CN113368304B - 一种利用基于原位乳化的3d打印技术制备包埋载药微球的多功能海藻酸钠支架的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用基于原位乳化的3D打印技术制备包埋载药微球的多功能海藻酸钠支架的方法，其目的是提供一种多功能骨缺损修复支架材料的制备方法。其特征在于：以生物活性物质卵磷脂为乳化剂，将溶有抗菌或抗炎药物的氨基化改性聚乳酸溶液分散在海藻酸钠溶液中形成稳定的乳液，然后利用低温3D打印技术原位构建包埋有载药微球的海藻酸钠支架，并以二价锶离子（Sr²⁺）作为交联剂提高支架的机械性能和成骨活性。本发明的特点在于所制备支架可根据患者骨缺损部位特征进行个性化设计，且制备的支架具有良好的生物活性、成骨能力、机械性能及抗菌消炎等多重功能，在骨组织工程领域具有潜在的应用前景。

Description

一种利用基于原位乳化的3D打印技术制备包埋载药微球的多 功能海藻酸钠支架的方法

技术领域

本发明属于骨修复生物材料技术领域，具体涉及一种利用基于原位乳化的3D打印技术制备包埋载药微球的多功能海藻酸钠支架的方法。

背景技术

由各种创伤、肿瘤切除或感染等导致的患者部分骨质的丧失而形成的较大尺寸骨缺损的修复治疗是目前临床医学面临的一个巨大挑战。由于修复此类骨缺损常用的自体骨移植、异体骨移植和人工骨移植等方法存在着供区有限、易产生免疫排斥反应、缺乏骨诱导活性等不足而限制了其临床应用，因此开发具有高生物活性和成骨能力的新型再生骨缺损修复材料成为骨修复领域亟待解决的问题。随着组织工程技术的不断发展，骨组织工程已被证明是骨缺损修复的一种有效方法。在组织工程技术中，作为种子细胞载体的组织工程支架是决定组织工程研究成败的关键因素，也是组织工程领域的研究重点。在构建骨修复支架时需要在成分和结构上对天然骨进行仿生来实现良好的修复效果。由各种原因所引起的骨缺损一般都具有不规则的复杂形状和特殊的内部孔隙结构，粒子沥滤法、相分离/冷冻干燥法及静电纺丝法等多孔支架传统的制备方法都无法做到对支架材料的形状和内部孔隙结构进行精确控制使其与患者不规则骨缺损区完全契合，从而影响了植入后的修复效果。而3D打印技术是一种通过计算机控制，依据3D模型，使用3D打印机将材料层层打印，逐层添加的3D模型制造技术，它不仅可以个性化定制支架的外部形状，而且还能精准地控制支架的内部细微的孔隙结构，因此在骨组织工程支架的制备领域有着广阔的发展前景。

利用3D打印技术研发制备功能性组织工程支架的一大重点是需要有优异性能的生物墨水。胶原、纤维蛋白、藻酸盐及壳聚糖等天然高分子材料因其具有良好的生物相容性、组织可吸收性、低免疫原性及取材方便等优点而在组织工程支架的应用中得到广泛的研究，是一种较为理想的细胞外基质替代材料。海藻酸钠是从褐藻类的海带或马尾藻中提取而来的一种天然聚合物，具有良好的生物相容性、生物可降解性和无毒性，而且来源丰富，价格低廉，是骨组织工程较为理想的候选材料之一。然而，纯的海藻酸钠支架机械性能差、成骨活性低，因此在实际应用中受到一定的限制，而且构建的支架缺乏抗菌抗炎的活性，容易因为骨移植过程诱发的细菌感染和并发的炎症反应而导致手术失败。因此，如何提高3D打印海藻酸钠支架的机械性能和成骨活性，构建具有抗菌消炎活性的多功能支架是实现将3D打印海藻酸钠支架成功应用于骨科临床所必须解决的关键技术问题。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的是提供一种利用基于原位乳化的3D打印技术制备包埋载药微球的多功能海藻酸钠支架的方法。其特征在于：以卵磷脂为乳化剂，将溶有抗菌或抗炎药物的氨基化改性聚乳酸溶液分散在海藻酸钠溶液中形成一个稳定的O/W型乳液体系，然后利用低温3D打印技术原位构建包埋有载药微球的海藻酸钠支架，并以二价锶离子（Sr²⁺）作为交联剂提高支架的机械性能和成骨活性。卵磷脂是细胞膜的主要成分，它含有亲水性的磷酸基基团，可以有效促进成骨和细胞的黏附，因此在海藻酸钠支架材料中添加卵磷脂可以提高支架的细胞相容性和成骨活性。此外，卵磷脂还是一种天然的表面活性剂，可作为乳化剂制备稳定的乳液体系，并使分散在乳液中的液滴在低温3D打印过程的低温条件下固化成载药微球，原位构建出包埋载药微球的支架。以多氨基化合物改性聚乳酸可以提高聚乳酸材料的亲水性，使聚乳酸微球可以有效负载各种亲、疏水性的抗菌、抗炎药物，而且聚乳酸微球对药物具有缓释作用，可以使支架具有长效的抗菌消炎的活性。Sr²⁺具有促进成骨细胞生成，抑制骨吸收过程，刺激骨骼生长发育的作用，通过Sr²⁺的交联作用不仅可以提高支架的机械性能，而且还可以提高支架的成骨活性。因此采用本发明所提出的这种基于原位乳化的3D打印技术可以制备出具有良好的生物活性、成骨能力、机械性能及抗菌消炎功能的个性化多功能海藻酸钠支架。

具体包括如下步骤：

1）将聚左旋乳酸溶解于1,4-二氧六环溶剂中配制成浓度为1 wt%的均相溶液，往所得的溶液中加入浓度为1.2 wt%的乙二胺水溶液，60 ℃水浴下反应30 min后放入-80 ℃的冷冻干燥机中干燥得到氨基化改性聚乳酸。

2） 称取一定量的卵磷脂和海藻酸钠溶解于4 wt%的乙醇水溶液得到海藻酸钠溶液，其中卵磷脂的浓度为1~3 wt%。

3）将步骤1）制备得到的氨基化改性聚乳酸和药物溶解于1,4-二氧六环溶剂中得到溶有药物的改性聚乳酸溶液，其中改性聚乳酸的浓度为2~3 wt%，药物浓度为0.2~0.3wt%。

4） 在快速搅拌下将5 g步骤3）制备得到的改性聚乳酸溶液逐滴滴加到10~15 g步骤2）制备得到的海藻酸钠溶液中，搅拌均匀后形成聚乳酸液滴均匀分散于海藻酸钠溶液的稳定乳液，调节其中海藻酸钠的量使其浓度为3.5~4.5 wt%，得到具有适宜粘度的3D打印浆料。

5）将步骤4）制备得到的打印浆料注入3D打印机的料筒中，设置好打印温度、挤出气压、打印速度等打印条件，选择好3D模型，在-15~-25 ℃的低温打印温度条件下实现个性化三维多孔支架的构建。

6）将步骤5）制备得到的3D打印支架置于-20 ℃的低温条件下冷冻4 h使聚乳酸液滴更好地固化成球。将固化后的支架置于25 mL1.5~3.0%的Sr(NO₃)₂溶液中浸泡3~10 min。经Sr²⁺交联后的支架用去离子水洗涤除去多余的Sr²⁺，冷冻干燥后得到包埋聚乳酸载药微球的多功能3D打印海藻酸钠支架。

采用上述方案制备得到的3D打印海藻酸钠支架具有如下特点：①支架的形状、尺寸及内部孔隙结构可控，可根据骨缺损部位特征进行个性化设计。②包埋载药微球支架的传统制备方法是通过先制备载药微球然后再将载药微球分散于支架材料中的两步法完成的。本发明利用基于原位乳化的3D打印技术可实现一步法构建包埋载药微球的支架，方法简单、操作简便，而且还可避免两步法中制备的载药微球在洗涤过程中引起的药物流失，不仅使药物的负载率提高，而且微球的载药量稳定、易于控制，方便实际临床应用时给药量的计算。③制备乳液时使用一种天然的生物活性物质——卵磷脂作为乳化剂，避免载药微球传统的制备方法大量使用化学表面活性剂对人体产生的毒副作用，而且卵磷脂分子中含有亲水性的磷酸基基团，可以有效促进成骨和细胞的黏附，使构建的支架具有良好的细胞相容性和成骨活性。④以氨基化改性聚乳酸为囊材制备载药微球，由于亲水性的提高可以同时有效负载各种亲、疏水性的抗菌、抗炎的药物，而且微球对药物具有缓释作用，因此使制备的支架具有长效的抗菌消炎活性。⑤以具有促骨生长作用的Sr²⁺作为交联剂不仅使制备的支架机械性能增强，而且还提高了支架的成骨活性。综上所述，采用本发明提供的方法制备的3D打印海藻酸钠支架是一种具有良好的生物活性、成骨能力、机械性能及抗菌消炎功能的个性化多功能支架。

附图说明

图1为实施例1中制得的3D打印海藻酸钠支架的扫描电镜(SEM)图。

图2为实施例1中制得的3D打印海藻酸钠支架的力学性能曲线。

图3为实施例1中制得的3D打印海藻酸钠支架的体外药物释放曲线。

图4为实施例1中制得的3D打印海藻酸钠支架体外细胞培养的增殖实验结果。

图5为实施例1中制得的3D打印海藻酸钠支架负载细胞培养24 h得到的荧光共聚焦显微镜图。

图6为实施例1中制得的3D打印海藻酸钠支架体外细胞成骨分化的茜素红染色结果图。

图7为实施例1中制得的3D打印海藻酸钠支架体外细胞成骨分化的ALP染色结果图。

具体实施方式

实施例1

1）氨基化改性聚乳酸的制备：在60℃水浴下，将聚左旋乳酸颗粒溶解于1，4-二氧六环溶剂中配制成浓度为1 wt%的均相溶液，往所得的均相溶液中加入浓度为1.2 wt%的乙二胺水溶液，反应30 min后冷却至室温，然后放入-80 ℃的冷冻干燥机中冷冻干燥得到氨基化改性聚乳酸。

2）打印浆料的制备：称取一定量的卵磷脂和海藻酸钠溶解于4 wt%的乙醇水溶液中得到溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液，在溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液中卵磷脂的浓度为1wt%。将步骤1）制得的氨基化改性聚乳酸和布洛芬药物溶解于1,4-二氧六环溶剂中得到溶有布洛芬药物的改性聚乳酸溶液，其中改性聚乳酸的浓度为2 wt%，布洛芬药物的浓度为0.2 wt%。在快速搅拌下将5 g上述制备得到的溶有布洛芬药物的改性聚乳酸溶液逐滴滴加到10 g上述制备得到的溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液中，搅拌均匀后形成聚乳酸液滴均匀分散于海藻酸钠溶液的O/W型乳液，调节其中海藻酸钠的含量使其浓度为4.0 wt%，得到具有适宜粘度的3D打印浆料。

3）3D打印支架的制备：将步骤2）制得的3D打印浆料注入3D打印机的料筒中，选择好3D模型，设置挤出气压为80 KPa、打印速度为1 mm/s，在-20 ℃的低温打印温度条件下实现个性化三维多孔支架的构建。将打印好的三维多孔支架置于-20 ℃的低温条件下冷冻4h使聚乳酸液滴更好地固化成球。将固化后的三维多孔支架置于25 mL1.5 wt%的Sr(NO₃)₂溶液中浸泡10 min。经Sr²⁺交联后的支架用去离子水洗涤除去多余的Sr²⁺，-80 ℃下冷冻干燥后得到包埋聚乳酸载药微球的多功能3D打印海藻酸钠支架。扫描电镜观察所制备的海藻酸钠支架中均匀分散着粒径大小为100~200 nm的聚乳酸载药微球，且支架具有良好的药物缓释性能、生物活性、成骨能力及抗炎功能。

实施例2

1）氨基化改性聚乳酸的制备：在60℃水浴下，将聚左旋乳酸颗粒溶解于1，4-二氧六环溶剂中配制成浓度为1 wt%的均相溶液，往所得的均相溶液中加入浓度为1.2 wt%的乙二胺水溶液，反应30 min后冷却至室温，然后放入-80 ℃的冷冻干燥机中冷冻干燥得到氨基化改性聚乳酸。

2）打印浆料的制备：称取一定量的卵磷脂和海藻酸钠溶解于4 wt%的乙醇水溶液中得到溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液，在溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液中卵磷脂的浓度为3wt%。将步骤1）制得的氨基化改性聚乳酸和米诺环素药物溶解于1,4-二氧六环溶剂中得到溶有米诺环素药物的改性聚乳酸溶液，其中改性聚乳酸的浓度为3 wt%，米诺环素药物的浓度为0.3 wt%。在快速搅拌下将5 g上述制备得到的溶有米诺环素药物的改性聚乳酸溶液逐滴滴加到15 g上述制备得到的溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液中，搅拌均匀后形成聚乳酸液滴均匀分散于海藻酸钠溶液的O/W型乳液，调节其中海藻酸钠的含量使其浓度为4.5 wt%，得到具有适宜粘度的3D打印浆料。

3）3D打印支架的制备：将步骤2）制得的3D打印浆料注入3D打印机的料筒中，选择好3D模型，设置挤出气压为80 KPa、打印速度为1 mm/s，在-25 ℃的低温打印温度条件下实现个性化三维多孔支架的构建。将打印好的三维多孔支架置于-20 ℃的低温条件下冷冻4h使聚乳酸液滴更好地固化成球。将固化后的三维多孔支架置于25 mL3.0 wt%的Sr(NO₃)₂溶液中浸泡3 min。经Sr²⁺交联后的支架用去离子水洗涤除去多余的Sr²⁺，-80 ℃下冷冻干燥后得到包埋聚乳酸载药微球的多功能3D打印海藻酸钠支架。扫描电镜观察所制备的海藻酸钠支架中均匀分散着粒径大小为100~200 nm的聚乳酸载药微球，且支架具有良好的药物缓释性能、生物活性、成骨能力及抗菌性能。

实施例3

1）氨基化改性聚乳酸的制备：在60℃水浴下，将聚左旋乳酸颗粒溶解于1，4-二氧六环溶剂中配制成浓度为1 wt%的均相溶液，往所得的均相溶液中加入浓度为1.2 wt%的乙二胺水溶液，反应30 min后冷却至室温，然后放入-80 ℃的冷冻干燥机中冷冻干燥得到氨基化改性聚乳酸。

2）打印浆料的制备：称取一定量的卵磷脂和海藻酸钠溶解于4 wt%的乙醇水溶液中得到溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液，在溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液中卵磷脂的浓度为2wt%。将步骤1）制得的氨基化改性聚乳酸和洛索洛芬钠、万古霉素药物溶解于1,4-二氧六环溶剂中得到溶有洛索洛芬钠与万古霉素药物的改性聚乳酸溶液，其中改性聚乳酸的浓度为2.5 wt%，洛索洛芬钠与万古霉素药物的浓度均为0.15 wt%。在快速搅拌下将5 g上述制备得到的溶有洛索洛芬钠与万古霉素药物的改性聚乳酸溶液逐滴滴加到10 g上述制备得到的溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液中，搅拌均匀后形成聚乳酸液滴均匀分散于海藻酸钠溶液的O/W型乳液，调节其中海藻酸钠的含量使其浓度为4.0 wt%，得到具有适宜粘度的3D打印浆料。

3）3D打印支架的制备：将步骤2）制得的3D打印浆料注入3D打印机的料筒中，选择好3D模型，设置挤出气压为80 KPa、打印速度为1 mm/s，在-15 ℃的低温打印温度条件下实现个性化三维多孔支架的构建。将打印好的三维多孔支架置于-20 ℃的低温条件下冷冻4h使聚乳酸液滴更好地固化成球。将固化后的三维多孔支架置于25 mL2.0 wt%的Sr(NO₃)₂溶液中浸泡5 min。经Sr²⁺交联后的支架用去离子水洗涤除去多余的Sr²⁺，-80 ℃下冷冻干燥后得到包埋聚乳酸载药微球的多功能3D打印海藻酸钠支架。扫描电镜观察所制备的海藻酸钠支架中均匀分散着粒径大小为100~200 nm的聚乳酸载药微球，且支架具有良好的药物缓释性能、生物活性、成骨能力及抗菌消炎的功能。

实施例4

1）氨基化改性聚乳酸的制备：在60℃水浴下，将聚左旋乳酸颗粒溶解于1，4-二氧六环溶剂中配制成浓度为1 wt%的均相溶液，往所得的均相溶液中加入浓度为1.2 wt%的乙二胺水溶液，反应30 min后冷却至室温，然后放入-80 ℃的冷冻干燥机中冷冻干燥得到氨基化改性聚乳酸。

2）打印浆料的制备：称取一定量的卵磷脂和海藻酸钠溶解于4 wt%的乙醇水溶液中得到溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液，在溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液中卵磷脂的浓度为2wt%。将步骤1）制得的氨基化改性聚乳酸和阿司匹林、黄连素药物溶解于1,4-二氧六环溶剂中得到溶有阿司匹林与黄连素药物的改性聚乳酸溶液，其中改性聚乳酸的浓度为2 wt%，阿司匹林、黄连素药物的浓度均为0.1 wt%。在快速搅拌下将5 g上述制备得到的溶有阿司匹林与黄连素药物的改性聚乳酸溶液逐滴滴加到10 g上述制备得到的溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液中，搅拌均匀后形成聚乳酸液滴均匀分散于海藻酸钠溶液的O/W型乳液，调节其中海藻酸钠的含量使其浓度为4.5 wt%，得到具有适宜粘度的3D打印浆料。

3）3D打印支架的制备：将步骤2）制得的3D打印浆料注入3D打印机的料筒中，选择好3D模型，设置挤出气压为80 KPa、打印速度为1 mm/s，在-25 ℃的低温打印温度条件下实现个性化三维多孔支架的构建。将打印好的三维多孔支架置于-20 ℃的低温条件下冷冻4h使聚乳酸液滴更好地固化成球。将固化后的三维多孔支架置于25 mL2.5 wt%的Sr(NO₃)₂溶液中浸泡5 min。经Sr²⁺交联后的支架用去离子水洗涤除去多余的Sr²⁺，-80 ℃下冷冻干燥后得到包埋聚乳酸载药微球的多功能3D打印海藻酸钠支架。扫描电镜观察所制备的海藻酸钠支架中均匀分散着粒径大小为100~200 nm的聚乳酸载药微球，且支架具有良好的药物缓释性能、生物活性、成骨能力及抗菌消炎的功能。

Claims (6)

1.一种利用基于原位乳化的3D打印技术制备包埋载药微球的多功能海藻酸钠支架的方法，其特征在于：包括如下步骤：

Ⅰ、以聚左旋乳酸为原料，乙二胺为改性剂，通过氨解反应得到共价接枝了氨基活性基团的氨基化改性聚乳酸；

Ⅱ、将卵磷脂和海藻酸钠溶解于乙醇水溶液中得到溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液；

Ⅲ、将步骤Ⅰ制得的氨基化改性聚乳酸和药物溶解于1,4-二氧六环溶剂中得到溶有药物的改性聚乳酸溶液；

Ⅳ、将步骤Ⅲ制得的溶有药物的改性聚乳酸溶液滴加到步骤Ⅱ制得的溶有卵磷脂的海藻酸钠溶液中，搅拌均匀后得到聚乳酸液滴均匀分散于海藻酸钠溶液的可用于3D打印的稳定乳液；

Ⅴ、利用3D打印机在低温条件下对步骤Ⅳ制得的可用于3D打印的稳定乳液进行3D打印，得到打印支架；

Ⅵ、将步骤Ⅴ制得的打印支架置于低温冰箱中冷冻使聚乳酸液滴更好地固化成球；将固化后的打印支架用Sr²⁺交联后再用去离子水洗涤除去多余的Sr²⁺，最后经冷冻干燥后得到包埋有聚乳酸载药微球的多功能3D打印海藻酸钠个性化支架。

2.根据权利要求1所述的利用基于原位乳化的3D打印技术制备包埋载药微球的多功能海藻酸钠支架的方法，其特征在于所述的包埋有聚乳酸载药微球的多功能3D打印海藻酸钠个性化支架是利用原位乳化结合低温3D打印技术通过一步法构建的。

3.根据权利要求1所述的利用基于原位乳化的3D打印技术制备包埋载药微球的多功能海藻酸钠支架的方法，其特征在于用于制备多功能3D打印海藻酸钠个性化支架的打印浆料是在天然乳化剂——卵磷脂的乳化作用下，溶有药物的改性聚乳酸溶液均匀分散于海藻酸钠溶液所形成的稳定乳液。

4.根据权利要求1所述的利用基于原位乳化的3D打印技术制备包埋载药微球的多功能海藻酸钠支架的方法，其特征在于步骤Ⅴ所述的打印支架的制备所采用的低温打印温度条件为-15~-25 ℃。

5.根据权利要求1所述的利用基于原位乳化的3D打印技术制备包埋载药微球的多功能海藻酸钠支架的方法，其特征在于步骤Ⅲ所述的药物为多种具有抗菌、抗炎功能的药物，包括：四环素、万古霉素、米诺环素、黄连素、恩诺沙星、阿司匹林、布洛芬或洛索洛芬钠中的一种或多种。

6.权利要求1-5任一所述的方法制得的包埋载药微球的多功能海藻酸钠支架，其特征在于具有良好的生物活性、成骨能力、机械性能及抗菌消炎的功能。

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