CN114292103A - 一种具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架，所述生物活性支架由支柱堆积而成，所述支柱表面具有不同尺寸参数或者形状的齿轮沟槽状结构。本发明还提供一种如上所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的制备方法和在制备骨修复材料中的应用。本发明涉及一种3D打印的生物活性支架，构成支架的每根支柱的外表面或内表面具有高度有序的微米级的类似齿轮状沟槽的结构，经体内、体外性能测试得知，本发明的生物活性支架在体外体内生物学评价中表现出良好的抗炎作用和促成骨能力，更有利于骨缺损的再生修复。
Description
技术领域
本发明属于生物材料领域，具体涉及一种具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架及其制备方法和在制备骨修复材料中的应用。
背景技术
天然骨组织具有复杂结构和组成，并在人体各种生命活动中起到至关重要的作用(Reznikov N,Bilton M,Lari L,et al.Fractal-like hierarchical organization ofbone begins at the nanoscale[J].Science,2018,360(6388))。在细胞水平上，骨组织中的免疫细胞、间充质干细胞、成骨细胞及其他骨常驻细胞一同构成复杂的3D医学微环境。其中，免疫细胞在骨代谢和骨组织再生过程中都起着至关重要的作用(Pajarinen J,Lin T,Gibon E,et al.Mesenchymal stem cell-macrophage crosstalk and bone healing[J].Biomaterials,2019,196):80-89)。因此，构建免疫调节微环境对于骨组织的再生有深远的意义。
为了实现这一目标，近年来，科研工作者们设计并制备了各种具有不同化学组成、复杂多孔结构或者表面性能的生物材料。然而，通过调控生物陶瓷支架表面有序微结构来构建3D免疫微环境的改进策略仍具有极大的挑战性。其原因在于现有的在材料表面构建高度有序微结构的技术都存在各自的局限性。比如光刻技术和激光雕刻技术难以制备3D支架材料；双光子光固化打印技术仅能在支柱的上表面构建微图案结构，且成本高、效率低(Gong T,Zhao K,Yang G,et al.The Control of Mesenchymal Stem CellDifferentiation Using Dynamically Tunable Surface Microgrooves[J].AdvancedHealthcare Materials,2014,3(10):1608-1619；Lee S-H,Moon J J and West J LThree-dimensional micropatterning of bioactive hydrogels via two-photon laserscanning photolithography for guided 3D cell migration.Biomaterials 29,2962–2968(2008)；Cha H D,Hong J M,Kang T-Y,et al.Effects of micro-patterns inthree-dimensional scaffolds for tissue engineering applications[J].Journal ofMicromechanics and Microengineering,2012,22(12))。
发明内容
针对现有技术的局限性，本发明旨在提供一种具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架及其制备方法和在制备骨修复材料中的应用。
第一个方面，本发明提供了一种具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架，所述生物活性支架由支柱堆积而成，所述支柱表面具有不同尺寸参数或者形状的齿轮沟槽状结构。
较佳地，所述支柱包括第一圆柱状本体和位于所述第一圆柱状本体表面、沿所述第一圆柱状本体径向延伸的齿轮外沟槽状结构凸起部，所述齿轮外沟槽状结构凸起部的截面包括长方形、三角形和弧形。
较佳地，所述第一圆柱状本体的直径为400-600μm，所述长方形齿轮外沟槽状结构凸起部的沟槽宽度、沟槽深度和齿轮脊的宽度各为20-80μm，所述三角形或弧形齿轮外沟槽状结构凸起部的沟槽深度为80-120μm。
较佳地，所述支柱包括第二圆柱状本体和位于所述第二圆柱状本体内部、沿所述第二圆柱状本体径向延伸的齿轮内沟槽状结构孔洞，所述齿轮内沟槽状结构孔洞的截面包括长方形、三角形和弧形。
较佳地，所述第二圆柱状本体的外径为1.8-2.6mm，内径约为0.5-1.5mm；所述长方形齿轮内沟槽状结构孔洞的沟槽宽度、沟槽深度和齿轮脊的宽度各为20-80μm，所述三角形或弧形齿轮内沟槽状结构孔洞的沟槽深度为80-120μm。
较佳地，所述生物活性支架的材质为生物陶瓷、有机物或者金属，优选为β相的磷酸三钙(Ca3(PO4)2)、羟基磷灰石(Ca5(PO4)3(OH))、壳聚糖、铁中的任意一种。
较佳地，所述生物活性支架的抗压强度为2-8MPa。
较佳地，所述生物活性支架为3D打印支架。
第二个方面，本发明还提供了一种如上所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的制备方法，包括以下步骤：
将混合均匀的含有各种原料粉体的浆料通过3D打印技术制备支架生坯，打印过程中使用装配有不同零件的喷嘴，通过改变喷嘴中零件的尺寸参数及形状来控制所述具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的表面结构的各种尺寸参数和形状；
将支架生坯通过高温烧结得到所述生物活性支架；
其中，有机物生物活性支架还包括将支架生坯通过浸渍在饱和氯化钙溶液中进行交联的步骤。
本发明通过改进的3D打印喷嘴首次成功制备出了表面具有高度有序微结构的生物活性支架。在制备生物活性支架时，可以通过改变喷嘴零件来有效调控具有齿轮沟槽状结构的支架表面有序微结构的尺寸参数及形状，进而调控具有齿轮沟槽状结构的支架的抗炎及促成骨能力。
较佳地，所述的浆料成分除原料粉体外还含有海藻酸钠粉和泊洛沙姆F-127水溶液，所述的泊洛沙姆F-127水溶液的质量分数为16.67wt％；所述的浆料中各成分质量比为原料粉体：海藻酸钠粉：F-127水溶液＝1：(0.06-0.15)：(0.45-1.2)。
第三个方面，本发明还提供一种如上所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架在制备骨修复材料中的应用。
本发明的有益效果：
本发明涉及一种3D打印的生物活性支架，构成支架的每根支柱的外表面或内表面具有高度有序的微米级的类似齿轮状沟槽的结构，经体内、体外性能测试得知，本发明的生物活性支架在体外体内生物学评价中表现出良好的抗炎作用和促成骨能力，更有利于骨缺损的再生修复。
附图说明
图1显示的是本发明一个实施例的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架及其在骨修复材料中的结构示意图。
图2显示的是制备本发明的生物活性支架所采用的两种改进后的3D打印喷嘴的示意图、实物图以及喷嘴顶端局部放大图。
图3显示的是图1中两种改进后的3D打印齿轮状零件的设计图。
图4显示的是具有不同尺寸参数和形状的齿轮状零件的结构示意图。其中G10、G20、G50和G100表示零件微结构中的沟槽宽度分别为10、20、50和100μm，沟槽深度和脊宽度都为50μm；D30、D70和D100表示零件微结构中的沟槽深度分别为30、70和100μm，沟槽宽度和脊宽度都为50μm；三角、圆弧(外)和圆弧(内)表示零件微结构单元的外接圆直径为100μm；内沟槽表示用于打印内沟槽支架的零件，而零件微结构中的沟槽宽度、脊宽度和沟槽深度分别为50、50和100μm，零件的直径为1.1mm。
图5显示的是具有不同尺寸参数的具有齿轮沟槽状结构的支架(A)、不同微结构形状的具有齿轮沟槽状结构的支架(B)、不同材料体系的受齿轮启发的支架(C)以及具有内沟槽结构的支架(D)。
图6显示的是不同具有齿轮沟槽状结构的支架的抗压强度，其中n＝6，*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001。
图7显示的是小鼠巨噬细胞(RAW264.7)和兔子骨髓间充质干细胞(RBMSCs)接种在具有齿轮沟槽状结构的支架上两天后的培养结果。
图8显示的是具有齿轮沟槽状结构的支架的体外免疫调控及成骨性能的表征，其中图A、B显示的是RAW264.7细胞接种到不同受齿轮启发的支架上两天后的基因表达结果，图C、D显示的是RBMSCs接种到不同受齿轮启发的支架上七天后的基因表达结果。
图9显示的是基于Transwell的共培养模型，其中图A显示的是共培养模型的示意图，Transwell孔板中接种的是RBMSCs，而Transwell小室内装的是接种有RAW264.7细胞的对照组支架(SR)和G20支架(GR)，图B显示的是共培养两天后孔板上RBMSCs的基因表达结果。
图10显示的是具有齿轮沟槽状结构的支架的体内抗炎和成骨性能的表征，其中，Blank为空白组，Smooth为对照组，G20为实验组，图A显示的是将支架植入小鼠皮下两周后，通过Masson三色染色法处理后的切片的显微镜图像(下排为放大图，图B显示的是支架植入两个月后收获的兔子股骨，图C显示的是micro-CT重构的兔子股骨缺损部位的横截面和纵切面照片，图D显示的是micro-CT分析的新生骨体积与缺损部位总体积的比率(BV/TV)，图E显示的是通过VG染色处理后的兔子股骨缺损部位横截面和纵切面的病理切片。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明提供了具有齿轮沟槽状结构的表面具有高度有序微结构的生物活性支架。所述生物活性支架由支柱堆积而成，所述支柱表面具有不同尺寸参数或者形状的齿轮沟槽状结构。图1显示的是本发明一个实施例的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架及其在骨修复材料中的结构示意图。如图1所示，所述支柱1包括第一圆柱状本体11和位于所述第一圆柱状本体11表面、沿所述第一圆柱状本体11径向延伸的齿轮外沟槽状结构凸起部12，所述齿轮外沟槽状结构凸起部12的截面包括长方形、三角形和弧形。在图1中，所述齿轮外沟槽状结构凸起部12的截面为长方形。所述齿轮外沟槽状结构凸起部12的截面为三角形或弧形的情况可参照图4、图5所示。在这一实施例中，具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的第一圆柱状本体11的直径可以为400-600μm，长方形齿轮外沟槽状结构凸起部12的沟槽宽度、沟槽深度和齿轮脊的宽度可以各为20-80μm，三角形或弧形齿轮外沟槽状结构凸起部12的沟槽深度可以为80-120μm。
本发明的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的另一个实施例为，所述支柱包括第二圆柱状本体和位于所述第二圆柱状本体内部、沿所述第二圆柱状本体径向延伸的齿轮内沟槽状结构孔洞，所述齿轮内沟槽状结构孔洞的截面包括长方形、三角形和弧形。这一实施例的生物活性支架结构可参照图4、图5所示的内沟槽支架结构。在这一实施例中，具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的第二圆柱状本体的外径可以为1.8-2.6mm，内径可以约为0.5-1.5mm；长方形齿轮内沟槽状结构孔洞的沟槽宽度、沟槽深度和齿轮脊的宽度可以各为20-80μm，三角形或弧形齿轮内沟槽状结构孔洞的沟槽深度可以为80-120μm。
图5示出了这种具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的显微结构图像。相比于传统的3D打印支架，具有齿轮沟槽状结构的支架的每根支柱表面都具有沟槽状高度有序微结构。这种高度有序微结构能够有效调控细胞行为从而具有更好的生物学性能以及应用前景。
如图3所示，沟槽状高度有序微结构具有三个核心的尺寸参数，分别是沟槽宽度、沟槽深度和脊宽度。支柱表面沟槽宽度、沟槽深度及脊宽度的范围都在几微米到上百微米之间，可以根据需要来调控这些尺寸参数。
如图5所示，沟槽状高度有序微结构的基本结构单位的形状没有特别限定，例如可为长方形、三角形以及弧形等，也可以为其他复杂形状。具有齿轮沟槽状结构的有序微结构既可以在支架外表面也可以在管状支架的内表面。
下表表1显示的是不同具有齿轮沟槽状结构的支架的尺寸参数表，其中支柱直径包括了微结构部分。
表1
通过调节沟槽状高度有序微结构的尺寸参数能够改变支架的力学性能。本发明中受齿轮启发的生物陶瓷支架的抗压强度为2MPa-8 MPa。图6显示的是不同具有齿轮沟槽状结构的支架的抗压强度，其中n＝6，*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001。下表表2显示的是不同具有齿轮沟槽状结构的支架的抗压强度的具体数值表。
表2
本发明中具有齿轮沟槽状结构的支架的材质没有特别限定，例如可为生物活性陶瓷粉体，如磷酸三钙、羟基磷灰石等，也可为金属粉体，如铁粉等，还可以为有机物，如壳聚糖等。
本发明通过挤出式3D打印技术一次性制备具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架。图2示出了3D打印中使用的新型喷嘴的示意图和实物图。新型喷嘴是在普通打印喷嘴内部镶嵌齿轮状空心圆盘零件得到的。其中空心圆盘零件与喷嘴底部平行从而在打印时保持水平使得打印浆料能够顺利被挤出。在打印支架时，空心圆盘零件中的微米级齿轮状结构能够通过格挡作用在挤出的每根支柱表面构建沟槽状高度有序微结构。
所述的空心圆盘零件的材质没有特别限定，可为不锈钢或者钛等刚性材料。
如图4和图5所示，通过改变空心圆盘零件中齿轮状微结构的尺寸参数和形状能够调控相应的具有齿轮沟槽状结构的支架表面微结构的尺寸参数和形状。
以下示例性说明所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的制备方法：
(1)浆料调制：取原料粉体、海藻酸钠粉体以及F-127水溶液经手动搅拌均匀，得到打印浆料。其中所述的F-127水溶液的质量分数为16.67wt％；所述的浆料中各成分质量比为原料粉体：海藻酸钠粉：F-127水溶液＝1：(0.06～0.15)：(0.45～1.2)。
(2)打印流程：将调制好的浆料装入料筒中，然后将特定的打印喷嘴(分为普通喷嘴和新型喷嘴)安装到打印机料筒上。根据预先编写好的打印程序打印出支架。
(3)后处理：将干燥后的支架生坯高温烧结后得到具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架。不同的原料浆料制备的具有齿轮沟槽状结构的支架需要通过不同的烧结温度来处理。如β相的磷酸三钙支架的烧结温度为1150℃，保温时间为3小时。如羟基磷灰石支架的烧结温度为1100℃，保温时间为3小时。如铁支架需要在惰性气体氛围中，在1250℃下保温烧结3小时。如壳聚糖水凝胶支架需要在打印后立即用饱和浓度氯化钙溶液交联。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并不一定要限定与下文示例的具体数值。
对比例1、传统3D打印支架(Smooth)的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将普通的粉色20G喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出支柱表面没有高度有序微结构的磷酸三钙支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
实施例1、G10具有齿轮沟槽状结构的支架的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有G10空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出G10受齿轮启发的磷酸三钙支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
实施例2、G20具有齿轮沟槽状结构的支架的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有G20空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出G20受齿轮启发的磷酸三钙支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
实施例3、G50具有齿轮沟槽状结构的支架的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有G50空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出G50受齿轮启发的磷酸三钙支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
实施例4、G100具有齿轮沟槽状结构的支架的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有G100空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出G100受齿轮启发的磷酸三钙支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
实施例5、D30具有齿轮沟槽状结构的支架的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有D30空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出D30受齿轮启发的磷酸三钙支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
实施例6、D70具有齿轮沟槽状结构的支架的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有D70空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出D70受齿轮启发的磷酸三钙支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
实施例7、D100具有齿轮沟槽状结构的支架的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有D100空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出D100受齿轮启发的磷酸三钙支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
将对比例1和实施例1～实施例7中制备的支架进行体外及体内生物学评价。具体如下。
体外细胞黏附实验：
将RAW264.7细胞和RBMSCs分别接种到不同的具有齿轮沟槽状结构的支架上培养两天后，用异硫氰酸荧光素接枝的鬼笔环肽浸染所有支架上的细胞骨架，然后通过激光共聚焦显微镜观察支架表面细胞形态。如图7A所示，G20、G50、D70和D100支架表面的RAW264.7细胞明显被突出的脊结构分隔开。如图7B所示，G10、G20、D70和D100支架表面的RBMSCs更倾向于定向生长和被拉长。
具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的体外抗炎性能评价：
将RAW264.7细胞接种到对比例1和实施例1～7中的不同具有齿轮沟槽状结构的支架上培养两天后，收获细胞用于PCR实验。如图8C和8D所示，G20、G50、G100、D30和D70组白细胞介素18(IL-18)的表达明显下调。诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的表达在G20、G50和D100组中下调，但在D30和D70组中明显上调。除了促炎基因外，还检测到抗炎基因的表达。仅在G20组中，抗炎基因精氨酸酶-1(Arg-1)明显上调，而在G50和D30组中下调。并且白细胞介素1受体拮抗剂(IL-1ra)的表达在G20和D70组明显上调，在D30和D100组明显下调。所有这些结果表明，G20组显示出最好和稳定的抗炎作用。
具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的体内抗炎性能评价：
为了进一步研究具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架在体内的抗炎特性，建立了小鼠皮下植入模型。选择三组进行研究：空白(Blank)、Smooth和G20。皮下植入十四天后，处死所有小鼠并收集样品用于Masson三色染色。如图10A所示，Blank组皮下组织经钝性分离后几乎没有炎症。与Smooth组相比，G20组具有齿轮沟槽状结构的生物陶瓷支架能促进结缔组织和血管向支架内部空间生长。
具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的体外成骨性能评价：
将RBMSCs接种到对比例1和实施例1～7中的不同具有齿轮沟槽状结构的支架上培养七天后，收获细胞用于PCR实验。如图8A和8B所示，G20和G100组骨钙素(OCN)基因表达量明显高于对照组，表明这些组具有一定的成骨特性。并且D100组骨形态发生蛋白2(BMP-2)的基因表达水平高于D30和D70组，说明随着沟槽状微结构深度的增加，具有齿轮沟槽状结构的生物陶瓷支架上的RBMSCs更容易表达成骨相关基因。
具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的体外免疫调控性能评价：
将RAW264.7细胞接种到对比例1和实施例2中的支架上，待细胞黏附在支架上后将支架放入Transwell小室内。将RBMSCs接种到Transwell孔板上，然后将小室置于孔板之上以形成共培养模型(如图9A)。在共培养两天后，收获孔板上的RBMSCs用于PCR实验。如图9B所示，RBMSCs表达成骨相关基因的水平显著上调。这表明具有齿轮沟槽状结构的支架能够通过调控支架上巨噬细胞的旁分泌行为来促进RBMSCs表达成骨相关基因。
具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的体内成骨性能评价：
为了进一步研究具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架在体内的成骨特性，建立了兔子股骨缺损模型。选择三组进行研究：空白(Blank)、Smooth和G20。手术八周后，所有兔子都被安乐死，并收集样品进行进一步评估(图10B)。如微计算机断层扫描(micro-CT)图像(图10C)所示,在G20组支架(红色)的内部空间中发现的新形成的骨骼(绿色)比Smooth组中的多。micro-CT的统计分析显示，G20组的骨体积/总体积(BV/TV)值显着高于Blank组和Smooth组(图10D)。此外，Van-Gieson染色显示G20组形成的新骨(红色)多于Blank组和Smooth组(图10E)。
实施例8、具有齿轮沟槽状结构的微结构单元为三角形的支架的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有名称为三角的空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出具有齿轮沟槽状结构的磷酸三钙三角支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
实施例9、具有齿轮沟槽状结构的微结构单元为圆弧(外)的支架的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有名称为圆弧(外)的空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出具有齿轮沟槽状结构的磷酸三钙圆弧(外)支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
实施例10、具有齿轮沟槽状结构的微结构单元为圆弧(内)的支架的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有名称为圆弧(内)的空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出具有齿轮沟槽状结构的磷酸三钙圆弧(内)支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
实施例11羟基磷灰石G50受齿轮启发的支架的制备
(1)称取10g羟基磷灰石陶瓷粉，1.5g海藻酸钠粉以及12g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有G50空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出G50受齿轮启发的羟基磷灰石支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1100℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
实施例12、铁G50具有齿轮沟槽状结构的支架的制备
(1)称取10g铁粉，1g海藻酸钠粉以及4.5g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有G50空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出G50具有齿轮沟槽状结构的铁支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1250℃烧结，烧结气氛为惰性气体，保温时间为3h。
实施例13、壳聚糖G50具有齿轮沟槽状结构的支架的制备
(1)称取10g壳聚糖，6g海藻酸钠粉以及40g去离子水手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有G50空心圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出G50具有齿轮沟槽状结构的水凝胶支架。
(3)将微沟槽水凝胶支架立即用饱和浓度的氯化钙溶液交联。
实施例14、受齿轮启发的有序微结构在内表面的内沟槽支架的制备
(1)称取10gβ相的磷酸三钙陶瓷粉，0.6g海藻酸钠粉以及7.2g F-127溶液手动搅拌混合均匀，得到3D打印浆料。
(2)将浆料装入料筒中，并将装配有名称为内沟槽的圆盘零件的新型喷嘴安装到料筒上，通过预先编写的程序打印出具有齿轮沟槽状结构的磷酸三钙内沟槽支架生坯。
(3)将干燥后的支架生坯以2℃/min的速率升温至1150℃烧结，烧结气氛为空气，保温时间为3h。
Claims (10)
1.一种具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架，其特征在于，所述生物活性支架由支柱堆积而成，所述支柱表面具有不同尺寸参数或者形状的齿轮沟槽状结构。
2.根据权利要求1所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架，其特征在于，所述支柱包括第一圆柱状本体和位于所述第一圆柱状本体表面、沿所述第一圆柱状本体径向延伸的齿轮外沟槽状结构凸起部，所述齿轮外沟槽状结构凸起部的截面包括长方形、三角形和弧形。
3.根据权利要求2所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架，其特征在于，所述第一圆柱状本体的直径为400-600μm，所述长方形齿轮外沟槽状结构凸起部的沟槽宽度、沟槽深度和齿轮脊的宽度各为20-80μm，所述三角形或弧形齿轮外沟槽状结构凸起部的沟槽深度为80-120μm。
4.根据权利要求1所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架，其特征在于，所述支柱包括第二圆柱状本体和位于所述第二圆柱状本体内部、沿所述第二圆柱状本体径向延伸的齿轮内沟槽状结构孔洞，所述齿轮内沟槽状结构孔洞的截面包括长方形、三角形和弧形。
5.根据权利要求4所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架，其特征在于，所述第二圆柱状本体的外径为1.8-2.6mm，内径约为0.5-1.5mm；所述长方形齿轮内沟槽状结构孔洞的沟槽宽度、沟槽深度和齿轮脊的宽度各为20-80μm，所述三角形或弧形齿轮内沟槽状结构孔洞的沟槽深度为80-120μm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架，其特征在于，所述生物活性支架的材质为生物陶瓷、有机物或者金属，优选为β相的磷酸三钙(Ca3(PO4)2)、羟基磷灰石(Ca5(PO4)3(OH))、壳聚糖、铁中的任意一种。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架，其特征在于，所述生物活性支架的抗压强度为2-8MPa。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架，其特征在于，所述生物活性支架为3D打印支架。
9.一种权利要求1-8中任一项所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将混合均匀的含有各种原料粉体的浆料通过3D打印技术制备支架生坯，打印过程中使用装配有不同零件的喷嘴，通过改变喷嘴中零件的尺寸参数及形状来控制所述具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架的表面结构的各种尺寸参数和形状；
将支架生坯通过高温烧结得到所述生物活性支架；
其中，有机物生物活性支架还包括将支架生坯通过浸渍在饱和氯化钙溶液中进行交联的步骤。
10.一种权利要求1-8中任一项所述的具有齿轮沟槽状结构的生物活性支架在制备骨修复材料中的应用。
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