CN116115829A - 一种压电支架及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压电支架及其制备方法和应用，所述压电支架包括至少两个层叠体，每一所述层叠体包括至少两根股线，每一所述股线包括至少两根呈螺旋状缠绕的纤维，所述层叠体表面包覆压电涂层，所述纤维包括生物复合材料，所述生物复合材料包括聚合物和陶瓷颗粒。本发明螺旋压电支架具备较好的力学缓冲能力，在外力作用下，微观结构下的螺旋状缠绕的纤维相互错动发生极化，可进一步有助于压电支架的功能性表现。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程和生物医用材料技术领域，尤其涉及一种压电支架及其制备方法和应用。
背景技术
全球人口的老龄化和人均寿命的升高，加之因交通事故、恶性骨肿瘤等原因造成的骨缺损患者数量日益增多，骨修复和骨愈合的难度越来越大，且受到各种因素的影响。生物材料被认为是促进高效快速骨修复的有力工具，尤其是当前比较流行的3D打印骨修复支架、骨组织修复水凝胶及纳米材料等。人体骨组织是一种天然“压电材料”，可以将日常生活中运动产生的机械力转化为电信号。因此，研发骨修复材料，不仅要保证外观结构的修复，还可以从电刺激的方面尽可能保证生物电活性，为细胞创造适宜的环境。对于骨组织的重要组成部分，胶原和羟基磷灰石的压电性相关的电微环境在骨的各种生理特性中起着关键作用。在骨缺损愈合期间，骨组织降低的生物电位将恢复到正常水平，这表明应用电刺激恢复降低的生物电位可能是促进骨再生的有效方法。
研究表明，在一定范围内，骨所受压力负荷越高，骨表面负电位越高，促进成骨细胞增殖分化的效果越强，成骨作用越强，因此长期卧床的患者和太空旅行的宇航员往往骨密度低，易患骨质疏松。同时，骨组织在受到应力时，带负电位的一面成骨细胞增殖分化能力加快，该面呈骨修复状态，带正电位一面的破骨细胞活性增强，该面呈骨吸收状态。因此，骨的压电效应在骨修复中起重要作用。
当前的压电骨修复支架主要以压电陶瓷、压电聚合物及其两者的聚合物构成，重点在于从材料学的角度对压电骨修复支架进行调控与优化，支架的结构形式较为单一，另一方面当前的压电骨修复支架的制备工艺复杂。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一个方面提出一种压电支架，能够实现支架电刺激诱导成骨功能并提供空间支撑和较大的力学支撑性。
本发明的第二个方面提出了一种所述压电支架的制备方法。
本发明的第三个方面提出了一种所述压电支架的应用。
根据本发明的第一个方面，提出了一种压电支架，包括至少两个层叠体，每一所述层叠体包括至少两根股线，每一所述股线包括至少两根呈螺旋状缠绕的纤维，所述层叠体表面包覆压电涂层，所述纤维包括生物复合材料，所述生物复合材料包括聚合物和陶瓷颗粒。
本发明中，压电支架中纤维和压电涂层能满足成骨及压电效应，螺旋结构支架一方面提供支架的空间支撑，另一方面相较于常规支架具有较好的力学缓冲能力，可实现相同应力条件下支架结构不被破坏，还能满足压电支架变形刺激的形变要求。类似于骨的构成，剪切力使胶原纤维相互错动进而发生极化，使骨骼体现出压电性能，支架的整体压缩能激发支架的极化效应，支架中至少两根螺旋纤维在受力过程中同样也会导致极化的发生，从而导致更好的压电效应，更有利于骨修复。
在本发明的一些实施方式中，每一所述层叠体包括同一平面上平行或相交排列的至少两根股线。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述螺旋状为双螺旋状或多螺旋状。
在本发明的一些更优选的实施方式中，每一所述股线包括两根呈双螺旋状缠绕的纤维。
在本发明的一些更优选的实施方式中，每一所述股线包括三根或三根以上呈多螺旋状缠绕的纤维。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述至少两根纤维为同向和/或反向螺旋状缠绕。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述纤维的平均直径为0.15mm～0.8mm。
在本发明的一些更优选的实施方式中，同一所述纤维的缠绕间距为0.5mm～2.0mm。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述聚合物和所述陶瓷颗粒的质量比为1：(1～2)。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述压电涂层包括压电聚合物涂层；优选地，所述压电聚合物包括3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯、共聚物聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯三氟乙烯、奇数尼龙或左旋聚乳酸的至少一种。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述聚合物包括聚乙烯醇、聚己内酯、聚乳酸、明胶、海藻酸钠的至少一种。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述陶瓷颗粒包括羟基磷灰石颗粒、磷酸钙颗粒、硅酸镁颗粒、硅酸钙颗粒的至少一种。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述生物复合材料还包括微纳米颗粒；优选地，所述微纳米颗粒包括任选载药或不载药微纳米颗粒；进一步优选地，所述微纳米颗粒包括微球、介孔硅、介孔硅酸钙的至少一种。
根据本发明的第二个方面，提出了一种所述的压电支架的制备方法，包括以下步骤：
将生物复合材料制成长条纤维，再将至少两根纤维呈螺旋状缠绕形成股线，至少两根股线在排列形成层叠体，至少两个层叠体层叠形成支架后，浸泡于压电材料溶液中形成压电涂层，再进行电压极化，制得所述压电支架。
在本发明的一些实施方式中，所述压电材料溶液包括3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯、共聚物聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯三氟乙烯、奇数尼龙或左旋聚乳酸的至少一种形成的溶液；优选地，所述压电材料溶液的质量浓度为6％～10％。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述压电支架的制备方法中，采用包括挤出、光固化、激光制造的至少一种将生物复合材料制成长条纤维。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述压电支架的制备方法还包括对所述支架置于200℃、10MPa下处理1h，冷却后再进行电压极化。
在本发明的一些更优选的实施方式中，所述电压极化的电压为5KV/mm，时间为30min。
根据本发明的第三个方面，提出了一种所述压电支架在制备骨修复材料中的应用。
本发明的有益效果为：本发明采用双螺旋支架+压电涂层相结合的方式，快速制备压电骨修复支架，一方面螺旋支架是一个较好的浆料平台，可实现浆料的多种搭配；另一方面，螺旋压电支架具备较好的力学缓冲能力，在外力作用下，微观结构下的螺旋状缠绕的纤维相互错动发生极化，可进一步有助于压电支架的功能性表现。此外，采用浸提法，可快实现压电支架的制备。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明双螺旋压电支架的结构示意图。
图2为制备以下实施例和对比例压电支架的挤出设备结构示意图，其中(a)为美式10cc管；(b)为模型外观；(c)为内部结构；(d)为零件展示。
图3为本发明实施例和对比例制得的压电支架的支撑性测试结果，其中，(a)～(a-5)为圆筒压电支架，(b)～(b-5)为6转螺旋压电支架,(c)～(c-5)为8转螺旋压电支架,(d)～(d-5)为10转螺旋压电支架。
图4为本发明实施例和对比例制得的压电支架的应力-应变及压缩弹性性能测试结果，其中，(a)为应力-应变曲线；(b)为压缩弹性模量。
附图标记：10-外部钢桶；11-内料桶；12-止推轴承；13-长管道；14-外料桶；15-外料桶底盖；16-内齿圈；17-短管道；18-电机；19-电机圆台。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
图1为本发明双螺旋压电支架的结构示意图。
图2为制备以下实施例压电支架的挤出设备结构示意图，其中(a)为美式10cc管；(b)为模型外观；(c)为内部结构；(d)为零件展示。
实施例1
本实施例制备了一种压电支架，具体过程为：
S1：将9mL去离子水加入0.407g的聚丙烯酸铵中作为溶剂；用氨水调节聚丙烯酸铵溶液的pH值为8；将聚丙烯酸铵溶液与27.12g的β-磷酸三钙(β-TCP)粉体(粒径为1μm的类球形)混合，使用行星球磨机球磨6小时(频率35Hz)，得浆料；向浆料中加入羟丙基甲基纤维素为流变助剂，加入量是β-TCP粉体的1.1wt％，使用行星球磨机高速球磨(频率42Hz)混合3小时，制得浆料。
S2：采用如图2所示的双螺旋支架挤出部件，将上述浆料装入螺旋打印部件的料筒内，采用直径0.38mm规格的针头，连接通气装置，固定在低温挤出喷头内。其中挤出喷头的温度设置为23℃，低温打印平台温度为3℃，打印气压范围在180KPa～230KPa，打印线宽0.3mm，间距1.5mm。待打印支架干燥后，置入到高温焚烧炉进行烧结干燥，温度为500℃，时间为6h，制得最后的陶瓷支架。
S3：将上述陶瓷支架浸泡于质量浓度为6％的左旋聚乳酸水溶液中2min，取出支架沥干后，在支架两面贴上导电胶布，在硅油中以5KV/mm电压极化30min，制得压电支架。
本实施例按照上述方法，分别采用挤出6转、8转、10转纤维呈螺旋状缠绕形成股线，再形成螺旋状支架并最终分别制得6转、8转、10转压电支架。
对比例
本对比例制备了一种圆筒支架，与实施例1的区别在于挤出的纤维不交捻，直接以股线的形式进行排列形成层叠体并最终形成圆筒状支架，具体过程为：
S1：将9mL去离子水加入0.407g的聚丙烯酸铵中作为溶剂；用氨水调节聚丙烯酸铵溶液的pH值为8；将聚丙烯酸铵溶液与27.12g的β-磷酸三钙(β-TCP)粉体(粒径为1μm的类球形)混合，使用行星球磨机球磨6小时(频率35Hz)，得浆料；向浆料中加入羟丙基甲基纤维素为流变助剂，加入量是β-TCP粉体的1.1wt％，使用行星球磨机高速球磨(频率42Hz)混合3小时，制得浆料。
S2：采用3D打印支架挤出部件，将上述浆料装入挤出打印部件的料筒内，采用直径0.38mm规格的针头，连接通气装置，固定在低温挤出喷头内。其中挤出喷头的温度设置为23℃，低温打印平台温度为3℃，打印气压范围在180KPa～230KPa，打印线宽0.3mm，间距1.5mm。待打印支架干燥后，置入到高温焚烧炉进行烧结干燥，温度为500℃，时间为6h，制得最后的圆筒状陶瓷支架。
S3：将上述圆筒状陶瓷支架浸泡于质量浓度为6％的左旋聚乳酸水溶液中2min，取出支架沥干后，在支架两面贴上导电胶布，在硅油中以5KV/mm电压极化30min，制得压电支架。
试验例1
本试验例对制得的压电支架进行力学性能测试，具体过程为：
使用Abaqus对固体做有限元分析的步骤如下：先将制备好的双螺旋支架三维模型导入Abaqus软件内，在软件内校对模型，调节参数；对复杂结构进行合理切割，方便网格布种；设置材料属性，本试验例主要对材料的杨氏模量、质量密度、泊松比进行定义，参数水凝胶材料为基础建立(质量密度：7.85E-09，杨氏模量:5，泊松比：0.3)；后续设置分析步长、运动方向以及载荷值，选择输出量后即可创建作业并提交运行；其运动模式是在支架上下两面设置两块夹板，底部夹板固定不动，于另一侧夹板上施加载荷，起到拉伸或压缩的效果。在压缩测试中，对待测支架模型的上侧夹板施加均匀向下的载荷，数值恒定为10，输出应力值、应变值；每组支架在压缩测试中依次选取四个不同的应变点，输出每个应变点对应时刻的应力云图、位移云图、应力曲线以及位移曲线。
压电支架的力学支撑性测试结果如图3所示，其中，(a)～(a-5)为圆筒支架，(b)～(b-5)为6转双螺旋支架,(c)～(c-5)为8转双螺旋支架,(d)～(d-5)为10转双螺旋支架。
从图3可以发现，在相同的压缩比(压缩位移)下，双螺旋支架相较于传统直筒支架更有更好的承载能力，整体结构具有更好的力学缓冲能力，在压缩比为0.4的条件下，直筒支架呈现出压崩(粉红色应力点，且结构已经交错)的情况下，双螺旋支架依然保持有较好的空间结构(应力分布均匀，且结构界限依旧十分清晰)。因此，对于常受到外界载荷下的支架来说，双螺旋支架可以承受更大的压缩应变，对于压电材料的性能展示更加有利。
压电支架的应力-应变及压缩弹性性能测试结果如图4所示，其中，(a)为应力-应变曲线；(b)为压缩弹性模量。
从图4可看出，在支架的同一应力水平，双螺旋支架可以承受更大的应变，其整体的弹性模量与传统支架依旧相当，因此这种具备较大力学缓冲性的性能对于压电支架来说，是个很巧妙的搭配。
试验例2
本试验对制得的压电支架进行生物性能测试，具体过程为：
支架在种植细胞前需要进行灭菌，将待接种的支架完全浸泡在含无水乙醇的50mL离心管中12～24h，期间将离心管带入细胞操作间，经紫外照射进行灭菌消毒浸泡在含有PBS的50mL离心管中30min，反复清洗三次。接种前需将待测材料浸泡在完全培养基中3h以上，并于接种前将支架吹干，保持无菌状态；将支架移入24孔板内，每孔种植5万细胞，每孔再加入1mL完全培养基至使得液体充分包裹支架，放入培养箱中培养孵育，每天观测细胞孵育状况，每隔3天抽出孔板内的液体，重新加入适量完全培养基，继续防止培养箱中孵育观察。分别在1、3、7天不同的时间节点取出细胞培养箱中的样品进行测试，具体步骤如下：使用完全培养基在避光条件下稀释CCK-8原液，按照9：1的比例制备CCK-8试剂，试剂量根据孔板的数量和容积确定，抽出孔板内的液体，每孔加入CCK-8试剂直到完全没过支架，用锡纸小心包裹孔板并做好标记，放回培养箱内避光孵育2h，取出后使用酶标仪检测支架材料对于细胞增殖所产生的影响。
上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (10)
1.一种压电支架，其特征在于：包括至少两个层叠体，每一所述层叠体包括至少两根股线，每一所述股线包括至少两根呈螺旋状缠绕的纤维，所述层叠体表面包覆压电涂层，所述纤维包括生物复合材料，所述生物复合材料包括聚合物和陶瓷颗粒。
2.根据权利要求1所述的压电支架，其特征在于：每一所述层叠体包括同一平面上平行或相交排列的至少两根股线。
3.根据权利要求1所述的压电支架，其特征在于：所述螺旋状为双螺旋状或多螺旋状。
4.根据权利要求1所述的压电支架，其特征在于：每一所述股线包括两根呈双螺旋状缠绕的纤维。
5.根据权利要求1所述的压电支架，其特征在于：每一所述股线包括三根或三根以上呈多螺旋状缠绕的纤维。
6.根据权利要求1所述的压电支架，其特征在于：所述纤维的平均直径为0.15mm～0.8mm。
7.根据权利要求1所述的压电支架，其特征在于：同一所述纤维的缠绕间距为0.5mm～2.0mm。
8.根据权利要求1所述的压电支架，其特征在于：所述压电涂层包括压电聚合物涂层。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的压电支架的制备方法，包括以下步骤：
将生物复合材料制成长条纤维，再将至少两根纤维呈螺旋状缠绕形成股线，至少两根股线在排列形成层叠体，至少两个层叠体层叠形成支架后，浸泡于压电材料溶液中形成压电涂层，再进行电压极化，制得所述压电支架。
10.一种如权利要求1～8任一项所述的压电支架在制备骨修复材料中的应用。
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Citations (4)
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| US20140370072A1 (en) * | 2007-08-07 | 2014-12-18 | Abbott Cardiovascular Systems Inc. | Prohealing piezoelectric coatings |
| CN105797213A (zh) * | 2016-03-30 | 2016-07-27 | 北京大学口腔医院 | 一种电活性纳米纤维支架材料及其制备方法 |
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2022
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