CN110882419A - 一种自固化磷酸钙骨水泥支架及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种制备自固化磷酸钙骨水泥支架的方法,首先混合磷酸氢钙与碳酸钙粉末,干燥后煅烧,冷却后湿法球磨,干燥得到α‑TCP粉末;在超纯水中依次加入明胶、海藻酸钠溶解,得到骨水泥固化液;将α‑TCP粉末与骨水泥固化液混合,得到自固化磷酸钙骨水泥3D打印墨水,将墨水装入打印料筒,采用垂直层积3D打印机在20‑30℃进行打印,打印完毕后,室温下固化,得到自固化磷酸钙骨水泥支架。本发明利用磷酸钙骨水泥可塑性和自固化性的特点,制备的3D打印骨修复支架固化后生物相容性好,具备良好的力学性能。本发明的制备方法简单,无需进行额外化学交联步骤,在临床个性化治疗骨缺损领域有广阔的应用前景。

Description

一种自固化磷酸钙骨水泥支架及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物工程领域,涉及一种生物医用材料,具体来说是一种自固化磷酸钙骨水泥支架及其制备方法和应用。
背景技术
近年来,3D打印技术应用于临床,通过CT数据重建,构建符合患者创伤形状的修复模型,被证明在临床个性化治疗方面具有良好的应用前景。
3D打印技术在组织工程学制备骨修复材料方面已有一些应用,研究的材料也比较广泛,体内可降解材料包括可降解聚酯类聚合物支架,胶原、海藻酸钠交联支架,羟基磷灰石等无机钙类支架等。
骨组织工程方面,3D打印技术不仅可用于构建与缺损匹配的材料模型,也可用于调控修复材料的孔径、孔隙率,使其更适合细胞和血管生长,提升创伤的治愈修复能力。
羟基磷灰石由于其与天然骨的无机成分的化学结构相似,具有良好的生物相容性和促骨生长能力,得到了广泛的研究和应用。传统的3D打印技术制备羟基磷灰石支架,主要通过羟基磷灰石粉末与粘合剂复合后进行打印,再进行高温煅烧的方法制备,制备过程繁琐,且不利于负载生物活性药物。而传统的骨水泥技术制备骨修复支架,由于骨水泥调和浆的注射性较差、粘度较低,无法进行3D打印个性化制备。而且,传统羟基磷灰石支架的制备方法需要进行煅烧过程,制备过程繁琐,不利于负载生物活性药物。
海藻酸钠是从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇之后的副产物,其分子由β-D-甘露糖醛酸(β-D-mannuronic,M)和α-L-古洛糖醛酸(α-L-guluronic,G)按(1→4)键连接而成,是一种天然多糖,具有药物制剂辅料所需的稳定性、溶解性、粘性和安全性,已经在食品工业和医药领域得到了广泛应用。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题,本发明提供了一种自固化磷酸钙骨水泥支架及其制备方法和应用,所述的这种自固化磷酸钙骨水泥支架及其制备方法和应用要解决现有技术中的传统羟基磷灰石支架注射性较差、粘度较低,无法进行3D打印个性化制备的技术问题。
本发明提供了一种制备自固化磷酸钙骨水泥支架的方法,包括以下步骤:
(1)按摩尔比2:1混合磷酸氢钙粉末与碳酸钙粉末,干燥后用马弗炉在1250-1400℃煅烧2-4h后取出,鼓风环境下冷却,之后用氧化锆球磨,乙醇为球磨介质,400~500rpm湿法球磨3~6h,干燥,得到α-TCP粉末;
(2)在超纯水中依次加入明胶、海藻酸钠溶解,使得明胶的浓度为5-10%(w(g)/v(mL)),海藻酸钠的浓度为0.5-2%(w(g)/v(mL)),得到骨水泥固化液;
(3)将步骤(1)的α-TCP粉末与骨水泥固化液按固液比0.6-1g/mL进行混合,得到自固化磷酸钙骨水泥3D打印墨水,将墨水装入打印料筒,出料针头选用0.2-0.5mm,采用垂直层积3D打印机在环境温度20-30℃进行打印,打印完毕后,室温下固化,得到自固化磷酸钙骨水泥支架。
进一步的,步骤(1)所述的磷酸氢钙与碳酸钙的混合方式为纯水介质中湿法球磨,球磨速度为400rpm,球磨时间为2-4h;干燥方式为置于80℃烘箱中干燥过夜。
进一步的,步骤(2)所述明胶、海藻酸钠溶液的配制方式为50℃恒温水浴中磁力搅拌溶解;海藻酸钠粉末的粘度为500-1000mPa.s。
进一步的,步骤(3)中,α-TCP粉末与骨水泥固化液的混合方式为50℃水浴下磁力搅拌混合5min。
本发明还提供了一种自固化磷酸钙骨水泥支架,根据上述方法制备得到。
本发明还提供了上述基于3D打印自固化磷酸钙骨水泥支架在个性化3D打印领域的应用。
本发明通过高温煅烧法和高速球磨制备具有表面活性的α-TCP粉末;配制明胶/海藻酸钠混合溶液作为α-TCP粉末的分散液和骨水泥固化液;将上述粉末和溶液按比例混合后,作为3D打印“墨水”,采用垂直层积3D打印机在常温下进行打印,打印完毕后,室温下固化48h,得到自固化磷酸钙骨水泥支架。
将本发明制备的α-TCP粉末与水溶液混合,可以形成具备可塑性、自固化性的骨水泥,最终固化产物为缺钙型羟基磷灰石。利用以上特性,本发明使用明胶、海藻酸钠的混合溶液,作为α-TCP的分散剂和固化液,使其调和浆具有良好注射性的同时,也具有能进行逐层堆积的粘度,适用于垂直沉积式3D打印。打印完毕后,该骨水泥在48h内完成固化,形成具备一定力学强度的羟基磷灰石支架。整个3D打印过程在常温下进行,一步反应生成羟基磷灰石支架,无需进行高温煅烧使羟基磷灰石烧结和去除粘合剂,制备工艺更加简便。
本发明通过明胶、海藻酸钠溶液调节骨水泥作为3D打印“墨水”的注射性、粘性和逐层堆积能力,使其可应用于常温下逐层沉积法3D打印制备。通过明胶、海藻酸钠调节骨水泥的注射性形成适于3D打印堆叠沉积的凝胶,3D打印成型后,通过α-TCP的水化反应形成以羟基磷灰石为主体的支架,具有良好的力学强度和促骨生长能力,可个性化匹配患者的骨缺损部位。
本发明利用磷酸钙骨水泥可塑性和自固化性的特点,制备的3D打印骨修复支架固化后以羟基磷灰石为主体,生物相容性好,具备良好的力学性能;制备方法简单,无需进行额外化学交联步骤,在临床个性化治疗骨缺损领域有广阔的应用前景。
本发明和已有技术相比,其技术进步是显著的。
1、测试支架抗压强度为6.75±1.37MPa,材料的力学性能满足松质骨水平。
2、本发明通过3D打印技术制备磷酸钙骨水泥支架,利用磷酸钙骨水泥的可塑性和自固化性能,制备与骨创伤相匹配的骨修复支架,适用于临床个性化治疗。
3、3D打印磷酸钙骨水泥支架通过α-TCP的水化反应完成固化,无须进行其他交联反应,制备方法简单,同时支架具有良好的力学性能;固化产物主要为缺钙型羟基磷灰石,与天然骨无机成分相似,生物相容性良好。
附图说明
图1是所制备自固化磷酸钙骨水泥支架的实物图;
图2是固化产物XRD谱图,结晶峰清晰、尖锐,主要峰位置符合羟基磷灰石的标准pdf谱图。
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
(1)α-TCP的制备:
按摩尔比2:1称量磷酸氢钙粉末和碳酸钙粉末,使用适量无水乙醇为介质湿法球磨,转速400rpm,球磨时间4h,球磨珠与粉末质量比为2:1。原料混合液通过旋转蒸发除去乙醇,置于60℃烘箱中干燥24h。将干燥后的粉末置于马弗炉中,1400℃煅烧2h后取出,在鼓风环境下急速冷却。将冷却后的粉末以无水乙醇为介质湿法球磨,转速450rpm,用氧化锆球磨罐球磨6h,球磨珠与粉末质量比为4:1。粉末悬浊液置于80℃烘箱中充分干燥,制备得到α-TCP粉末。
(2)称取0.5g明胶加入10mL超纯水中,在50℃水浴中磁力搅拌溶解;之后加入粘度为500-1000mPa.s海藻酸钠粉末0.2g,搅拌溶解,得到明胶浓度5%(w(g)/v(mL))、海藻酸钠浓度2%(w(g)/v(mL))的混合溶液。向混合溶液中加入6g实施例1(1)中制备的α-TCP粉末,磁力搅拌5min,制得3D打印“墨水”,转移至打印料筒,出料针头选用0.4mm,采用垂直层积3D打印机在常温下打印直径为4mm的圆柱体(如附图1所示),打印完毕后,室温下固化48h,得到自固化磷酸钙骨水泥支架。测试支架抗压强度为3.75±0.75MPa。
实施例2
称取1g明胶加入10mL超纯水中,在50℃水浴中磁力搅拌溶解;之后加入粘度为500-1000mPa.s海藻酸钠粉末0.05g,搅拌溶解,得到明胶浓度10%(w(g)/v(mL))、海藻酸钠浓度0.5%(w(g)/v(mL))的混合溶液。向混合溶液中加入6g实施例1(1)中制备的α-TCP粉末,磁力搅拌5min,制得3D打印“墨水”,转移至打印料筒,出料针头选用0.4mm,采用垂直层积3D打印机在常温下打印直径为4mm的圆柱体,打印完毕后,室温下固化48h,得到自固化磷酸钙骨水泥支架。测试支架抗压强度为4.50±1.05MPa。
实施例3
称取1g明胶加入10mL超纯水中,在50℃水浴中磁力搅拌溶解;之后加入粘度为500-1000mPa.s海藻酸钠粉末0.05g,搅拌溶解,得到明胶浓度10%(w(g)/v(mL))、海藻酸钠浓度0.5%(w(g)/v(mL))的混合溶液。向混合溶液中加入10g实施例1(1)中制备的α-TCP粉末,磁力搅拌5min,制得3D打印“墨水”,转移至打印料筒,出料针头选用0.4mm,采用垂直层积3D打印机在常温下打印直径为4mm的圆柱体(如附图1所示),打印完毕后,室温下固化48h,得到自固化磷酸钙骨水泥支架。测试支架抗压强度为6.75±1.37MPa。

Claims (6)

1.一种制备自固化磷酸钙骨水泥支架的方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)按摩尔比2:1混合磷酸氢钙粉末与碳酸钙粉末,干燥后用马弗炉在1250-1400℃煅烧2-4h后取出,鼓风环境下冷却,之后用氧化锆球磨,乙醇为球磨介质,400~500rpm湿法球磨3~6h,干燥,得到α-TCP粉末;
(2)在超纯水中依次加入明胶、海藻酸钠溶解,使得明胶的浓度为5-10%(w(g)/v(mL)),海藻酸钠的浓度为0.5-2%(w(g)/v(mL)),得到骨水泥固化液;
(3)将步骤(1)的α-TCP粉末与骨水泥固化液按固液比0.6-1g/mL进行混合,得到自固化磷酸钙骨水泥3D打印墨水,将墨水装入打印料筒,出料针头选用0.2-0.5mm,采用垂直层积3D打印机在环境温度20-30℃进行打印,打印完毕后,室温下固化,得到自固化磷酸钙骨水泥支架。
2.根据权利要求1所述的一种制备自固化磷酸钙骨水泥支架的方法,其特征在于,步骤(1)所述的磷酸氢钙与碳酸钙的混合方式为纯水介质中湿法球磨,球磨速度为400rpm,球磨时间为2-4h;干燥方式为置于80℃烘箱中干燥过夜。
3.根据权利要求1所述的一种制备自固化磷酸钙骨水泥支架的方法,其特征在于,步骤(2)所述明胶、海藻酸钠溶液的配制方式为50℃恒温水浴中磁力搅拌溶解;海藻酸钠粉末的粘度为500-1000mPa.s。
4.根据权利要求1所述的一种制备自固化磷酸钙骨水泥支架的方法,其特征在于,步骤(3)中,α-TCP粉末与骨水泥固化液的混合方式为50℃水浴下磁力搅拌混合5min。
5.一种自固化磷酸钙骨水泥支架,其特征在于,根据权利要求1-4任一所述方法制备得到。
6.权利要求5所述基于3D打印自固化磷酸钙骨水泥支架在个性化3D打印领域的应用。
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