多孔组织工程支架；或者，在步骤5)所述复合材料丝或粉体或颗粒或块置于3D打印机的材料供料装置中，加热或室温下制备3D打印多孔组织工程支架复合体后，将105—106个细胞，适宜浓度的活性因子，通过浸泡、灌流或水凝胶负载方式与所述复合体混合。
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