CN108525012A - 一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料及其制备方法 - Google Patents

一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料及其制备方法。该杂化支架材料自上而下依次软骨层、软骨钙化层和软骨下骨层组成，借助3D打印技术将各层紧密结合为一体，其制备方法如下：（1）分别制备各层的杂化凝胶；（2）建立骨软骨一体化支架模型，借助3D打印技术制备预凝胶支架；（3）采用冷冻干燥技术制备骨软骨一体化修复梯度支架。本发明制备的一体化支架同时具备材料梯度和结构梯度，软骨钙化层将软骨层和骨层紧密的连接成一个整体，起到隔离两层间细胞迁移的作用；借助3D打印技术，可根据不同患者的需求，快速、精确的制备个性化的组织工程支架，同时实现支架复杂形貌和内部微结构的一体化构建，因而其具有巨大的应用潜力。

Description

一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料及其制备方法
技术领域
本发明属于医用生物材料制备技术领域，涉及骨软骨三维支架及其制备方法，特别涉及一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料及其制备方法。
背景技术
由于创伤、运动损伤、各种关节炎疾病等因素导致的关节骨软骨缺损在临床上十分常见，主要表现为顽固性疼痛、关节活动障碍，严重影响了患者的生活质量，已成为目前肢体残障的主要原因之一。目前对于这种关节部位骨软骨的缺损治疗困难，尚未取得令人满意的效果，保守治疗与关节清洁手术只能暂时缓解疼痛，不能根治；自体骨软骨移植被认公认为临床治疗骨软骨缺损的金标准，但也存在诸多问题，如来源有限，供体部位易发生病变，以及难以修复较大面积的缺损；而异体骨软骨移植易引发免疫排斥反应，存在传播疾病的可能。近年来，组织工程技术的迅猛发展，为关节骨软骨损伤的再生修复提供了新的解决方案。
国内外学者对组织工程骨软骨复合组织的构建进行了较为深入地研究，从“分层构建”的可行性初探到“一体化构建”的动物实验，研究取得了阶段性成果。然而目前仍有缺损区修复组织质量缺陷、与宿主界面整合欠佳以及缺乏相应力学功能等问题的存在，进而限制了这一关节部位骨软骨缺损再生的治疗策略由动物实验向临床应用的过渡。因此，改善骨软骨复合组织的结构和界面整合情况，在软骨与软骨下骨之间形成有效的骨性结合，设计一体化、呈梯度变化的支架材料成为今后主要的研究方向之一。
天然关节骨软骨结构具有多梯度结构，主要分为透明软骨层、软骨钙化层以及软骨下骨，三部分在组成成分、结构及细胞成分有着明显的差异。理想的工程化骨软骨复合组织构建策略不是将再造的软骨和骨组织简单地缝合或粘合在一起，而是构建具有功能界面（软骨钙化层）的一体化三维支架。软骨钙化层可将软骨牢牢地固定在软骨下骨上，防止其植入体内后软骨从软骨下骨上脱离，有利于植入体与宿主界面的整合。此外，软骨钙化层还是一种特殊的物理屏障，可防止植入细胞在成骨性和成软骨性支架间迁移，促进特定区域细胞利用各自微环境向特定方向增殖、分化。
近年来三维打印技术逐渐成熟并在单一组织工程骨和软骨构建中试用，采用该技术不但可以实现骨软骨复合支架一体化制造，同时还可以满足不同临床需要的特定外形和内部结构，实现个性化定制。
发明内容
为克服现有组织工程骨软骨支架存在的缺点与不足，即与宿主界面整合欠佳，缺乏相应的力学功能等问题，本发明的目的在于提供一种软骨一体化修复梯度杂化支架，在内外结构和机械强度上均满足骨软骨修复的要求，并且实现了支架各层区所需的功能化要求。
本发明的另一目的在于提供上述骨软骨三维支架的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）分别制备软骨层、软骨钙化层和软骨下骨层杂化溶胶；
（2）将上述杂化溶胶分别装入3D-Bioplotter™打印设备的打印料筒中，静置，使溶胶凝胶化，得到相应的杂化凝胶；
（3）依据仿生学的原理以及正常骨软骨缺损的大小及内外结构，应用计算机辅助设计软件建立具有特定外形和仿生空间结构的骨软骨一体化支架CAD模型；
（4）将设计好的骨软骨一体化支架CAD模型转化成快速成型文件格式STL导入所述3D-Bioplotter™打印设备中，使用多喷头打印系统，按照预先设定的参数，打印出三维多孔骨软骨一体化支架；
（5）将步骤（4）得到的三维多孔骨软骨一体化支架置于冰箱中预冻，再置于真空干燥机中冷冻干燥；
（6）将步骤（5）中冻干的三维多孔骨软骨一体化支架浸入碱液中以除去材料中剩余的酸；
（7）用水反复冲洗步骤（6）所得到的三维多孔骨软骨一体化支架，直至PH为中性；然后再置于真空干燥机中直至完全干燥，即得到骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料，该支架材料从上往下依次由软骨层、软骨钙化层和软骨下骨层组成；所述软骨层、软骨钙化层和软骨下骨层具有相互贯通的孔隙。
优选地，步骤（1）所述软骨层杂化溶胶的制备包括以下步骤：
（1）将粘均分子量为10~84万，脱乙酰度为75%~95%的壳聚糖粉体加入到水中制备成质量浓度为5%~13%的悬浊液；
（2）将明胶加入到水中，在40℃~60℃下进行搅拌溶解形成质量分数为10%~20%的明胶溶液，加入硅烷偶联剂，反应1~3 h，得到澄清透明的明胶-硅烷偶联剂中间体溶液；所述硅烷偶联剂为含环氧基、异氰酸酯基或氨基的硅氧烷；所述硅烷偶联剂的用量为明胶摩尔量的0%~40%；
（3）将正硅酸乙酯加入摩尔浓度为1~3.84 mol/L的酸溶液中，搅拌1-10 h使正硅酸乙酯充分水解成二氧化硅，得到澄清透明的水解液，所述酸溶液为盐酸、硝酸、乙酸或乳酸的水溶液；
（4）依次将步骤（2）的明胶-硅烷偶联剂中间体溶液和步骤（3）的水解液加入到步骤（1）的悬浊液中，充分搅拌，混合均匀后，加入pH值为2~6的酸溶液，搅拌使壳聚糖完全溶解，得到不透明的软骨层杂化溶胶；
所述壳聚糖粉体与明胶的质量比为(4~9)：1；所述壳聚糖粉体与二氧化硅的质量比为(1~9)：1。
优选地，步骤（1）所述软骨钙化层杂化溶胶的制备包括以下步骤：
（1）将粘均分子量为10~84万，脱乙酰度为75%~95%的壳聚糖粉体加入到pH值为2~6的酸溶液中，搅拌使壳聚糖粉体充分溶解，得到质量浓度为5~13%的均匀透明的壳聚糖溶液；所述酸溶液为乙酸、乳酸或盐酸的水溶液；
（2）将正硅酸乙酯加入摩尔浓度为1~3.84 mol/L的酸溶液中，搅拌1-10h使正硅酸乙酯充分水解成二氧化硅，得到澄清透明的水解液，所述酸溶液为盐酸、硝酸、乙酸或乳酸的水溶液；
（3）将步骤（2）的水解液加入到步骤（1）所得到的壳聚糖溶液中，搅拌均匀，真空除泡，得到乳白色的钙化层杂化溶胶；
所述壳聚糖粉体与二氧化硅的质量比为(1~2)：1。
优选地，步骤（1）所述软骨下骨层杂化溶胶的制备包括以下步骤：
（1）将粘均分子量为10~84万，脱乙酰度为75%~95%的壳聚糖粉体加入到pH值为2~6的酸溶液中，搅拌使壳聚糖粉体充分溶解，得到质量浓度为5~13%的均匀透明的壳聚糖溶液；所述酸溶液为乙酸、乳酸或盐酸的水溶液；
（2）将正硅酸乙酯加入摩尔浓度为1~3.84 mol/L的酸溶液中，搅拌1-10 h使正硅酸乙酯充分水解成二氧化硅，得到澄清透明的水解液，所述酸溶液为盐酸、硝酸、乙酸或乳酸的水溶液；
（3）依次向步骤（1）的壳聚糖溶液中加入钙源和磷源以制备羟基磷灰石（HA），搅拌使钙源和磷源充分溶解，得混合液，所述钙源为醋酸钙、硝酸钙、氢氧化钙、磷酸氢钙和氯化钙中的一种；所述磷源为磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、磷酸和磷酸三乙酯中的一种；所述钙源和磷源的用量为杂化材料总质量的0~30%，其中钙磷摩尔比为1.67；所述杂化材料包括羟基磷灰石、壳聚糖和二氧化硅；
（4）将步骤（2）的水解液加入到步骤（3）所得到的混合液中，搅拌均匀，真空除泡，得到乳白色的软骨下骨层杂化溶胶；
所述壳聚糖粉体与羟基磷灰石的质量比为(1~3)：1，壳聚糖粉体与二氧化硅的质量比为(1~2)：1。
优选地，步骤（2）所述静置的温度为4~40℃，湿度为30%~70%，时间为1~4d。
优选地，步骤（4）中所述打印的参数条件为：挤出气压力为0~0.58MPa，打印速度为10~30mm/min，平台温度为0℃~10℃。
优选地，步骤（5）中所述置于冰箱中预冻的温度为-20℃，时间为24h~48h；所述冷冻干燥的时间为24h~72h。
优选地，步骤（6）中所述碱液为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠或三羟甲基氨基甲烷的水溶液。
优选地，步骤（7）所述软骨层的厚度为0mm~5mm；软骨钙化层的厚度为100μm ~500μm；软骨下骨层的厚度为5mm~10mm；所述软骨层与软骨下骨层的厚度比为1：(1~3)；所述软骨层的三维多孔结构的孔径为200μm ~600μm；软骨钙化层的三维多孔结构的孔径为20μm~30μm；软骨下骨层的三维多孔结构的孔径为200μm ~600μm。
由以上所述的制备方法制得的一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）组成仿生：分别选用明胶和壳聚糖作为软骨层支架材料，羟基磷灰石，二氧化硅和壳聚糖作为软骨下骨层材料，一方面天然高分子材料的优良生物相容性利于细胞的生长，另一方面可通过调控有机/无机物的比例来调控支架的降解行为和机械强度；选用壳聚糖和二氧化硅作为软骨钙化层支架材料，使界面组成同时具有与软骨相同的壳聚糖和与软骨下骨相同的二氧化硅，即加强了组织间的连接强度，避免了因不同组织伸缩性和溶胀性不同导致的界面分离。
（2）结构仿生：一体化修复梯度杂化支架从上而下依次由软骨层、软骨钙化层和软骨下骨层组成，采用三维快速成型技术，对各层材料的孔隙分别设计，使各层具有不同的孔径及孔隙率，且相互贯通，分别适合骨、软骨的修复重建和营养物质的输送。
（3）采用该技术不但可以实现骨软骨复合支架一体化制造，同时还可以满足不同临床需要的特定外形和内部结构，实现个性化定制，同时具有操作简单、成型精度高、重复性好等优点,可以实现一体化支架制备的规范化、程序化和产业化。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料的制备方法，包括以下步骤：
1.应用计算机辅助设计软件建立CAD模型：直径为8 mm，高为10 mm的圆柱形支架，该支架自上而下由软骨层、软骨钙化层和软骨下骨层三部分组成，其中软骨层厚度为5mm，软骨钙化层厚度为100 μm，软骨下骨层厚度为5 mm，软骨钙化层孔径为0 μm；软骨层和软骨下骨层孔径均为400 μm。
2.将设计好的CAD模型转化成快速成型文件格式（STL）导入3D-Bioplotter™打印设备，使用多喷头打印系统，按照预先设定的参数，打印出三维多孔骨软骨一体化支架。
其中，设定的打印参数为：挤出气压：软骨层（0.58 MPa）、软骨钙化层（0.4 MPa）、软骨下骨层（0.3 MPa）；打印速度：20 mm/s；平台温度为5℃；支架内部孔洞结构为方形。
3.将打印好的支架置于-20℃冰箱中预冻48 h，在于真空干燥机中冷冻干燥48 h。
4.将冻干的支架浸入1mol/L的三羟甲基氨基甲烷水溶液（Tris）中，24 h后取出，用超纯水反复冲洗至中性，再置于真空干燥机中冷冻干燥48h，即得到骨软骨一体化修复梯度杂化支架。
其中，上述的骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料，所述软骨层杂化凝胶制备过程如下：
将粘均分子量为47万、脱乙酰度为85%的壳聚糖（CS）粉末加入到去离子水中，搅拌使其均匀分散，制成浓度为12g/100ml的壳聚糖悬浊液，为A液；称取明胶(Gel)粉末加入到去离子水中，在50℃下进行搅拌使其完全溶解，制成浓度为15 g/100ml的溶液，随后按明胶与偶联剂质量比为10:3的比例加入γ-(2.3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)，反应2 h，得到澄清透明的明胶-硅烷偶联剂中间体溶液，为B液；取20 g硅酸乙酯加入到13.85 mL乙酸溶液（4vol%）中，常温下搅拌6 h使其充分水解，得到C液；分别称取一定量的B液和C液依次加入到A液中，保证CS/Gel质量比为8:2，CS/SiO2质量比为9:1，充分搅拌使其混合均匀，真空除泡，得到乳白色的溶胶，将其装入3D打印料筒中，置于温度为40℃，湿度为50%的恒温恒湿箱中静置24 h，使其充分凝胶，即可得到软骨层杂化凝胶。
其中，上述的骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料，所述软骨钙化层杂化凝胶制备过程如下：
将粘均分子量为47万、脱乙酰度为85%的壳聚糖（CS）粉末加入到4 vol %稀醋酸水溶液中，搅拌至完全溶解，制成浓度为8 g/100ml的壳聚糖储液，为A液；取20 g硅酸乙酯加入到13.85mL乙酸溶液（4 vol %）中，常温下搅拌6 h使其充分水解，得到B液；按照CS/SiO2质量比为10/7的比例将B液加入到A液中，充分搅拌使其混合均匀，真空除泡，得到淡黄色的溶胶，将其装入3D打印料筒中，置于温度为40℃，湿度为50%的恒温恒湿箱中静置56 h，使其充分凝胶，即可得到软骨钙化层杂化凝胶。
其中，上述的骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料，所述软骨下骨层杂化凝胶制备过程如下：
将粘均分子量为47万、脱乙酰度为85%的壳聚糖（CS）粉末加入到4 vol %稀醋酸水溶液中，搅拌至完全溶解，制成浓度为8g/100ml的壳聚糖储液，为A液；取20g硅酸乙酯加入到13.85 mL乙酸溶液（4 vol %）中，常温下搅拌6 h使其充分水解，得到B液；按照CS/HA质量比为5/1的比例分别称取Ca(NO3)2 .4H2O、H3PO4（保证Ca/P摩尔比为1.67）依次加入到A液中，充分搅拌至混合均匀，得到C液；按照CS/SiO2质量比为10/7的比例称取B液加入到C液中，搅拌使其混合均匀，真空除泡，得到乳白色的溶胶，将其装入3D打印料筒中，置于温度为40℃，湿度为50%的恒温恒湿箱中静置50 h，使其充分凝胶，即可得到软骨下骨层杂化凝胶。
力学测试显示，一体化支架的压缩强度为0.21±0.03 MPa，杨氏模量为0.43±0.07MPa。
孔隙率测试表明一体化支架的孔隙率为(46.58±0.44)%。
实施例2
一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料的制备方法，与实施例1基本相同，不同之处在于：
建立的CAD模型：软骨层厚度为2.5mm，软骨下骨层厚度为7.5mm；
所述软骨层杂化凝胶的制备同实施例1。
所述软骨钙化层和软骨下骨层杂化凝胶的制备同实施例1。
所述设定的打印参数为：支架内部孔洞结构为菱形。
力学测试显示，一体化支架的压缩强度为0.28±0.14 MPa，杨氏模量为0.44±0.27MPa。
孔隙率测试表明一体化支架的孔隙率为(41.32±0.46)%。
实施例3
一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料的制备方法，与实施例1基本相同，不同之处在于：
建立的CAD模型：软骨层厚度为2.5 mm，钙化层厚度为150 μm，软骨下骨层厚度为7.5mm。
所述软骨层和软骨钙化层杂化凝胶的制备同实施例1。
所述软骨下骨层杂化凝胶的制备中：按照CS/HA质量比为10/1的比例分别称取Ca(NO3)2 .4H2O、H3PO4（保证Ca/P摩尔比为1.67）依次加入到A液中，充分搅拌至混合均匀，得到C液；将所述得到乳白色的溶胶，将其装入3D打印料筒中，置于温度为40℃，湿度为50%的恒温恒湿箱中静置56 h，使其充分凝胶；
所述设定的打印参数为：挤出气压：软骨下骨层（0.26 MPa）。
力学测试显示，一体化支架的压缩强度为0.26±0.09 MPa，杨氏模量为0.42±0.35MPa。
孔隙率测试表明一体化支架的孔隙率为(43.56±0.27)%。
实施例4
一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料的制备方法，与实施例1基本相同，不同之处在于：
建立的CAD模型：软骨层厚度为2.5 mm，钙化层厚度为200 μm，软骨下骨层厚度为7.5mm。
所述软骨层杂化凝胶的制备中：分别称取一定量的将B液和C液依次加入到A液中，保证CS/Gel质量比为9:1，CS/SiO2质量比为9:1，充分搅拌使其混合均匀，真空除泡，得到乳白色的溶胶，将其装入3D打印料筒中，置于温度为40℃，湿度为50%的恒温恒湿箱中静置30h，使其充分凝胶，即可得到软骨层杂化凝胶。
所述软骨钙化层和软骨下骨层杂化凝胶的制备同实施例1。
所述设定的打印参数为：挤出气压：软骨层（0.5 MPa）。
力学测试显示，一体化支架的压缩强度为0.27±0.21 MPa，杨氏模量为0.42±0.43MPa。
孔隙率测试表明一体化支架的孔隙率为(44.18±0.35)%。
实施例5
一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料的制备方法，与实施例1基本相同，不同之处在于：
所述软骨层杂化凝胶的制备中：分别称取一定量的将B液和C液依次加入到A液中，保证CS/Gel质量比为9:1，CS/SiO2质量比为9:1，充分搅拌使其混合均匀，真空除泡，得到乳白色的溶胶，将其装入3D打印料筒中，置于温度为40℃，湿度为50%的恒温恒湿箱中静置30 h，使其充分凝胶，即可得到软骨层杂化凝胶。
所述软骨钙化层杂化凝胶的制备同实施例1。
所述软骨下骨层杂化凝胶的制备中：按照CS/HA质量比为10/1的比例分别称取Ca(NO3)2 .4H2O、H3PO4（保证Ca/P摩尔比为1.67）依次加入到A液中，充分搅拌至混合均匀，得到C液；将所述得到乳白色的溶胶，将其装入3D打印料筒中，置于温度为40℃，湿度为50%的恒温恒湿箱中静置56 h，使其充分凝胶；
所述设定的打印参数为：挤出气压：软骨层（0.5 MPa），软骨下骨层（0.26 MPa）；支架内部孔洞结构为菱形。
力学测试显示，一体化支架的压缩强度为0.18±0.14 MPa，杨氏模量为0.37±0.28MPa。
孔隙率测试表明一体化支架的孔隙率为(39.42±0.41)%。

Claims (10)

1.一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）分别制备软骨层、软骨钙化层和软骨下骨层杂化溶胶；
（2）将软骨层、软骨钙化层和软骨下骨层杂化溶胶分别装入3D-Bioplotter™打印设备的打印料筒中，静置，使溶胶凝胶化，得到相应的杂化凝胶；
（3）依据仿生学的原理以及正常骨软骨缺损的大小及内外结构，应用计算机辅助设计软件建立具有特定外形和仿生空间结构的骨软骨一体化支架CAD模型；
（4）将设计好的骨软骨一体化支架CAD模型转化成快速成型文件格式STL导入所述3D-Bioplotter™打印设备中，使用多喷头打印系统，按照预先设定的参数，打印出三维多孔骨软骨一体化支架；
（5）将步骤（4）得到的三维多孔骨软骨一体化支架置于冰箱中预冻，再置于真空干燥机中冷冻干燥；
（6）将步骤（5）中冻干的三维多孔骨软骨一体化支架浸入碱液中以除去材料中剩余的酸；
（7）用水反复冲洗步骤（6）所得到的三维多孔骨软骨一体化支架，直至PH为中性；然后再置于真空干燥机中直至完全干燥，即得到骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料，该支架材料从上往下依次由软骨层、软骨钙化层和软骨下骨层组成；所述软骨层、软骨钙化层和软骨下骨层具有相互贯通的孔隙。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述软骨层杂化溶胶的制备包括以下步骤：
（1）将粘均分子量为10~84万，脱乙酰度为75%~95%的壳聚糖粉体加入到水中制备成质量浓度为5%~13%的悬浊液；
（2）将明胶加入到水中，在40℃~60℃下进行搅拌溶解形成质量分数为10%~20%的明胶溶液，加入硅烷偶联剂，反应1~3 h，得到澄清透明的明胶-硅烷偶联剂中间体溶液；所述硅烷偶联剂为含环氧基、异氰酸酯基或氨基的硅氧烷；所述硅烷偶联剂的用量为明胶摩尔量的0%~40%；
（3）将正硅酸乙酯加入摩尔浓度为1~3.84 mol/L的酸溶液中，搅拌1-10 h使正硅酸乙酯充分水解成二氧化硅，得到澄清透明的水解液，所述酸溶液为盐酸、硝酸、乙酸或乳酸的水溶液；
（4）依次将步骤（2）的明胶-硅烷偶联剂中间体溶液和步骤（3）的水解液加入到步骤（1）的悬浊液中，充分搅拌，混合均匀后，加入pH值为2~6的酸溶液，搅拌使壳聚糖完全溶解，得到不透明的软骨层杂化溶胶；
所述壳聚糖粉体与明胶的质量比为(4~9)：1；所述壳聚糖粉体与二氧化硅的质量比为(1~9)：1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述软骨钙化层杂化溶胶的制备包括以下步骤：
（1）将粘均分子量为10~84万，脱乙酰度为75%~95%的壳聚糖粉体加入到pH值为2~6的酸溶液中，搅拌使壳聚糖粉体充分溶解，得到质量浓度为5~13%的均匀透明的壳聚糖溶液；所述酸溶液为乙酸、乳酸或盐酸的水溶液；
（2）将正硅酸乙酯加入摩尔浓度为1~3.84 mol/L的酸溶液中，搅拌1-10h使正硅酸乙酯充分水解成二氧化硅，得到澄清透明的水解液，所述酸溶液为盐酸、硝酸、乙酸或乳酸的水溶液；
（3）将步骤（2）的水解液加入到步骤（1）所得到的壳聚糖溶液中，搅拌均匀，真空除泡，得到乳白色的钙化层杂化溶胶；
所述壳聚糖粉体与二氧化硅的质量比为(1~2)：1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述软骨下骨层杂化溶胶的制备包括以下步骤：
（1）将粘均分子量为10~84万，脱乙酰度为75%~95%的壳聚糖粉体加入到pH值为2~6的酸溶液中，搅拌使壳聚糖粉体充分溶解，得到质量浓度为5~13%的均匀透明的壳聚糖溶液；所述酸溶液为乙酸、乳酸或盐酸的水溶液；
（2）将正硅酸乙酯加入摩尔浓度为1~3.84 mol/L的酸溶液中，搅拌1-10 h使正硅酸乙酯充分水解成二氧化硅，得到澄清透明的水解液，所述酸溶液为盐酸、硝酸、乙酸或乳酸的水溶液；
（3）依次向步骤（1）的壳聚糖溶液中加入钙源和磷源以制备羟基磷灰石，搅拌使钙源和磷源充分溶解，得混合液，所述钙源为醋酸钙、硝酸钙、氢氧化钙、磷酸氢钙和氯化钙中的一种；所述磷源为磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、磷酸和磷酸三乙酯中的一种；所述钙源和磷源的用量为杂化材料总质量的0~30%，其中钙磷摩尔比为1.67；所述杂化材料包括羟基磷灰石、壳聚糖和二氧化硅；
（4）将步骤（2）的水解液加入到步骤（3）所得到的混合液中，搅拌均匀，真空除泡，得到乳白色的软骨下骨层杂化溶胶；
所述壳聚糖粉体与羟基磷灰石的质量比为(1~3)：1，壳聚糖粉体与二氧化硅的质量比为(1~2)：1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述静置的温度为4~40℃，湿度为30%~70%，时间为1~4 d。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述打印的参数条件为：挤出气压力为0~0.58MPa，打印速度为10~30mm/min，平台温度为0℃~10℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中所述置于冰箱中预冻的温度为-20℃，时间为24h~48h；所述冷冻干燥的时间为24h~72h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）中所述碱液为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠或三羟甲基氨基甲烷的水溶液。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（7）所述软骨层的厚度为0mm~5mm；软骨钙化层的厚度为100μm~500μm；软骨下骨层的厚度为5mm~10mm；所述软骨层与软骨下骨层的厚度比为1：(1~3)；所述软骨层的三维多孔结构的孔径为200μm ~600μm；软骨钙化层的三维多孔结构的孔径为20μm~30μm；软骨下骨层的三维多孔结构的孔径为200μm ~600μm。
10.由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的一种骨软骨一体化修复梯度杂化支架材料。
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Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109223255A (zh) * 2018-09-27 2019-01-18 叶川 一种生物凝胶材料、人工膝关节及其制备方法
CN109364302A (zh) * 2018-09-21 2019-02-22 王翀 一种骨软骨修复材料及组织工程支架的制备方法
CN109646715A (zh) * 2019-01-25 2019-04-19 上海交通大学医学院附属第九人民医院 电纺3d打印制备含细胞因子微球的多层软骨复合体
CN109938885A (zh) * 2019-04-21 2019-06-28 西北工业大学 一种基于3dp与激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法
CN110448733A (zh) * 2019-08-30 2019-11-15 宜兴市人民医院 一种三层一体化高仿生软骨缺损修复支架
CN111330084A (zh) * 2020-03-10 2020-06-26 四川大学 一种仿生异质一体化骨-软骨修复支架及其制备方法
CN112402701A (zh) * 2020-11-25 2021-02-26 东莞理工学院 一种诊疗一体化梯度骨软骨仿生支架及其制备方法
CN113172880A (zh) * 2021-05-05 2021-07-27 西北工业大学 一种基于气动精准控制活性软骨支架的连续梯度化仿生制造方法
CN113456303A (zh) * 2020-08-06 2021-10-01 华夏司印(上海)生物技术有限公司 骨软骨支架及其制备方法和应用
CN113478815A (zh) * 2021-06-30 2021-10-08 杭州电子科技大学 一种力学性能高度仿生的骨软骨支架的3d打印方法
CN114099778A (zh) * 2021-09-30 2022-03-01 上海市浦东新区人民医院 骨组织工程学的复合支架
CN114129772A (zh) * 2021-09-30 2022-03-04 上海浩渤医疗科技有限公司 骨组织工程学的复合支架的制备方法
WO2022126426A1 (zh) * 2020-12-16 2022-06-23 中国科学院深圳先进技术研究院 一种负载药物、活性因子、细胞的可控梯度支架及其3d打印方法和专用多喷头3d打印机
CN115814164A (zh) * 2022-11-16 2023-03-21 上海市第六人民医院 一种3d打印一体化多相支架及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101032430A (zh) * 2007-04-13 2007-09-12 中国人民解放军第三军医大学第一附属医院 一种制备含功能界面的组织工程骨软骨仿生一体化支架的方法
CN106963980A (zh) * 2017-04-17 2017-07-21 华南理工大学 一种壳聚糖‑二氧化硅纳米杂化材料的制备方法与应用
CN107661540A (zh) * 2017-10-31 2018-02-06 华南理工大学 一种利用3d打印制备高强度羟基磷灰石‑壳聚糖‑二氧化硅杂化支架的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101032430A (zh) * 2007-04-13 2007-09-12 中国人民解放军第三军医大学第一附属医院 一种制备含功能界面的组织工程骨软骨仿生一体化支架的方法
CN106963980A (zh) * 2017-04-17 2017-07-21 华南理工大学 一种壳聚糖‑二氧化硅纳米杂化材料的制备方法与应用
CN107661540A (zh) * 2017-10-31 2018-02-06 华南理工大学 一种利用3d打印制备高强度羟基磷灰石‑壳聚糖‑二氧化硅杂化支架的方法

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109364302A (zh) * 2018-09-21 2019-02-22 王翀 一种骨软骨修复材料及组织工程支架的制备方法
CN109223255A (zh) * 2018-09-27 2019-01-18 叶川 一种生物凝胶材料、人工膝关节及其制备方法
CN109646715A (zh) * 2019-01-25 2019-04-19 上海交通大学医学院附属第九人民医院 电纺3d打印制备含细胞因子微球的多层软骨复合体
CN109938885A (zh) * 2019-04-21 2019-06-28 西北工业大学 一种基于3dp与激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法
CN110448733A (zh) * 2019-08-30 2019-11-15 宜兴市人民医院 一种三层一体化高仿生软骨缺损修复支架
CN111330084A (zh) * 2020-03-10 2020-06-26 四川大学 一种仿生异质一体化骨-软骨修复支架及其制备方法
CN113456303A (zh) * 2020-08-06 2021-10-01 华夏司印(上海)生物技术有限公司 骨软骨支架及其制备方法和应用
CN112402701A (zh) * 2020-11-25 2021-02-26 东莞理工学院 一种诊疗一体化梯度骨软骨仿生支架及其制备方法
WO2022126426A1 (zh) * 2020-12-16 2022-06-23 中国科学院深圳先进技术研究院 一种负载药物、活性因子、细胞的可控梯度支架及其3d打印方法和专用多喷头3d打印机
CN113172880A (zh) * 2021-05-05 2021-07-27 西北工业大学 一种基于气动精准控制活性软骨支架的连续梯度化仿生制造方法
CN113478815A (zh) * 2021-06-30 2021-10-08 杭州电子科技大学 一种力学性能高度仿生的骨软骨支架的3d打印方法
CN114099778A (zh) * 2021-09-30 2022-03-01 上海市浦东新区人民医院 骨组织工程学的复合支架
CN114129772A (zh) * 2021-09-30 2022-03-04 上海浩渤医疗科技有限公司 骨组织工程学的复合支架的制备方法
CN115814164A (zh) * 2022-11-16 2023-03-21 上海市第六人民医院 一种3d打印一体化多相支架及其制备方法

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