CN112535764A - 一种新型3d打印组织填充骨支架的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子材料领域，公开了一种新型3D打印组织填充骨支架制备方法。本发明的制备方法及其技术原理是：利用3D打印机得到PVA牺牲模板，通过溶液浸泡的方法在模板表面得到高分子层，然后去除水溶性模板，最终得到具有内部互联互通支架，在溶液中加入致孔剂以后，支架表面会增加纳米微孔结构。本发明制备工艺简单、制备过程易于实施及控制，容易实现批量制备；本发明获得的填充支架具有三维互通的管状结构，有利于血管的萌生和增值，同时管壁上分布微孔，有利于进行营养物质和气体交换，满足组织工程的使用。

Description

一种新型3D打印组织填充骨支架的制备方法
技术领域
本发明涉及医疗卫生材料技术领域，尤其涉及一种新型3D打印组织填充骨支架的制备方法。
背景技术
当患者发生骨肿瘤(例如骨肉瘤)和其他情况(如骨髓炎等)后，通常需要切除患者的骨病灶。如果从患者体内去除大量的骨组织，则可能发生大面积骨缺损(LBD)，由此产生的缺陷应首先通过骨替代物进行稳定和重建。重建骨组织包括同种异体骨及取自自体骨(如髂骨块)，自体骨给患者增加了病痛甚至引起骨缺损或其它并发症，而同种异体骨组织相容性差，自发性血管生长缓慢，通常每天限制在十分之几微米。在短时间内很难从现有血管中萌发，从而在植入物中获得功能性血管网络，通常会导致植入后缺氧和坏死核心。因而模仿天然血管网络以促进物质交换并允许工程组织的长期存活于体外和体内仍然是组织工程中的关键挑战。
3D打印技术是一种快速制造工艺，传统成型的支架通常只有相对简单的交叉结构，物质交换主要通过自由扩散来进行，对细胞生长不利。因此，设计一种组织填充骨支架的制备方法，使制备的组织填充骨支架具有三维互通的管状结构，有利于血管的萌生和增值，同时管壁上分布微孔，有利于进行营养物质和气体交换，是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种新型3D打印组织填充骨支架的制备方法，利用水溶性材料PVA作为模板，通过溶液浸泡-相分离技术为聚合物支架赋予良好的层次结构，类似于多层次的天然血管网络——包括3D框架、可灌注的微通道和具有渗透功能的多孔壁，孔隙率>95％，增加了支架表面的润湿性，同时有利于细胞进行气体和其他代谢物质交换。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
本发明提供一种新型3D打印组织填充骨支架的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，牺牲模板的设计与打印：使用三维软件进行支架的设计，导出.stl格式文件，用切片软件切片导出G代码，用FDM打印机进行打印得到牺牲模板；
步骤二，在溶剂中浸没：将高分子材料和致孔剂溶解在溶剂中得到浸泡用溶液，将步骤一所得的牺牲模板放置于所述浸泡用溶液中浸泡，取出后于通风橱内风干，得骨支架前体；
步骤三，去除模板和致孔剂：将步骤二所得的骨支架前体放置于去离子水中浸泡，以去除所述牺牲模板和致孔剂，取出后反复漂洗，再将其置于干燥箱中烘干，即得所述新型3D打印组织填充骨支架。
进一步地，所述打印耗材为PVA材料，打印温度为180-210℃，打印速度为3600mm/min，内部填充密度为10％-40％。
进一步地，所述高分子材料为聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)中的一种或几种。
进一步地，所述致孔剂为氯化钠、碳酸氢钠、蔗糖中的一种或几种。
进一步地，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二氯甲烷(DCM)或醋酸中的一种或几种。
进一步地，所述高分子材料的质量与所述溶剂的体积之比为0.01～0.1g/mL。
进一步地，所述通风橱内的温度为20-40℃。
进一步地，步骤二中，所述去离子水温度为20-40℃，所述浸泡时间为6-24小时。
进一步地，所述干燥箱的温度≤50℃。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
采用本发明新型3D打印组织填充骨支架的制备方法，制得的组织填充骨支架具有高孔隙率、高比表面积和良好的生物相容性；与3D打印支架相比，本发明的组织填充骨支架具有内部相互连通的微通道、可渗透性内壁，微通道可为血管化提供物理附着，可渗透性内壁有利于营养物质疏运和气体交换的进行。
本发明的制备方法，所采用的复合溶液可根据实际需要进行配置，通过调整成分及相对比例，可得到不同性能的支架。
本发明的制备方法步骤简单、过程稳定、周期短，同时支持定制，有一定的医用前景。
附图说明
图1为本发明所制备的组织填充骨支架的电镜照片；
图2为传统PCL支架的电镜照片；
图3为本发明组织填充骨支架的制备流程图；
图4为本发明组织填充骨支架的渗透性验证流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
一种新型3D打印组织填充骨支架制备方法，如图3所示，具体是按照以下步骤进行的：
步骤一，利用FDM3D打印机打印PVA支架，打印速度为3600mm/s，打印温度为190℃，支架为20mm×20mm×10mm的立方体，内部填充率为30％，得到PVA牺牲模板。
步骤二，依次称取1.6g的PCL颗粒和0.1g的NaCl粉末加入到20ml的二氯甲烷中，在室温下磁力搅拌2h，使PCL彻底溶解，形成NaCl的悬浮液；将上述PVA牺牲模板完全浸入到上述悬浮溶液中，取出后于通风橱内自然风干，待支架表面的溶液完全固化以后得骨支架前体；
步骤三，将步骤二所得的骨支架前体放置于温度为20-40℃的去离子水中浸泡12小时，取出后反复漂洗2-3次，再将其置于干燥箱中(温度≤50℃)烘干，即得所述新型3D打印组织填充骨支架。
实施例2
一种新型3D打印组织填充骨支架制备方法，如图3所示，具体是按照以下步骤进行的：
步骤一，利用FDM3D打印机打印PVA支架，打印速度为3600mm/s，打印温度为190℃，支架为20mm×20mm×10mm的立方体，内部填充率为25％，得到PVA牺牲模板。
步骤二，依次称取2g的PCL颗加入到20ml的二氯甲烷中，在室温下磁力搅拌2h，使PCL彻底溶解，形成透明溶液；将上述PVA牺牲模板完全浸入到上述透明溶液中，取出后于通风橱内自然风干，待支架表面的溶液完全固化以后得骨支架前体；
步骤三，将步骤二所得的骨支架前体放置于温度为20-40℃的去离子水中浸泡12小时，取出后反复漂洗2-3次，再将其置于干燥箱中(温度≤50℃)烘干，即得所述新型3D打印组织填充骨支架。
实施例3
一种新型3D打印组织填充骨支架制备方法，如图3所示，具体是按照以下步骤进行的：
步骤一，利用FDM3D打印机打印PVA支架，打印速度为3600mm/s，打印温度为190℃，支架为20mm×20mm×10mm的立方体，内部填充率为30％，得到PVA牺牲模板。
步骤二，依次称取1.6g的PCL颗粒和0.6g的羟基磷灰石粉末加入到20ml的二氯甲烷中，在室温下磁力搅拌2h，使PCL彻底溶解，形成羟基磷灰石的悬浮液；将上述PVA牺牲模板完全浸入到上述悬浮溶液中，取出后于通风橱内自然风干，待支架表面的溶液完全固化以后得骨支架前体；
步骤三，将步骤二所得的骨支架前体放置于温度为20-40℃的去离子水中浸泡12小时，取出后反复漂洗2-3次，再将其置于干燥箱中(温度≤50℃)烘干，即得所述新型3D打印组织填充骨支架。
采用显微电镜分别观察本发明所制备的组织填充骨支架以及传统PCL支架，其结果如图1和图2所示，可见传统PCL支架表面比较平滑(图2)，而本发明制备的组织填充骨支架表面具有纳米微孔(图1)，具有高孔隙率、高比表面积。
关于本发明组织填充骨支架的渗透性，采用如图4所示的流程进行验证。采用红色墨水对本发明的组织填充骨支架进行注射，待整个支架注射完成，用吸水纸吸除表面多余的红色墨水，观察渗透、浸润情况。可见红色墨水可渗透整个支架。
本发明的组织填充骨支架具有内部相互连通的微通道、可渗透性内壁，微通道可为血管化提供物理附着，可渗透性内壁有利于营养物质疏运和气体交换的进行。
上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种新型3D打印组织填充骨支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，牺牲模板的设计与打印：使用三维软件进行支架的设计，导出.stl格式文件，用切片软件切片导出G代码，用FDM打印机进行打印得到牺牲模板；
步骤二，在溶剂中浸没：将高分子材料和致孔剂溶解在溶剂中得到浸泡用溶液，将步骤一所得的牺牲模板放置于所述浸泡用溶液中浸泡，取出后于通风橱内风干，得骨支架前体；
步骤三，去除模板和致孔剂：将步骤二所得的骨支架前体放置于去离子水中浸泡，以去除所述牺牲模板和致孔剂，取出后反复漂洗，再将其置于干燥箱中烘干，即得所述新型3D打印组织填充骨支架。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述打印耗材为PVA材料，打印温度为180-210℃，打印速度为3600mm/min，内部填充密度为10％-40％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子材料为聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述致孔剂为氯化钠、碳酸氢钠、蔗糖中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二氯甲烷(DCM)或醋酸中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子材料的质量与所述溶剂的体积之比为0.01～0.1g/mL。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述通风橱内的温度为20-40℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述去离子水温度为20-40℃，所述浸泡时间为6-24小时。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥箱的温度≤50℃。
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