CN108478881A - 一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3d打印方法 - Google Patents

一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3d打印方法 Download PDF

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Abstract

一种镁合金‑聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法，首先将可降解镁合金材料制作成不同力学性能的不同直径的可降解镁合金纤维，并将可降解镁合金纤维穿过同轴式3D打印喷头的喷嘴；然后在同轴式3D打印喷头的内侧热熔腔中加入可降解聚合物材料，可降解聚合物在熔融后，将可降解镁合金纤维和熔融后的可降解聚合物共同从喷嘴挤出，从而形成可降解镁合金‑聚合物复合增强纤维；最后在3D打印系统的控制下根据个性化设计的支架结构进行3D打印，从而得到镁合金‑聚合物复合增强的可降解生物支架；本发明通过在可降解镁合金纤维外表面低温复合聚合物的方式，增强了所打印出的可降解生物支架的力学和结构性能，有效控制了镁合金的降解时间。

Description

一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法
技术领域
本发明属于多材料复合3D打印技术领域，具体涉及一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法。
背景技术
生物体内可降解吸收材料是生物材料发展的重要方向，目前临床应用的生物体内可降解吸收材料主要是聚合物和某些陶瓷材料，如聚乳酸、磷酸钙等，但由于聚合物材料强度偏低、陶瓷材料的塑韧性较差限制了其广泛使用。近年来，以生物可降解镁合金为主要代表的具有生物可降解特性的新一代医用金属材料的研究受到了人们的特别关注。这类新型医用金属材料巧妙地利用镁合金在人体环境中易发生腐蚀降解的特性，来实现金属植入物在体内逐渐降解直至最终消失的医学临床目的。此外，由于镁合金所具有的金属材料特性，其塑性、刚度、加工性能等都要远优于现已开始临床应用的聚乳酸等可降解高分子材料，因而更适于在骨等硬组织修复和心血管介入支架方面的临床应用。
镁合金的杨氏模量为41～45GPa，与骨的杨氏模量比较接近，与传统的金属植入物材料相比，可有效缓解应力遮挡效应。目前常用的金属植入物是生物惰性材料，长期固定并留在人体组织中，有引发炎症的隐患，而且，治愈后如需拆除则要进行第二次手术，增加了治疗费用和患者的痛苦。然而，镁合金植入人体后降解过快，有一定弊端，如组织愈合需要一定的时间，若镁合金降解较快，不能充分发挥其生物力学作用，导致组织愈合不良，甚至治疗失败；而且，镁合金降解过快，导致降解过程中的产物在组织周围大量聚集，不能较快被吸收，也会影响组织功能恢复。
随着个性化3D打印技术在医疗行业的不断推广应用，镁合金假体的个性化3D打印需求越来越突出，使用传统的3D打印方法无法解决镁合金高熔点、高可燃、易爆炸的问题，有研究使用镁合金粉末混入聚合物中进行植入物的打印，但镁合金做成粉末后又大大弱化了镁合金的结构力学性能，如何安全可靠、性能稳定的使其在3D打印领域有更好的应用，成为亟待解决的行业难题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法，通过在可降解镁合金纤维外表面低温复合聚合物的方式，增强了所打印出的可降解生物支架的力学和结构性能，有效控制了镁合金的降解时间。
为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法，包括以下步骤：
首先将可降解镁合金材料制作成不同力学性能的不同直径的可降解镁合金纤维4，并将可降解镁合金纤维4穿过同轴式3D打印喷头的喷嘴3；
然后在同轴式3D打印喷头的内侧热熔腔7中加入可降解聚合物5材料，可降解聚合物5在熔融后，将可降解镁合金纤维4和熔融后的可降解聚合物5共同从喷嘴3挤出，从而形成可降解镁合金-聚合物复合增强纤维；
最后在3D打印系统的控制下根据个性化设计的支架结构进行3D打印，从而得到镁合金-聚合物复合增强的可降解生物支架8。
所述的同轴式3D打印喷头为同轴式挤出打印头，可降解镁合金纤维4穿过同轴式挤出打印头的中心，可降解聚合物5位于可降解镁合金纤维4的周围。
所述的同轴式3D打印喷头，包括内部为热熔腔7的加热块2，加热块2上端连接有纤维导管1，加热块2的一侧连接有喉管6，加热块2下端挤出口位置连接有喷嘴3，纤维导管1和加热块2、喷嘴3同轴，保证可降解镁合金纤维4在挤出后位于镁合金-聚合物复合纤维的中心并且被可降解聚合物5完全均匀包覆。
所述的可降解镁合金纤维4是根据力学性能进行分级的不同直径系列，纤维直径在0.01mm至0.3mm之间。
所述的可降解聚合物5包括PLA、PLGA和PCL，通过调节可降解聚合物的分子量实现对可降解聚合物的降解时间从数月到数年的准确调控。
所述的3D打印过程中需要对可降解聚合物材料进行加热熔融，加热温度低于镁合金的熔点和闪点温度，且根据复合聚合物的熔点温度进行设定。
本发明的有益效果为：通过在可降解镁合金纤维外表面低温复合聚合物的方式，用3D打印喷头将可降解镁合金纤维和聚合物进行复合3D打印，内部的镁合金纤维提供生物力学性能，外表面复合的可降解聚合物来控制降解速度，增强了所打印出的可降解生物支架的力学和结构性能，有效控制了镁合金的降解时间，从而解决了单纯镁合金在体内过快降解，单纯聚合物力学性能不足的问题，为个性化3D打印可降解生物支架提供了新思路和新方法。
附图说明
图1为本发明实施例的3D打印示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明的内容进一步说明。
参照图1，一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法，包括以下步骤：首先将可降解镁合金材料制作成不同力学性能的不同直径的可降解镁合金纤维4，并将可降解镁合金纤维4穿过同轴式3D打印喷头的喷嘴3；然后在同轴式3D打印喷头的内侧热熔腔7中加入可降解聚合物5材料，可降解聚合物5在熔融后，将可降解镁合金纤维4和熔融后的可降解聚合物5共同从喷嘴3挤出，从而形成可降解镁合金-聚合物复合增强纤维；最后在3D打印系统的控制下根据个性化设计的支架结构进行3D打印，从而得到镁合金-聚合物复合增强的可降解生物支架8。
参照图1，所述的同轴式3D打印喷头为同轴式挤出打印头，可降解镁合金纤维4穿过同轴式挤出打印头的中心，可降解聚合物5位于可降解镁合金纤维4的周围，保证可降解镁合金纤维4在挤出后位于镁合金-聚合物复合纤维的中心，被可降解聚合物5完全包覆。
参照图1，所述的同轴式3D打印喷头，包括内部为热熔腔7的加热块2，加热块2上端连接有纤维导管1，加热块2的一侧连接有喉管6，加热块2下端挤出口位置连接有喷嘴3，纤维导管1和加热块2、喷嘴3同轴；可降解镁合金纤维4穿过纤维导管1从同轴式挤出打印头的下端喷嘴3伸出，纤维导管1在加热块2的热传导作用下对可降解镁合金纤维4进行预热，可降解聚合物5通过喉管6进入加热块2内的热熔腔7加热熔融后包覆于预热后的可降解镁合金纤维4外表面，并通过加热块2下端的喷嘴3一同挤出，形成可降解镁合金-聚合物复合纤维，在3D打印系统的控制下打印出所需要的可降解生物支架8。
所述的可降解镁合金纤维4是根据力学性能进行分级的不同直径系列，纤维直径在0.01mm至0.3mm之间。
所述的可降解聚合物5使用的是PLA(聚乳酸)，通过调节PLA的分子量实现对PLA的降解时间从数月到数年的准确调控。
所述的3D打印过程中需要对可降解聚合物5的PLA材料进行加热熔融，加热温度低于镁合金的熔点和闪点温度，对PLA的加热温度设置为200℃。

Claims (6)

1.一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先将可降解镁合金材料制作成不同力学性能的不同直径的可降解镁合金纤维(4)，并将可降解镁合金纤维(4)穿过同轴式3D打印喷头的喷嘴(3)；
然后在同轴式3D打印喷头的内侧热熔腔(7)中加入可降解聚合物(5)材料，可降解聚合物(5)在熔融后，将可降解镁合金纤维(4)和熔融后的可降解聚合物(5)共同从喷嘴(3)挤出，从而形成可降解镁合金-聚合物复合增强纤维；
最后在3D打印系统的控制下根据个性化设计的支架结构进行3D打印，从而得到镁合金-聚合物复合增强的可降解生物支架(8)。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法，其特征在于：所述的同轴式3D打印喷头为同轴式挤出打印头，可降解镁合金纤维(4)穿过同轴式挤出打印头的中心，可降解聚合物(5)位于可降解镁合金纤维(4)的周围。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法，其特征在于：所述的同轴式3D打印喷头，包括内部为热熔腔(7)的加热块(2)，加热块(2)上端连接有纤维导管(1)，加热块(2)的一侧连接有喉管(6)，加热块(2)下端挤出口位置连接有喷嘴(3)，纤维导管(1)和加热块(2)、喷嘴(3)同轴，保证可降解镁合金纤维(4)在挤出后位于镁合金-聚合物复合纤维的中心并且被可降解聚合物(5)完全均匀包覆。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法，其特征在于：所述的可降解镁合金纤维(4)是根据力学性能进行分级的不同直径系列，纤维直径在0.01mm至0.3mm之间。
5.根据权利要求1所述的一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法，其特征在于：所述的可降解聚合物(5)包括PLA、PLGA和PCL，通过调节可降解聚合物的分子量实现对可降解聚合物的降解时间从数月到数年的准确调控。
6.根据权利要求1所述的一种镁合金-聚合物复合可降解生物支架的3D打印方法，其特征在于：所述的3D打印过程中需要对可降解聚合物材料进行加热熔融，加热温度低于镁合金的熔点和闪点温度，且根据复合聚合物的熔点温度进行设定。
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