CN113599575A - 一种梯度密度支架材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种梯度密度支架材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物制造技术领域，特别涉及一种梯度密度支架材料及其制备方法和应用。本发明提供的梯度密度支架材料的制备方法，包括以下步骤：将有机质、无机质和有机溶剂混合，得到A液；提供壳聚糖‑乙酸水溶液为B液；将所述A液和B液动态混合，将所得的动态混合液进行增材打印，得到所述梯度密度支架；所述动态混合为：将A液和B液按照不同的挤出速率挤出混合，得到动态混合液。在本发明中，有机质有利于提高支架材料的弹性和生物活性；无机质和壳聚糖有利于提高支架材料的硬度和力学性能；本发明分别配制不同支架组成溶液，然后采用不同的挤出速率动态混合A液和B液，增材打印得到梯度密度支架材料。

Description

一种梯度密度支架材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种梯度密度支架材料及其制备方法和应用。
背景技术
天然骨是一种具有梯度结构的纳米级多孔复合材料，主要成分是羟基磷灰石和胶原，外层是起支撑作用的密质骨，逐渐向内过渡至松质骨，材料成分也由无机物逐渐过渡为有机物，即主要成分羟基磷灰石逐渐减少，胶原纤维逐渐增加。目前针对于骨缺损修复的解决方法有骨移植或者骨植入，利用合成复合材料制备多孔组织工程支架是实现骨缺损修复的有效手段。
组织工程骨支架的传统制作方法主要有静电纺丝、盐浸、模具压缩和乳化冷冻/冷冻干燥，但多采用组成均匀、单一的合成复合材料制备，成分和浓度基本保持不变，无法满足人体骨在结构和成分上的渐变可控要求，作为骨修复材料时与天然骨配合不佳、应力分配不均；且支架内部微观结构的互连性难以控制，难还原天然骨组织结构，综合性能难以满足要求，很难还原天然骨功能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种梯度密度支架材料及其制备方法，采用本发明提供的制备方法得到的梯度密度支架材料具有梯度密度的特点，实现了支架材料由外向内宏观结构为密质骨向松质骨的梯度变化，微观结构更接近天然骨，满足支架材料与天然骨匹配需求。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种梯度密度支架材料的制备方法，包括以下步骤：
将有机质、无机质和有机溶剂混合，得到A液；所述有机质包括聚己内酯、聚乙烯醇、聚乳酸、明胶、海藻酸钠、胶原和纤维蛋白中的一种或多种；所述无机质包括羟基磷灰石、磷酸钙、三聚磷酸钙、生物活性玻璃和硅酸钙中的一种或多种；
提供壳聚糖-乙酸水溶液为B液；
将所述A液和B液动态混合，将所得的动态混合液进行增材打印，得到所述梯度密度支架；
所述动态混合为：将A液和B液按照不同的挤出速率挤出混合，得到动态混合液。
优选的，所述A液中有机质的质量与有机溶剂的体积的比为0.8～0.9g/mL。
优选的，所述A液中无机质的质量与有机溶剂的体积的比为0.05～0.2g/mL。
优选的，所述壳聚糖-乙酸水溶液中乙酸和水的体积比为(1～2)：(8～9)；
所述B液中壳聚糖的质量与乙酸水溶液的体积的比为0.1～0.15g/mL。
优选的，所述增材打印中，按照梯度密度支架的密度由高向低的方向，A液的挤出速率降低。
优选的，所述增材打印的打印速度为5～18mm/s。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的梯度密度支架材料，所述梯度密度支架材料的密度渐变。
优选的，所述梯度密度支架材料的孔隙由密到疏或由疏到密。
本发明还提供了上述技术方案所述梯度密度支架材料在制备骨缺损修复材料中的应用。
本发明提供了一种梯度密度支架材料的制备方法，包括以下步骤：将有机质、无机质和有机溶剂混合，得到A液；所述有机质包括聚己内酯、聚乙烯醇、聚乳酸、明胶、海藻酸钠、胶原和纤维蛋白中的一种或多种；所述无机质包括羟基磷灰石、磷酸钙、三聚磷酸钙、生物活性玻璃和硅酸钙中的一种或多种；提供壳聚糖-乙酸水溶液为B液；将所述A液和B液动态混合，将所得的动态混合液进行增材打印，得到所述梯度密度支架；所述动态混合为：将A液和B液按照不同的挤出速率挤出混合，得到动态混合液。在本发明中，有机质有利于提高支架材料的弹性和生物活性，提高生物相容性；无机质有利于提高支架材料的硬度和力学性能，提高支架材料的支撑性能；壳聚糖有利于提高支架材料的力学性能。本发明分别配制不同支架组成溶液，然后在增材打印过程中，采用不同的挤出速率动态混合A液和B液，增材打印得到梯度密度支架材料。具体来说，在增材打印过程中分别挤出A液和B液，在不同的挤出速率条件下，增材打印过程中不同层A液和B液两者相对含量会发生变化，支架中的无机质浓度是梯度变化的，表现为支架的质量体积比(即密度)发生梯度变化；同时，A液和B液不同的挤出速率，使得混合液中无机质含量发生变化，由于无机质在增材打印中具有矿化能力，因此，增材打印过程中不同层材料的矿化能力不同，无机质含量高的位置矿化程度高，无机质含量低的位置矿化程度低，甚至当无机质含量为零时，仅有机质则无矿化而形成类似蜂窝状的疏松的柔性结构，微观表现为支架的结构孔隙也会随增材打印过程同步层层渐变，使得支架中孔隙结构也呈梯度变化，进而得到整体呈渐变的梯度密度变化的支架材料。
实施例测试结果表明，采用本发明提供的制备方法得到的梯度密度支架材料，实现了梯度密度变化。
附图说明
图1为实施例1所得梯度密度支架材料的宏观观察图；
图2为实施例1所得梯度密度支架材料正面30倍放大的SEM图；
图3为实施例1所得梯度密度支架材料截面的SEM图；
图4为图3中a位点2000倍放大的SEM图；
图5为图3中b位点2000倍放大的SEM图；
图6为图3中c位点2000倍放大的SEM图；
图7为实施例1所得梯度密度支架材料的应力应变曲线图；
图8为实施例2所得梯度密度支架材料的宏观观察图；
图9为实施例2所得梯度密度支架材料正面30倍放大的SEM图；
图10为实施例2所得梯度密度支架材料截面的SEM图；
图11为图3中a位点2000倍放大的SEM图；
图12为图3中b位点2000倍放大的SEM图；
图13为图3中c位点2000倍放大的SEM图；
图14为实施例2所得梯度密度支架材料的应力应变曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种梯度密度支架材料的制备方法，包括以下步骤：
将有机质、无机质和有机溶剂混合，得到A液；所述有机质包括聚己内酯、聚乙烯醇、聚乳酸、明胶、海藻酸钠、胶原和纤维蛋白中的一种或多种；所述无机质包括羟基磷灰石、磷酸钙、三聚磷酸钙、生物活性玻璃和硅酸钙中的一种或多种；
提供壳聚糖-乙酸水溶液为B液；
将所述A液和B液动态混合，将所得的动态混合液进行增材打印，得到所述梯度密度支架；
所述动态混合为：将A液和B液按照不同的挤出速率挤出混合，得到动态混合液。
在本发明中，若无特殊说明，所述制备方法中各组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将有机质、无机质和有机溶剂混合，得到A液。
在本发明中，所述有机质包括聚己内酯(PCL)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸、明胶、海藻酸钠、胶原和纤维蛋白中的一种或多种。
在本发明中，所述无机质包括羟基磷灰石(HA)、磷酸钙、三聚磷酸钙、生物活性玻璃和硅酸钙中的一种或多种。在本发明中，所述无机质的粒径优选为20～60nm，更优选为25～55nm，再优选为30～50nm。
在本发明中，所述有机溶液优选包括二氯甲烷(DCM)。
在本发明中，所述A液中有机质的质量与有机溶剂的体积的比优选为0.8～0.9g/mL，更优选为0.82～0.88g/mL，再优选为0.83～0.87g/mL。在本发明中，所述A液中无机质的质量与有机溶剂的体积的比优选为0.05～0.2g/mL，更优选为0.07～0.18g/mL，再优选为0.08～0.17g/mL。
在本发明中，所述有机质、无机质和有机溶剂的混合优选为：将有机质和有机溶剂混合，再将所得的有机质溶液与无机质混合。本发明对所述有机质和有机溶剂的混合没有特殊限定，以有机质充分溶解于有机溶剂中为准，具体的，如溶解时间≥2h，更优选为2～3h。本发明对所述有机质溶液与无机质的混合没有特殊限定，以有机质溶液与无机质充分混合形成均匀溶液为准，具体的，如搅拌3～4h；本发明对所述搅拌的速率没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的搅拌速率即可。
在本发明中，所述有机质、无机质和有机溶液的混合优选在密闭的条件下进行，具体的，如采用带玻璃盖的玻璃器皿进行混合。
本发明提供壳聚糖-乙酸水溶液为B液。在本发明中，所述B液的制备方法优选为将壳聚糖和乙酸水溶液混合，得到B液。
在本发明中，所述壳聚糖-乙酸水溶液中乙酸和水的体积比优选为(1～2)：(8～9)，更优选为(1.2～1.8)：(8.2～8.8)。在本发明中，所述B液中壳聚糖的质量与乙酸水溶液的体积的比优选为0.1～0.15g/mL，更优选为0.11～0.14g/mL，再优选为0.115～0.135g/mL。
本发明对壳聚糖和乙酸水溶液的混合没有特殊限定，以将壳聚糖和乙酸水溶液混合均匀为准。
得到A液和B液后，本发明将所述A液和B液动态混合，将所得的动态混合液进行增材打印，得到所述梯度密度支架。
在本发明中，所述动态混合为：将A液和B液按照不同的挤出速率挤出混合，得到动态混合液。
在本发明中，混合所述A液和B液的设备优选包括A液针筒、B液针筒、U型三通阀和混液管；所述A液针筒的出口和B液针筒的出口分别与U型三通阀的两个进口连通；所述U型三通阀的出口与混液管的进口连通。
在本发明中，所述A液针筒优选为3D生物打印针筒。在本发明中，所述B液针筒优选为3D生物打印针筒。在本发明中，所述A液针筒和B液针筒的容量优选独立地为10～30mL。
在本发明中，所述U型三通阀的双孔内径优选独立地为4.2～5.8mm，更优选为4.4～5.6mm，再优选为4.5～5.5mm。在本发明中，所述U型三通阀的双孔内径优选一致或不一致。在本发明中，所述U型三通阀的双孔间距优选为20～30mm，更优选为22～29mm，再优选为23～27mm。在本发明中，所述U型三通阀的总宽度优选为29～42.2mm，更优选为29.5～42mm，再优选为30～40mm。在本发明中，所述U型三通阀的总宽度指双孔各自的宽度加上双孔之间的间距后的总宽度。
在本发明中，所述混液管优选内置搅拌芯，以有利于随着A液和B液的注入对A液和B液进行动态物理搅拌。在本发明中，所述混液管的长度优选为5～20mm，更优选为7～18mm，再优选为8～17mm。在本发明中，所述混液管的出口的直径优选为0.4～0.6mm，更优选为0.42～0.58mm，再优选为0.45～0.55mm。
在本发明中，所述A液优选注入A液针筒中，加压由A液针筒经U型三通阀进入混液管；所述B液优选注入B液针筒中，加压由B液针筒经U型三通阀进入混液管；A液和B液在混液管中充分混合，所得混合液由混液管出口导出。
将A液注入A液针筒中、将B液注入B液针筒中后，本发明优选将盛有A液的A液针筒、盛有B液的B液针筒进行挤压和静置，以排除A液针筒和B液针筒端部内的气泡。
在本发明中，所述加压优选为通气加压。本发明优选通过控制通气加压中的气压控制A液和B液的挤出速率。在本发明中，所述通气加压的方法优选为：将A液针筒的活塞端和B液针筒的活塞端分别连接气罐；A液针筒的活塞端和气罐之间、B液针筒的活塞端和气罐之间分别设置有气压控制器。本发明通过气压控制器控制通气压力的大小，进而控制挤出速率。在本发明中，由于A液的实时挤出速率不同，同时B液的实时挤出速率不同，所述混合液中物质组成呈物质含量随时间渐变的特点。
在本发明中，所述增材打印中，按照梯度密度支架的密度由密度高向密度低的方向，优选为A液的挤出速率降低。当使用本申请所述A液针筒、B液针筒以及U型三通阀时，所述A液的挤出压力的降低速率优选为20kPa/min～40kPa/min。
本发明对所述增材打印没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的增材打印即可。在本发明的实施例中，所述增材打印优选为通过示教器下载打印路径程序，设定支架材料的增材打印参数，依据支架材料的增材打印规划路径进行打印。
在本发明中，所述增材打印中打印路径的规划优选为：在solid works中绘制梯度结构正交支架，通过切片软件生成G代码，将路径代码导入示教器并下载，设定点胶机的打印速度和气压初始值，定位原点，调节打印初始高度(即Z轴方向距离玻璃板的高度)，使用示教器在既定路径规划中实现骨支架打印。在本发明中，所述打印速度优选为5～18mm/s，更优选为7～16mm/s，再优选为8～15mm/s。在本发明中，所述气压初始值优选为0.2～0.5MPa，更优选为0.25～0.45MPa，再优选为0.3～0.4MPa。在本发明中，所述打印初始高度优选为0.15～0.2mm，更优选为0.16～0.2mm，再优选为0.17～0.2mm。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的梯度密度支架材料，由外向内，所述梯度密度支架材料的密度渐变降低。
在本发明中，所述梯度密度支架材料的结构成梯度变化，孔隙由密到疏或由疏到密。
本发明还提供了上述技术方案所述梯度密度支架材料在制备骨缺损修复材料中的应用。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种梯度密度支架材料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将8g聚己内酯和10mL二氯甲烷于密闭容器中，混合溶解12h，得到聚己内酯溶液；将所得聚己内酯溶液和0.8g羟基磷灰石混合，得到A液；
将1g壳聚糖和10mL乙酸水溶液(乙酸和去离子水体积为1：9)混合，得到B液；
将A液注入A液3D生物打印针筒，将B液注入B液3D生物打印针筒，安装针筒固定活塞后，分别通过不同的气压控制器连接气罐，调节气压均为0.2MPa以通气挤压排除3D生物打印针筒端部内的空气，静置使3D生物打印针筒内气泡沉降；
将A液3D生物打印针筒和B液3D生物打印针筒的针头和U型三通阀的两个进口分别连接，U型三通阀的出口与混液管的进口连接，混液管的出口与打印设备进料口连接；
通过气压控制器控制A液3D生物打印针筒活塞段气压和B液3D生物打印针筒活塞端气压，将A液和B液挤出，在混液管内混合，所得混合液经打印设备进行增材打印，得到所述梯度密度支架；
增材打印中打印路径的规划为：在solid works中绘制梯度结构正交支架，通过切片软件生成G代码，将路径代码导入示教器并下载，设定点胶机的打印速度为8mm/s，气压初始值为0.2MPa，定位原点，调节打印初始高度(即Z轴方向距离玻璃板的高度)为0.2mm，使用示教器在既定路径规划中实现骨支架打印；
增材打印过程为：设置A液3D生物打印针筒活塞段和B液3D生物打印针筒活塞端的初始气压均为0.2MPa，随底层向顶层的打印顺序，逐渐减小A液3D生物打印针筒活塞端气压，A液3D生物打印针筒活塞端气压的减小速率为40kPa/min，B液3D生物打印针筒活塞端不变，实现不同的挤出速率动态混合A液和B液，增材打印得到梯度密度支架材料。
对所得的梯度密度支架材料进行宏观观察，所得观察图见图1。由图1可见，所得梯度密度支架材料宏观结构为梯度孔隙，支架纤维丝直径均匀。
对所得的梯度密度支架材料进行扫描电镜测试，正面的30倍放大的SEM图见图2；截面的SEM图见图3，图3中不同位点的SEM图见图4～图6，其中，图4为图3中a位点2000倍放大的SEM图；图5为图3中b位点2000倍放大的SEM图；图6为图3中c位点2000倍放大的SEM图；
图3中，按照a、b和c的顺序方向，HA含量逐渐减少，即a处HA含量较高，c处HA含量较低。由图2可见，所得梯度密度支架材料的空隙逐渐变大，呈梯度变化。由图3可见，所得梯度密度支架材料的厚度较为均匀；由图4～图6可见，针对图3中截面由右向左，羟基磷灰石含量逐渐降低，说明所得梯度密度支架材料的密度逐渐降低，实现了梯度密度。
采用WDW-1材料试验机，对实施例1所得梯度密度支架材料进行应力测试，所得应力应变曲线图见图7。由图7可见，支架随着应力应变正向比例，随着应变增大所需的应力也逐渐增加，支架的最大压力大约在30Mpa，力学性能优良。
实施例2
将9g聚己内酯和10mL二氯甲烷于密闭容器中，混合溶解12h，得到聚己内酯溶液；将所得聚己内酯溶液和1.5g羟基磷灰石混合，得到A液；
将0.5g壳聚糖和10mL乙酸水溶液(乙酸和去离子水体积为1：9)混合，得到B液；
将A液注入A液3D生物打印针筒，将B液注入B液3D生物打印针筒，安装针筒固定活塞后，分别通过不同的气压控制器连接气罐，调节气压均为0.3MPa以通气挤压排除3D生物打印针筒端部内的空气，静置使3D生物打印针筒内气泡沉降；
将A液3D生物打印针筒和B液3D生物打印针筒的针头和U型三通阀的两个进口分别连接，U型三通阀的出口与混液管的进口连接，混液管的出口与打印设备进料口连接；
通过气压控制器控制A液3D生物打印针筒活塞段气压和B液3D生物打印针筒活塞端气压，将A液和B液挤出，在混液管内混合，所得混合液经打印设备进行增材打印，得到所述梯度密度支架；
增材打印中打印路径的规划为：在solid works中绘制梯度结构正交支架，通过切片软件生成G代码，将路径代码导入示教器并下载，设定点胶机的打印速度为10mm/s，气压初始值为0.3MPa，定位原点，调节打印初始高度(即Z轴方向距离玻璃板的高度)为0.25mm，使用示教器在既定路径规划中实现骨支架打印；
增材打印过程为：设置A液3D生物打印针筒活塞段和B液3D生物打印针筒活塞端的初始气压均为0.3MPa，随底层向顶层的打印顺序，逐渐减小A液3D生物打印针筒活塞端气压，A液3D生物打印针筒活塞端气压的减小速率为20kPa/min，B液3D生物打印针筒活塞端不变，实现不同的挤出速率动态混合A液和B液，增材打印得到梯度密度支架材料。
对所得的梯度密度支架材料进行宏观观察，所得观察图见图8。由图8可见，所得梯度密度支架材料宏观结构孔径逐渐由小变大成梯度变化，出丝直径均匀。
对所得的梯度密度支架材料进行扫描电镜测试，正面的30倍放大的SEM图见图9；截面的SEM图见图10，图3中不同位点的SEM图见图11～图13，其中，图11为图10中a位点2000倍放大的SEM图；图12为图10中b位点2000倍放大的SEM图；图13为图10中c位点2000倍放大的SEM图；图10中，按照a、b和c的顺序方向，HA含量逐渐减少，即a处HA含量较高，c处HA含量较低。由图9可见，所得梯度密度支架材料的空隙逐渐变大，呈梯度变化。由图10可见，所得梯度密度支架材料的厚度较为均匀；由图11～图13可见，针对图10中截面由右向左，羟基磷灰石含量逐渐降低，说明所得梯度密度支架材料的密度逐渐降低，实现了梯度密度。
与实施例1的测试方法相同，对实施例2所得梯度密度支架材料进行应力测试，所得应力应变曲线图见图14。由图14可见，支架随着应力应变正向比例，随着应变增大所需的应力也逐渐增加，支架的最大压力大约在130Mpa，力学性能优良。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种梯度密度支架材料的制备方法，包括以下步骤：
将有机质、无机质和有机溶剂混合，得到A液；所述有机质包括聚己内酯、聚乙烯醇、聚乳酸、明胶、海藻酸钠、胶原和纤维蛋白中的一种或多种；所述无机质包括羟基磷灰石、磷酸钙、三聚磷酸钙、生物活性玻璃和硅酸钙中的一种或多种；
提供壳聚糖-乙酸水溶液为B液；
将所述A液和B液动态混合，将所得的动态混合液进行增材打印，得到所述梯度密度支架；
所述动态混合为：将A液和B液按照不同的挤出速率挤出混合，得到动态混合液。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述A液中有机质的质量与有机溶剂的体积的比为0.8～0.9g/mL。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述A液中无机质的质量与有机溶剂的体积的比为0.05～0.2g/mL。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖-乙酸水溶液中乙酸和水的体积比为(1～2)：(8～9)；
所述B液中壳聚糖的质量与乙酸水溶液的体积的比为0.1～0.15g/mL。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增材打印中，按照梯度密度支架的密度由高向低的方向，A液的挤出速率降低。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增材打印的打印速度为5～18mm/s。
7.权利要求1～6任一项所述制备方法得到的梯度密度支架材料，其特征在于，所述梯度密度支架材料的密度渐变。
8.根据权利要求7所述的梯度密度支架材料，其特征在于，所述梯度密度支架材料的孔隙由密到疏或由疏到密。
9.权利要求7或8所述梯度密度支架材料在制备骨缺损修复材料中的应用。
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