CN113370533A - 3d打印可塑形引导骨再生膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,将聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚己内酯溶解于四氢呋喃,加氯化钠颗粒得到3D打印墨水,打印出两层3D打印片状支架;将聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚乙烯醇加入到六氟异丙醇中配制成静电纺丝聚合物溶液,采用垂直静电纺丝的方式将静电纺丝和3D打印片装支架组装在一起;将已组装的支架放在模型上术区位置塑形,真空热交联之后洗涤获得多孔个性化塑形支架;经缓冲液中浸泡,制得引导骨再生膜。本发明利用3D打印技术、盐析技术和静电纺丝技术,不仅实现了引导骨再生膜开放多孔的结构而且提高了载药的效率,保证了膜的力学强度,并且可以实现骨缺损区持久的再生型巨噬细胞(M2型)的富集。
Description
技术领域
本发明属于生物医疗器械技术领域,具体涉及一种3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法。
背景技术
引导骨组织再生术(GBR)是一种广泛应用于口腔颌面外科的手术方法,通过屏障膜的放置为新骨形成创造空间并保存血凝块,同时阻止周围软组织的侵入,最终实现骨组织的再生。因此,引导骨再生膜的特性将直接影响骨再生的效果。
临床上广泛应用的引导骨再生膜主要包括以聚四氟乙烯为主的生物不可降解膜和以胶原膜为主的生物可降解膜。生物不可降解膜虽具有良好的生物稳定性,但后续的二次取出手术给患者带来了不必要的伤害。生物可降解膜具有生物可吸收性、低免疫原性、可载药性等众多优点,但力学强度的缺乏以及短时间内迅速的降解,使其无法用于大面积骨缺损的修复。
目前,人工合成可降解聚合物通过静电纺丝制成引导骨再生膜,并经过表面生物化学修饰赋予其生物活性来调节骨免疫,在骨组织工程中取得了一定的效果。为了获得一定的机械强度,静电纺丝膜往往较厚。其致密的结构隔绝了骨缺损区域和周围组织,这不利于成骨干细胞的募集和外部营养的输送。同时,静电纺丝膜的生物化学修饰只停留在表面,无法进行更高效的载药。这使得静电纺丝膜引导骨再生的效果并不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,解决了现有引导骨再生膜存在的二次取出、降解过快、结构致密和力学强度差等问题。
本发明所采用的技术方案为:
3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,其特征在于:
所述方法包括以下步骤:
步骤一:配制3D打印墨水:
将聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚己内酯溶解在四氢呋喃中配制成聚合物溶液,加入氯化钠颗粒加热搅拌,获得橡皮泥状白色固形物,即为3D打印墨水;
步骤二:3D打印平面支架:
将3D打印墨水放入3D打印机中,打印出层数为两层的3D打印片状支架;
步骤三:配制静电纺丝聚合物溶液:
将聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚乙烯醇加入到六氟异丙醇中配制成静电纺丝聚合物溶液;
步骤四:组装静电纺丝与3D打印片装支架:
采用垂直静电纺丝的方式,将3D打印片状支架置于静电场负极的接收金属板上,利用注射泵挤出静电纺丝聚合物溶液,静电纺丝和3D打印片装支架被静电组装在一起;
步骤五:制备可塑性引导骨再生膜:
打印下颌骨术区模型,将已组装的支架放在模型上术区位置塑形,放入真空干燥箱中真空热交联,之后将支架从模型上取下,洗涤获得多孔个性化塑形支架;
将多巴胺盐酸盐加入到三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液中溶解,将多孔个性化塑形支架加入此缓冲液中浸泡,洗涤,个性化引导骨再生膜制备完成。
步骤一中,将聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚己内酯按照8:2的质量比溶解在100毫升四氢呋喃中配制成聚合物溶液。
步骤一中,氯化钠颗粒在加入聚合物溶液前经过了研磨筛选,过程为:
使用打磨机将分析纯氯化钠颗粒进行研磨,选用400目与500目的标准样筛,筛出能透过400目筛孔而不能被500目筛孔筛下的氯化钠颗粒,直径范围为30-38微米;将直径30-38微米的氯化钠颗粒加入聚合物溶液中,加入的质量为聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚己内酯总质量的2倍。
步骤一中,加热搅拌采用加热磁力搅拌器,温度为60℃,充分挥发掉四氢呋喃。
步骤二中,3D打印机的打印参数为:挤出头和料筒均加热至70℃,打开气阀给予0.35MPa的气压,挤出头直径为0.3毫米,每层层高0.3毫米,临近两层的交叉角度为60°,填充率为75%,挤出速度为1毫米/秒。
步骤三中,聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚乙烯醇按照6:4的质量比加入六氟异丙醇中配制成浓度为5%的静电纺丝聚合物溶液。
步骤四中,组装的具体条件为:在正极22G金属喷丝头和负极金属板之间加电压为20KV的直流电,正负极间距为20厘米,注射泵以1毫升/分钟的速度挤出聚合物溶液,在每平方厘米的3D打印片装支架上纺丝1分钟。
步骤五中,已组装的支架在塑形前,需在50℃下加热1分钟;真空热交联的条件为:-0.1Mpa,150℃,48小时。
步骤五中,真空热交联后的洗涤过程为:
将支架从模型上取下,放入55℃超纯水浴中12小时,以去除3D打印支架中的氯化钠颗粒和静电纺丝中的PVA;
然后依次在浓度为100%、75%、50%和25%的乙醇中分别洗涤15分钟以去除支架中未交联的PGS预聚物;
接着放入超纯水中去除支架中的乙醇。
步骤五中,对多孔个性化塑形支架的浸泡洗涤过程为:
将多巴胺盐酸盐以3毫克/毫升的浓度加入浓度为10mM的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液中,充分溶解后,将多孔个性化塑形支架加入此缓冲液中浸泡12小时,接着用超纯水洗涤3遍,每次5分钟。
本发明具有以下优点:
本发明的3D打印可塑形引导骨再生膜是生物可降解的弹性膜,利用3D打印技术、盐析技术和静电纺丝技术的充分结合,不仅实现了引导骨再生膜开放多孔的结构而且提高了载药的效率,保证了膜的力学强度,并且可以实现骨缺损区持久的再生型巨噬细胞(M2型)的富集。另外,本发明的引导骨再生膜还能够根据骨缺损区的特定形态进行个性化的塑形,从而实现不同形态骨的再生。
附图说明
图1是3D打印可塑形引导骨再生膜制备的模式图;
图2是3D打印可塑形引导骨再生膜制备的具体实施流程;
图3是3D打印可塑形引导骨再生膜的结构表征图;
图4是3D打印可塑形引导骨再生膜的特性;
图中,(A-D)为3D打印膜和3D打印-纺丝膜在纵向拉伸时极限拉伸强度(A)、极限拉伸形变(B)、弹性模量(C)和应力应变曲线(D)的比较;(E)为静电纺丝膜、胶原膜和3D打印-纺丝膜三点弯曲实验的应力比较;(F)为静电纺丝膜、胶原膜和3D打印-纺丝膜葡萄糖渗透浓度的比较。
图5是3D打印可塑形引导骨再生膜植入体内1周、4周和12周后巨噬细胞的募集效果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及一种3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,所述方法具体包括以下步骤:
1.3D打印墨水的配制
将聚癸二酸丙三醇酯(polyglycerol sebacate,PGS)预聚合物和聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)按照8:2的质量比溶解在100毫升四氢呋喃中配制成聚合物溶液。使用打磨机将分析纯氯化钠颗粒进行研磨,选用400目与500目的标准样筛,筛出能透过400目筛孔而不能被500目筛孔筛下的氯化钠颗粒,直径大约是30-38微米。将直径30-38微米的氯化钠颗粒加入上述聚合物溶液中,加入的质量为PGS和PCL总质量的2倍。将含有上述混悬溶液的烧杯放在加热磁力搅拌器上,60℃加热搅拌过夜,充分挥发掉四氢呋喃,获得橡皮泥状白色固形物,至此3D打印墨水配制完成。
2.3D打印平面支架
将3D打印墨水放入3D打印机(PCPrinter BR151S)的料筒中,挤出头和料筒均加热至70℃,打开气阀给予0.35MPa的气压,在打印机程序中设定好打印参数:挤出头直径为0.3毫米,每层层高0.3毫米,临近两层的交叉角度为60°,填充率为75%,挤出速度为1毫米/秒。使用上述打印参数打印出层数为两层的3D打印片状支架,通风橱过夜晾干备用。
3.静电纺丝聚合物溶液的配制
将聚癸二酸丙三醇酯(polyglycerol sebacate,PGS)预聚合物和聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)按照6:4的质量比加入六氟异丙醇中配制成浓度为5%的溶液,室温过夜溶解。
4.静电纺丝与3D打印片装支架的组装
采用垂直静电纺丝的方式,将3D打印片装支架置于静电场负极的接收金属板上,在正极22G金属喷丝头和负极金属板之间加电压为20KV的直流电,正负极间距为20厘米,注射泵以1毫升/分钟的速度挤出聚合物溶液,在每平方厘米的3D打印片装支架上纺丝1分钟。至此,静电纺丝和3D打印片装支架被静电组装在一起。
5.可塑性引导骨再生膜的制备
通过锥形束CT对术区骨的数据进行采集,使用成品聚乳酸(polylactic acid,PLA)3D打印机打印大小为1:1的下颌骨术区模型。将已组装的支架在50℃下加热1分钟,立即放在模型上术区位置塑形,将表面贴附支架的模型放入真空干燥箱中,在-0.1MPa 150℃的条件下真空热交联48小时。热交联完成后,将支架从模型上取下,放入55℃超纯水浴中12小时,以去除3D打印支架中的氯化钠颗粒和静电纺丝中的PVA。然后依次在浓度为100%、75%、50%和25%的乙醇中分别洗涤15分钟以去除支架中未交联的PGS预聚物,接着放入超纯水中去除支架中的乙醇,至此获得多孔个性化塑形支架。将多巴胺盐酸盐以3毫克/毫升的浓度加入浓度为10mM的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐(Tris-HCl)缓冲液中,充分溶解后,将多孔个性化塑形支架加入此缓冲液中浸泡12小时,接着用超纯水洗涤3遍,每次5分钟,至此,个性化引导骨再生膜制备完成。
上述方法通过3D打印技术制作了能持久富集再生型巨噬细胞(M2型)的弹性可塑形引导骨再生膜,以下为相关试验结果分析:
如图3所示,扫描电镜照片分别从3D打印层、静电纺丝层和横截面展示了可塑形引导骨再生膜的结构表征。3D打印层中,两层的交角为60°,每根打印线条均为开放多孔的结构;静电纺丝层的表面稍致密,但仍为多孔结构;横截面反映了厚度20微米的超薄静电纺丝层与多孔3D打印层的紧密结合,两层交界处的微孔是梯度连续的。
如图4(A-D)所示,将无纺丝的3D打印膜和有纺丝的3D打印膜进行纵向拉伸比较力学特性。尽管静电纺丝层纤薄,但显著增强了3D打印支架纵向的力学强度。如图4(E)所示,通过三点弯曲试验发现,与同样厚度的胶原膜和静电纺丝膜相比,3D打印-纺丝膜具有更好的支撑性,这能够满足引导骨再生膜对力学强度的需求。如图4(F)所示,通过葡萄糖渗透实验发现,与同样厚度的胶原膜和静电纺丝膜相比,葡糖糖能够快速且高效的渗透3D打印-纺丝膜。
如图5所示,本引导骨再生膜在植入皮下后1周、4周和12周时,能够实现早期且持久的CD206+巨噬细胞(M2型)的募集。
本发明的内容不限于实施例所列举,本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换,均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,其特征在于:
所述方法包括以下步骤:
步骤一:配制3D打印墨水:
将聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚己内酯溶解在四氢呋喃中配制成聚合物溶液,加入氯化钠颗粒加热搅拌,获得橡皮泥状白色固形物,即为3D打印墨水;
步骤二:3D打印平面支架:
将3D打印墨水放入3D打印机中,打印出层数为两层的3D打印片状支架;
步骤三:配制静电纺丝聚合物溶液:
将聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚乙烯醇加入到六氟异丙醇中配制成静电纺丝聚合物溶液;
步骤四:组装静电纺丝与3D打印片装支架:
采用垂直静电纺丝的方式,将3D打印片状支架置于静电场负极的接收金属板上,利用注射泵挤出静电纺丝聚合物溶液,静电纺丝和3D打印片装支架被静电组装在一起;
步骤五:制备可塑性引导骨再生膜:
打印下颌骨术区模型,将已组装的支架放在模型上术区位置塑形,放入真空干燥箱中真空热交联,之后将支架从模型上取下,洗涤获得多孔个性化塑形支架;
将多巴胺盐酸盐加入到三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液中溶解,将多孔个性化塑形支架加入此缓冲液中浸泡,洗涤,个性化引导骨再生膜制备完成。
2.根据权利要求1所述的3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,其特征在于:
步骤一中,将聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚己内酯按照8:2的质量比溶解在100毫升四氢呋喃中配制成聚合物溶液。
3.根据权利要求2所述的3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,其特征在于:
步骤一中,氯化钠颗粒在加入聚合物溶液前经过了研磨筛选,过程为:
使用打磨机将分析纯氯化钠颗粒进行研磨,选用400目与500目的标准样筛,筛出能透过400目筛孔而不能被500目筛孔筛下的氯化钠颗粒,直径范围为30-38微米;将直径30-38微米的氯化钠颗粒加入聚合物溶液中,加入的质量为聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚己内酯总质量的2倍。
4.根据权利要求3所述的3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,其特征在于:
步骤一中,加热搅拌采用加热磁力搅拌器,温度为60℃,充分挥发掉四氢呋喃。
5.根据权利要求4所述的3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,其特征在于:
步骤二中,3D打印机的打印参数为:挤出头和料筒均加热至70℃,打开气阀给予0.35MPa的气压,挤出头直径为0.3毫米,每层层高0.3毫米,临近两层的交叉角度为60°,填充率为75%,挤出速度为1毫米/秒。
6.根据权利要求5所述的3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,其特征在于:
步骤三中,聚癸二酸丙三醇酯预聚合物和聚乙烯醇按照6:4的质量比加入六氟异丙醇中配制成浓度为5%的静电纺丝聚合物溶液。
7.根据权利要求6所述的3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,其特征在于:
步骤四中,组装的具体条件为:在正极22G金属喷丝头和负极金属板之间加电压为20KV的直流电,正负极间距为20厘米,注射泵以1毫升/分钟的速度挤出聚合物溶液,在每平方厘米的3D打印片装支架上纺丝1分钟。
8.根据权利要求7所述的3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,其特征在于:
步骤五中,已组装的支架在塑形前,需在50℃下加热1分钟;真空热交联的条件为:-0.1Mpa,150℃,48小时。
9.根据权利要求8所述的3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,其特征在于:
步骤五中,真空热交联后的洗涤过程为:
将支架从模型上取下,放入55℃超纯水浴中12小时,以去除3D打印支架中的氯化钠颗粒和静电纺丝中的PVA;
然后依次在浓度为100%、75%、50%和25%的乙醇中分别洗涤15分钟以去除支架中未交联的PGS预聚物;
接着放入超纯水中去除支架中的乙醇。
10.根据权利要求9所述的3D打印可塑形引导骨再生膜的制备方法,其特征在于:
步骤五中,对多孔个性化塑形支架的浸泡洗涤过程为:
将多巴胺盐酸盐以3毫克/毫升的浓度加入浓度为10mM的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液中,充分溶解后,将多孔个性化塑形支架加入此缓冲液中浸泡12小时,接着用超纯水洗涤3遍,每次5分钟。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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