CN109938885A - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，使用3DP技术制备支架软骨下骨层，激光熔覆技术制备软骨层，3DP和激光熔覆技术制备支架钙化层，在实现骨软骨一体化支架精确制备的同时，满足骨软骨支架生物相容性的要求，达到支架各层组织间的连接强度和机械强度要求，制备满足结构梯度和力学梯度仿生的一体化骨软骨支架。
Description
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。
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软骨缺损在临床上十分常见，骨软骨损伤往往是不可逆的，常会引起骨性关节炎，甚至危及生命。关节部位骨软骨复合组织缺损已经成为肢体残障的主要原因之一。目前主要采用植入替代物的方式治疗关节软骨病损，替代物主要包括自体或异体组织、人工软骨等。其中自体或者异体组织存在来源受限、外形匹配困难等难题。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。
关节骨软骨由软骨层、钙化层和软骨下骨层构成，层间以特定的组分和结构紧密连接，并具有不同的组织功能。软骨层负责润滑，软骨下骨主要提供力学支撑，钙化层负责连接关节软骨和软骨下骨，并将两者分隔在各自的微环境中。由于软骨不包含血管或神经，而软骨下骨包含无髓鞘的神经末梢，因此当关节疾病导致疼痛时，软骨下骨可能已经暴露或损伤。有研究指出，软骨下骨层不仅可以为软骨修复提供一个较好的力学环境，也可以使新生软骨在修复过程中与周围正常软骨组织连接更紧密。所以，越来越多人关注到骨软骨损伤一体化的修复的重要性，而不局限于软骨层的修复。
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。一体化构建主要有两种研究方案，一种是分别制备软骨支架和硬骨支架，在体外分别与相应的软骨细胞和成骨细胞培养后，通过缝合、粘结的方法将软骨和软骨下骨部分组装成双层支架，再植入缺损部位。这种方法普遍存在软骨与软骨下骨结合不紧密，长时间培养后易发生分离和脱落的问题。另一种方法是制备一体化骨软骨支架，软骨和软骨下骨部分采用同种或异种材料，通过符合其他材料或加入不同的生长因子来实现同时成骨和成软骨的目的。这种一体化支架可以克服培养期间上下层脱离的问题，但却无法阻止软骨和软骨下骨层间细胞迁移以及血管长入上层软骨导致软骨钙化。导致上述问题的主要原因是支架设计、选材和制备工艺尚存在不足。
聚己内酯(PCL)具有良好的生物相容性、生物可降解性、良好的表面相容性以及良好的力学稳定性，作为制备组织工程多孔支架的材料得到了广泛的应用。羟基磷灰石(HAP)和磷酸三钙(TCP)主要组成元素是磷和钙，是天然骨的主要无机矿物质成分。优点是具有较高的机械强度，同时具有良好的生物降解性、生物相容性和生物活性，能够高度仿生天然骨的生物学性能但存在韧性不足的缺点。
喷墨3D打印(3DP)可以将多种生物活性材料如生物高分子材料、生物陶瓷以及它们的复合材料，逐层打印，制备出孔隙率可控的骨支架。激光融覆技术具有可成型的材料范围广，材料利用率高，原料粉末能起到支撑作用，不需要额外的支撑，可以制备任意复杂形状的零件，成型精度高，过程简单等优点。可通过控制粉末材料的种类、调节加工参数如激光扫描速度、预热粉末的温度、激光功率和分层厚度来制备孔隙三维贯通、具有个性化形状、微观结构的多孔骨支架。将3DP与激光熔覆技术相结合，并复合多种材料，制备骨软骨一体化支架，不仅可以综合单一材料各自的优点，而且还可以同时克服了它们的缺点。
公开号为CN108478871A的专利公布了一种具有一体化修复关节软骨、软骨下骨及两者连接处界面层的支架制备方法，该方法通过将I型胶原等材料注入模具，制备出具有分层结构的骨软骨支架。该方法简单易行，在一定程度上提高了骨层与软骨层之间连接的紧密性与稳定性，但难以成型复杂外形的骨软骨支架，不能实现个性化定制。
CN105749342A的专利公布了一种双向骨软骨修复支架的制备方法，该方法是向羧乙基壳聚糖和氧化透明质酸溶液中加入纳米羟基磷灰石，超声分散得到软骨层水凝胶和软骨下骨层水凝胶，并将两种水凝胶的新界面粘合在一起得到双相骨软骨修复支架。该方法生物相容性好，操作简单，但是该方法制备的软骨组织与硬骨组织的之间缺乏过渡层，在软骨和硬骨的结合面产生了结构的突变，难以阻止植入细胞在成骨性和成软骨性支架间迁移，影响特定区域的细胞各自微环境向特定方向增殖、分化。
组织结构是发挥组织功能的基础，骨软骨支架不仅要具有天然骨软骨的分层结构，还应保证硬骨和软骨层连接的紧密性与稳定性。这就要求所制备的骨软骨在结构上具有高的精度，在成分上具备高的仿生度。快速成型技术能够精准的复制天然骨软骨的结构，可以制备任意复杂形状，并具有成型精度高，过程简单等优点，同时可根据需求进行个性化定制的骨软骨支架，满足多孔骨支架临床需求，在骨软骨的制备上具备独天得厚的优势。基于此，本发明提出了一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法。
发明内容
为克服目前组织工程骨软骨存在的不足，本发明提出了一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，即使用3DP技术制备支架软骨下骨层，激光熔覆技术制备软骨层，3DP和激光熔覆技术制备支架钙化层，在实现骨软骨一体化支架精确制备的同时，满足骨软骨支架生物相容性的要求，达到支架各层组织间的连接强度和机械强度要求，制备满足结构梯度和力学梯度仿生的一体化骨软骨支架。
本发明的技术方案为：
所述一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：依据仿生学原理，根据骨软骨缺损的大小和正常骨软骨的超微结构，应用计算机辅助设计软件建立具有相应解剖外形和仿生内部空间结构的骨软骨支架的三维模型，使用计算机分层处理，分离出软骨层、钙化层、软骨下骨层的三维模型；
步骤2：按照顺序制备支架软骨下骨层、支架钙化层、支架软骨层：
步骤2.1：制备支架软骨下骨层：
步骤2.1.1：选用羟基磷灰石、磷酸三钙和聚己内酯混合粉末作为支架软骨下骨层材料，其中羟基磷灰石的质量分数为57％～61％，磷酸三钙的质量分数为37％～41％，聚己内酯质量分数为1％～2％；
步骤2.1.2：选用浓度为83％～86％磷酸溶液作为粘结剂，并利用步骤2.1.1得到的混合粉末，根据软骨下骨层三维模型，控制3D打印机按照软骨下骨层到钙化层方向逐层打印，直至软骨下骨层打印完毕；
步骤2.2：制备支架钙化层：
步骤2.2.1：选用羟基磷灰石、聚己内酯和氧化锌混合粉末作为支架钙化层材料；其中羟基磷灰石的质量分数为8％～10.5％，聚己内酯的质量分数为88％～90.5％，氧化锌的质量分数为1.5％～2.5％；
步骤2.2.2：根据钙化层三维模型，使用3DP和激光熔覆技术对步骤2.2.1得到的混合粉末进行胶粘熔覆：对每一层混合粉末，先使用粘结剂粘结粉末，再使用激光使粉末熔覆成型；逐层熔覆生成钙化层；
步骤2.3：制备支架软骨层：
步骤2.3.1：选用聚己内酯粉末作为支架软骨层材料，其粒径范围为60～120μm；
步骤2.3.2：根据软骨层三维模型，通过激光对聚己内酯粉末进行选择性熔覆，逐层熔覆生成软骨层；
步骤3：取出支架，对支架进行后处理。
进一步的优选方案，所述一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：步骤2.1.2打印过程中的铺粉厚度为0.09～0.11mm，粘结剂的控制用量为0.28～0.32L/m2。
进一步的优选方案，所述一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：步骤2.2.2中粉床温度48℃～50℃，激光束直径0.50～0.75mm，扫描速度1000～1100mm/s，扫描间距0.10～0.14mm，铺粉厚度0.05～0.10mm，激光功率4～5W。
进一步的优选方案，所述一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：步骤2.2.2中粘结剂选用浓度为2％的聚乙烯醇溶液。
进一步的优选方案，所述一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：步骤2.3.2中粉床温度48℃～50℃，激光束直径0.75～0.90mm，扫描速度1200～1300mm/s，扫描间距0.18～0.22mm，铺粉厚度0.10～0.14mm，激光功率3～4W。
进一步的优选方案，所述一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：步骤2.1.1和步骤2.2.1中混合粉末通过V型混料机混合1h制备得到。混合时间短，影响粉末的混合均匀度，导致支架的力学性能降低；混合时间长，粉末混合均匀度改善有限，造成时间和资源的浪费；混合1h，粉末混合均匀度佳，可保证支架力学性能。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果
(1)结构功能特点：
①选用三维打印技术(3DP)制备支架软骨下骨层，羟基磷灰石和磷酸三钙以最佳比例混合，选用磷酸粘结剂进行优化、聚己内酯进行增韧，使得支架软骨下骨层具有良好的力学性能和生物相容性。
②以PCL为基体材料，HAP作为增强材料，通过调节特定的加工参数，使支架钙化层既具备聚己内酯的可塑性、韧性和生物相容性又具备羟基磷灰石优良的骨诱导能力，机械性能和生物活性。
③采用3DP和激光熔覆技术制备支架钙化层，制备的钙化层结构紧密、精度高，可有效阻止植入细胞在成骨性和成软骨性支架间迁移，保证不同细胞生长的微环境，利于细胞利用向特定方向增殖、分化，从而形成与天然软骨生物学性能相似的骨软骨一体化支架。
(2)组成功能特点：
①选用羟基磷灰石、磷酸三钙和聚己内酯制备支架软骨下骨层，一方面有利于成骨细胞粘附、增生和分化；另一方面可以增强支架的机械强度和韧性。
②选用聚己内酯制备支架软骨层，一方面聚己内酯有良好的生物相容性利于细胞粘附、生长；另一方面采用激光熔融工艺，使得聚己内酯能定点定量的成型，成型支架结构更为精确。
③选用羟基磷灰石、聚己内酯和氧化锌制备支架钙化层，一方面可以通过控制氧化锌比例来调控支架降解速度，另一方面是制备的钙化层结构具有良好的致密性和机械强度。钙化层采用特定的基体材料及其配比参数，保证了软骨下骨和软骨层材料的平稳过渡，避免了因不同组织伸缩性和溶胀性不同导致的界面分离，在软骨与软骨下骨之间形成有效的骨性结合，加强了组织的连接强度。
(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，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。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出了一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，即使用3DP技术制备支架软骨下骨层，激光熔覆技术制备软骨层，3DP和激光熔覆技术制备支架钙化层，在实现骨软骨一体化支架精确制备的同时，满足骨软骨支架生物相容性的要求，达到支架各层组织间的连接强度和机械强度要求，制备满足结构梯度和力学梯度仿生的一体化骨软骨支架。
具体步骤为：
步骤1：依据仿生学原理，根据骨软骨缺损的大小和正常骨软骨的超微结构，应用计算机辅助设计软件建立具有特定解剖外形和仿生内部空间结构的骨软骨支架的三维模型，使用计算机分层处理，分离出软骨层、钙化层、软骨下骨层的三维模型，将软骨下骨层分割成间距0.2mm的二维界面图形N1份，将钙化层分割成间距0.05mm的二维界面图形N2份，将软骨层分割成间距0.1mm的二维界面图形N3份，将数据导入三维成型机中。
步骤2：按照顺序制备支架软骨下骨层、支架钙化层、支架软骨层：
步骤2.1：制备支架软骨下骨层：
步骤2.1.1：选用羟基磷灰石、磷酸三钙和聚己内酯混合粉末作为支架软骨下骨层材料，其中羟基磷灰石的质量分数为59％，磷酸三钙的质量分数为39％，聚己内酯质量分数为2％；使用V型混料机将三种粉末混合1h，得到支架软骨下骨层混合粉末；
步骤2.1.2：选用浓度为85％磷酸溶液作为粘结剂，并利用步骤2.1.1得到的混合粉末，根据软骨下骨层三维模型，控制3D打印机按照软骨下骨层到钙化层方向逐层打印，直至软骨下骨层打印完毕；打印过程中铺粉厚度0.10mm，粘结剂的控制用量为0.30L/m2。
步骤2.2：制备支架钙化层：
步骤2.2.1：选用羟基磷灰石、聚己内酯和氧化锌混合粉末作为支架钙化层材料；其中羟基磷灰石的质量分数为10％，聚己内酯的质量分数为88％，氧化锌的质量分数为2％；使用V型混料机将三种粉末混合1h，得到支架钙化层混合粉末；
步骤2.2.2：根据钙化层三维模型，使用3DP和激光熔覆技术对步骤2.2.1得到的混合粉末进行胶粘熔覆：对每一层混合粉末，先使用粘结剂粘结粉末，再使用激光使粉末熔覆成型；逐层熔覆生成钙化层；其中粉床温度49℃，激光束直径0.6mm，扫描速度1050mm/s，扫描间距0.50mm，铺粉厚度0.05mm，激光功率4.5W，粘结剂选用浓度为2％的聚乙烯醇溶液。
步骤2.3：制备支架软骨层：
步骤2.3.1：选用聚己内酯粉末作为支架软骨层材料，其粒径范围为60～120μm；
步骤2.3.2：根据软骨层三维模型，通过激光对聚己内酯粉末进行选择性熔覆，逐层熔覆生成软骨层；其中粉床温度49℃，激光束直径0.8mm，扫描速度1250mm/s，扫描间距0.20mm，铺粉厚度0.12mm，激光功率3.5W。
步骤3：取出支架，对支架进行后处理。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：依据仿生学原理，根据骨软骨缺损的大小和正常骨软骨的超微结构，应用计算机辅助设计软件建立具有相应解剖外形和仿生内部空间结构的骨软骨支架的三维模型，使用计算机分层处理，分离出软骨层、钙化层、软骨下骨层的三维模型；
步骤2：按照顺序制备支架软骨下骨层、支架钙化层、支架软骨层：
步骤2.1：制备支架软骨下骨层：
步骤2.1.1：选用羟基磷灰石、磷酸三钙和聚己内酯混合粉末作为支架软骨下骨层材料，其中羟基磷灰石的质量分数为57％～61％，磷酸三钙的质量分数为37％～41％，聚己内酯质量分数为1％～2％；
步骤2.1.2：选用浓度为83％～86％磷酸溶液作为粘结剂，并利用步骤2.1.1得到的混合粉末，根据软骨下骨层三维模型，控制3D打印机按照软骨下骨层到钙化层方向逐层打印，直至软骨下骨层打印完毕；
步骤2.2：制备支架钙化层：
步骤2.2.1：选用羟基磷灰石、聚己内酯和氧化锌混合粉末作为支架钙化层材料；其中羟基磷灰石的质量分数为8％～10.5％，聚己内酯的质量分数为88％～90.5％，氧化锌的质量分数为1.5％～2.5％；
步骤2.2.2：根据钙化层三维模型，使用3DP和激光熔覆技术对步骤2.2.1得到的混合粉末进行胶粘熔覆：对每一层混合粉末，先使用粘结剂粘结粉末，再使用激光使粉末熔覆成型；逐层熔覆生成钙化层；
步骤2.3：制备支架软骨层：
步骤2.3.1：选用聚己内酯粉末作为支架软骨层材料，其粒径范围为60～120μm；
步骤2.3.2：根据软骨层三维模型，通过激光对聚己内酯粉末进行选择性熔覆，逐层熔覆生成软骨层；
步骤3：取出支架，对支架进行后处理。
2.根据权利要求1所述一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：步骤2.1.2打印过程中的铺粉厚度为0.09～0.11mm，粘结剂的控制用量为0.28～0.32L/m2。
3.根据权利要求1所述一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：步骤2.2.2中粉床温度48℃～50℃，激光束直径0.50～0.75mm，扫描速度1000～1100mm/s，扫描间距0.10～0.14mm，铺粉厚度0.05～0.10mm，激光功率4～5W。
4.根据权利要求1所述一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：步骤2.2.2中粘结剂选用浓度为2％的聚乙烯醇溶液。
5.根据权利要求1所述一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：步骤2.3.2中粉床温度48℃～50℃，激光束直径0.75～0.90mm，扫描速度1200～1300mm/s，扫描间距0.18～0.22mm，铺粉厚度0.10～0.14mm，激光功率3～4W。
6.根据权利要求1所述一种基于3DP和激光熔覆复合工艺制备骨软骨一体化支架的方法，其特征在于：步骤2.1.1和步骤2.2.1中混合粉末通过V型混料机混合1h制备得到。
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