CN115998960A - 3d打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，涉及生物医用材料技术领域。本发明包括抗菌层和促成骨层，抗菌层为外层HA/SA复合凝胶材料负载米诺环素，促成骨层为内层HA/SA复合材料负载马鹿角粉，HA为羟基磷灰石，SA为海藻酸钠，羟基磷灰石、海藻酸钠和不同药物(米诺环素或马鹿角粉)的质量比例为(20‑25)：(4‑6)：(米诺环素0.1‑0.2或马鹿角粉1‑2)。本发明通过设置支架的内外层均为羟基磷灰石和海藻酸钠作为基体材料，保证了外层药物先于内层药物释放。即在支架植入的初期，外层米诺环素药物发挥抗菌和抗炎的功效，内层马鹿角粉药物后期释放，起到促成骨修复的作用。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，特别是涉及3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法。
背景技术
由创伤、肿瘤切除、病理变性和先天畸形等因素引起的颌骨缺损病例仅我国每年新增就高达300万例，而口腔颌面骨承担着咀嚼、吞咽、言语、外貌以及感觉等重要生理功能，面部创伤导致的患者颌面畸形极大程度上影响患者生理和心理健康。
同时，颌骨损伤的形态和解剖结构较为复杂，且常伴随着感染等并发症。因此，在植入体设计时，不仅要满足不规则结构缺损组织的匹配，还需要关注其在抗炎、抗菌方面的治疗效果。
近年来，随着组织工程的发展，作为再生医学的三大要素之一的生物材料支架，在骨重建过程中扮演着重要角色。
基于相关文献报道，现有的人工骨修复材料在骨传导性、骨诱导性、骨整合性、抗炎/感染能力和外界智能响应等单一因素及单一生物功能研究方面取得了显著进步，但支架材料的多重生物功能复合设计，以及骨再生过程中的抗菌和成骨等多生物功能程序化调控，是亟需解决的重要科学问题，因此，我们提出3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，以解决了现有的问题：现有的人工骨修复材料在骨传导性、骨诱导性、骨整合性、抗炎/感染能力和外界智能响应等单一因素及单一生物功能研究方面取得了显著进步，但支架材料的多重生物功能复合设计，以及骨再生过程中的抗菌和成骨等多生物功能程序化调控，是亟需解决的重要科学问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，包括抗菌层和促成骨层，所述抗菌层为外层HA/SA复合凝胶材料负载米诺环素，所述促成骨层为内层HA/SA复合材料负载马鹿角粉，所述HA为羟基磷灰石，所述SA为海藻酸钠，所述羟基磷灰石、海藻酸钠和不同药物(米诺环素或马鹿角粉)的质量比例为(20-25)：(4-6)：(米诺环素0.1-0.2或马鹿角粉1-2)。
进一步地，所述将称取好质量的SA粉末加入去离子水中，搅拌过夜，配制浓度为40-60mg/ml的海藻酸钠溶液，制备的海藻酸钠溶液分别置于40-50℃的环境内保温30-60min，然后将羟基磷灰石粉体分别缓慢加入海藻酸钠溶液中，充分混合均匀，获得羟基磷灰石最终浓度为20-25mg/ml的海藻酸钠(40-60mg/ml)和羟基磷灰石(20-25mg/ml)混合溶液。
进一步地，所述将米诺环素加到海藻酸钠(40-60mg/ml)和羟基磷灰石(20-25mg/ml)混合溶液中，使其混合均匀，得到米诺环素的浓度为0.1-0.2mg/ml的混合溶液，最终支架外层载米诺环素的混合浆料材料配比——羟基磷灰石：海藻酸钠：米诺环素：去离子水＝(20-25)：(4-6)：(0.1-0.2)：100，所述得到外层HA/SA复合凝胶材料负载米诺环素的浆料，所述将马鹿角粉加到海藻酸钠(40-60mg/ml)和羟基磷灰石(20-25mg/ml)混合溶液(3)中，使其混合均匀，得到马鹿角粉的浓度为10-20mg/ml的混合溶液，最终内层载马鹿角粉的混合浆料材料配比——羟基磷灰石：海藻酸钠：马鹿角粉：去离子水＝(20-25)：(4-6)：(1-2)：100，所述得到内层HA/SA复合材料负载马鹿角粉的浆料。
进一步地，所述配制质量分数为10％氯化钙溶液，作为交联剂。
进一步地，所述通过Solid works软件设计出所需支架的三维模型，采用同轴3D打印技术，使用外层HA/SA复合凝胶材料负载米诺环素的浆料和内层HA/SA复合材料负载马鹿角粉的浆料分别作为墨水的外层和内层，所述打印后的每根打印丝都由内外双层的生物墨水组成，所述得到具有一级稳定宏观结构的多孔生物活性陶瓷支架材料，所述将具有一级稳定宏观结构的多孔生物活性陶瓷支架材料浸泡于交联剂进行离子交联反应30-60min，然后进行冷冻干燥处理，形成具有二级微观孔结构的生物活性陶瓷支架材料。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过羟基磷灰石、海藻酸钠、米诺环素和马鹿角粉几种材料的选择，其均具有良好的生物相容性，并且海藻酸钠溶液具有一定的可打印性，与氯化钙的化学交联会显著提升支架的力学强度。
2、本发明通过设置支架内外层分别负载促成骨和抗菌药物，赋予骨修复支架骨修复的作用，而且使支架在植入初期还能起到抗菌和抗炎的功效，支架的内外层均为羟基磷灰石和海藻酸钠作为基体材料，保证了外层药物先于内层药物释放。即在支架植入的初期，外层米诺环素药物发挥抗菌和抗炎的功效，内层马鹿角粉药物后期释放，起到促成骨修复的作用。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的制备流程图；
图2为本发明的3D打印流程图；
图3为本发明3D打印样式图；
图4为本发明下颌骨修复支架的样式图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4所示，本发明为3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，包括抗菌层和促成骨层，抗菌层为外层HA/SA复合凝胶材料负载米诺环素1，促成骨层为内层HA/SA复合材料负载马鹿角粉2，HA为羟基磷灰石，SA为海藻酸钠，羟基磷灰石、海藻酸钠和不同药物(米诺环素或马鹿角粉)的质量比例为(20-25)：(4-6)：(米诺环素0.1-0.2或马鹿角粉1-2)。
将称取好质量的SA粉末加入去离子水中，搅拌过夜，配制浓度为40-60mg/ml的海藻酸钠溶液，制备的海藻酸钠溶液分别置于40-50℃的环境内保温30-60min，然后将羟基磷灰石粉体分别缓慢加入海藻酸钠溶液中，充分混合均匀，获得羟基磷灰石最终浓度为20-25mg/ml的海藻酸钠(40-60mg/ml)和羟基磷灰石(20-25mg/ml)混合溶液3，将米诺环素加到海藻酸钠(40-60mg/ml)和羟基磷灰石(20-25mg/ml)混合溶液3中，使其混合均匀，得到米诺环素的浓度为0.1-0.2mg/ml的混合溶液，最终支架外层载米诺环素的混合浆料材料配比——羟基磷灰石：海藻酸钠：米诺环素：去离子水＝(20-25)：(4-6)：(0.1-0.2)：100，得到外层HA/SA复合凝胶材料负载米诺环素1的浆料，将马鹿角粉加到海藻酸钠(40-60mg/ml)和羟基磷灰石(20-25mg/ml)混合溶液3中，使其混合均匀，得到马鹿角粉的浓度为10-20mg/ml的混合溶液，最终内层载马鹿角粉的混合浆料材料配比——羟基磷灰石：海藻酸钠：马鹿角粉：去离子水＝(20-25)：(4-6)：(1-2)：100，得到内层HA/SA复合材料负载马鹿角粉2的浆料，通过羟基磷灰石、海藻酸钠、米诺环素和马鹿角粉的配比，其均具有良好的生物相容性，预期会产生优异的骨修复效果。
配制质量分数为10％氯化钙溶液，作为交联剂4，海藻酸钠溶液具有一定的可打印性，与氯化钙的化学交联会显著提升支架的力学强度。
通过Solid works软件设计出所需支架的三维模型，采用同轴3D打印技术，使用外层HA/SA复合凝胶材料负载米诺环素1的浆料和内层HA/SA复合材料负载马鹿角粉2的浆料分别作为墨水的外层和内层，打印后的每根打印丝都由内外双层的生物墨水组成，得到具有一级稳定宏观结构的多孔生物活性陶瓷支架材料5，将具有一级稳定宏观结构的多孔生物活性陶瓷支架材料5浸泡于交联剂4进行离子交联反应30-60min，然后进行冷冻干燥处理，形成具有二级微观孔结构的生物活性陶瓷支架材料6，支架的内外层均为羟基磷灰石和海藻酸钠作为基体材料，保证了外层药物先于内层药物释放。即在支架植入的初期，外层米诺环素药物发挥抗菌和抗炎的功效，内层马鹿角粉药物后期释放，起到促成骨修复的作用。
本实施例的一个具体应用为：首先将5.0g海藻酸钠溶于100ml去离子水中，35-40℃水浴加热，搅拌过夜后，配制浓度为40mg/ml的海藻酸钠溶液；然后将羟基磷灰石粉体缓缓加入混匀后的海藻酸钠溶液中，先使用混合脱泡仪以500rpm预混30s，再以2000rpm正式混合5min，获得羟基磷灰石最终浓度为25mg/ml的混合溶液。接着将两种药物米诺环素和马鹿角粉分别加到混合溶液中，充分混合均匀，最终获得的支架外层载米诺环素的混合浆料材料配比——羟基磷灰石：海藻酸钠：米诺环素：去离子水＝25：5：0.1：100；内层载马鹿角粉的混合浆料材料配比——羟基磷灰石：海藻酸钠：马鹿角粉：去离子水＝25：5：1：100；将这两种混合溶液作为预备墨水。采用同轴3D打印技术，选用两种混合浆料分别作为墨水的外层和内层，同轴结构的外层为载米诺环素的生物墨水，内层为载马鹿角粉的生物墨水，支架的内径为200-500μm，外径为400-900μm，打印后的每根打印丝都由内外双层的生物墨水组成，使得支架较单轴打印的支架具有更高的充填度，且具有一级稳定宏观结构的多孔生物活性陶瓷支架材料；最终通过同轴3D打印技术，制备一种多孔生物活性下颌骨修复支架，将打印后的支架浸泡于氯化钙溶液中进行离子交联反应30-60min，然后进行冷冻干燥处理，形成具有二级微观孔结构的生物活性陶瓷支架材料。由于支架的内外层均为羟基磷灰石和海藻酸钠作为基体材料，理论上保证了外层药物先于内层药物的释放，即在支架植入的初期，外层米诺环素药物优先释放，发挥抗菌和抗炎的功效；内层的马鹿角粉药物后期释放，起到促成骨修复的作用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，包括抗菌层和促成骨层，其特征在于：所述抗菌层为外层HA/SA复合凝胶材料负载米诺环素(1)，所述促成骨层为内层HA/SA复合材料负载马鹿角粉(2)，所述HA为羟基磷灰石，所述SA为海藻酸钠，所述羟基磷灰石、海藻酸钠和不同药物(米诺环素或马鹿角粉)的质量比例为(20-25)：(4-6)：(米诺环素0.1-0.2或马鹿角粉1-2)。
2.根据权利要求1所述的3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，其特征在于：所述将称取好质量的SA粉末加入去离子水中，搅拌过夜，配制浓度为40-60mg/ml的海藻酸钠溶液。
3.根据权利要求2所述的3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，其特征在于：所述制备的海藻酸钠溶液分别置于40-50℃的环境内保温30-60min，然后将羟基磷灰石粉体分别缓慢加入海藻酸钠溶液中，充分混合均匀，获得羟基磷灰石最终浓度为20-25mg/ml的海藻酸钠(40-60mg/ml)和羟基磷灰石(20-25mg/ml)混合溶液(3)。
4.根据权利要求3所述的3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，其特征在于：所述将米诺环素加到海藻酸钠(40-60mg/ml)和羟基磷灰石(20-25mg/ml)混合溶液(3)中，使其混合均匀，得到米诺环素的浓度为0.1-0.2mg/ml的混合溶液，最终支架外层载米诺环素的混合浆料材料配比——羟基磷灰石：海藻酸钠：米诺环素：去离子水＝(20-25)：(4-6)：(0.1-0.2)：100，所述得到外层HA/SA复合凝胶材料负载米诺环素(1)的浆料。
5.根据权利要求3所述的3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，其特征在于：所述将马鹿角粉加到海藻酸钠(40-60mg/ml)和羟基磷灰石(20-25mg/ml)混合溶液(3)中，使其混合均匀，得到马鹿角粉的浓度为10-20mg/ml的混合溶液，最终内层载马鹿角粉的混合浆料材料配比——羟基磷灰石：海藻酸钠：马鹿角粉：去离子水＝(20-25)：(4-6)：(1-2)：100，所述得到内层HA/SA复合材料负载马鹿角粉(2)的浆料。
6.根据权利要求1所述的3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，其特征在于：所述配制质量分数为10％氯化钙溶液，作为交联剂(4)。
7.根据权利要求1、4和5所述的3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，其特征在于：所述通过Solid works软件设计出所需支架的三维模型，采用同轴3D打印技术，使用外层HA/SA复合凝胶材料负载米诺环素(1)的浆料和内层HA/SA复合材料负载马鹿角粉(2)的浆料分别作为墨水的外层和内层，所述打印后的每根打印丝都由内外双层的生物墨水组成，所述得到具有一级稳定宏观结构的多孔生物活性陶瓷支架材料(5)。
8.根据权利要求6和7所述的3D打印定制的多生物功能颌骨缺损修复材料及其制备方法，其特征在于：所述将具有一级稳定宏观结构的多孔生物活性陶瓷支架材料(5)浸泡于交联剂(4)进行离子交联反应30-60min，然后进行冷冻干燥处理，形成具有二级微观孔结构的生物活性陶瓷支架材料(6)。
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