一种3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印Ti‑水凝胶‑成骨细胞骨组织工程支架及其制备方法。通过SLM技术将Ti6Al4V粉末加工成为具有多孔结构的3D打印Ti支架；随后在一定条件下将水凝胶‑成骨细胞混合物填充进入3D打印Ti支架的孔隙，从而制备3D打印Ti‑水凝胶‑成骨细胞骨缺损修复支架。本发明专利技术具有结构简单可靠，外形与微结构可控，力学性能可靠，植入方便，创伤小、成本低的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架及其制备方法
本专利技术属于骨组织修复及重建领域，涉及一种3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架及其制备方法。
技术介绍
骨缺损的修复和重建是骨科临床面临的问题之一。众所周知，自体骨被认为是骨移植的金标准，但其来源有限且可能导致供给部位的坏死、术后的慢性疼痛、过敏反应和感染等并发症。而同种异体骨和异种骨由于来源广泛且不需要额外的手术操作而被广泛应用，但同时也存在缓慢的整合与重塑、免疫排斥反应和疾病传播等并发症，尤其是降低了移植物的骨诱导性和骨传导性。目前支架材料有生物活性磷酸钙陶瓷、磷酸钙骨水泥(CPC)、羟基磷灰石(HA)、珊瑚、石膏；聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)；胶原、脱钙骨基质(DBM)、纤维蛋白凝块(FC)等。而理想的骨基质材料应具备以下几个条件:(1)良好的生物相容性,在植入体内以后,无论其本身或其降解产物都应对机体无毒副作用,不会产生炎症反应,不会引起宿主的移植排斥反应。(2)材料的降解速率必须与新骨的生成速率相匹配，材料完成支架作用后,可被完全吸收。(3)具有孔隙率至少达90％以上的三维立体结构和一定的坚韧性,为组织细胞提供高比率的接触表面积和生长空间。(4)材料不仅能维持细胞形态和表型,而且能促进细胞粘附、增殖,诱导组织再生。虽然目前研究的多孔陶瓷材料、高分子材料及其他们的复合材料等能够作为有潜力的骨移植支架材料，但是它们均存在种种弊端，尤其是不能满足承重部位骨组织修复的要求。近几年来，三维多孔结构的金属支架的潜在应用吸引了越来越多的研究者的注意力，三维多孔结构的金属支架被认为一种很有前景的骨移植材料而广泛应用于骨科和牙科领域。和陶瓷、聚合物材料相比，金属因其较高的机械强度和断裂韧性而适合承重部位的应用。在众多金属材料中，钛及其合金因其良好的生物相容性、生物安全性、良好的机械特性以及耐腐蚀性等优点而被广泛应用。但钛金属作为支架材料，同样具有生物活性较低的问题，因此，目前已开展众多基于材料本身的改性及种子细胞及骨生成和吸收相关的生长因子的复合的研究。材料本身改性主要依靠理化因素的处理，包括酸碱处理，电磁及氧化还原的方式引入其他元素以期待提升支架的生物活性。这些方法在支架制备过程中即较为复杂，且均一性难以得到控制。而种子细胞是组织工程化骨的关键问题。理想的种子细胞具有取材容易,对机体损伤小；体外扩增容易，表达稳定；植入体内无免疫排斥，具有成骨较强能力，而无致瘤性。目前研究较多的有成骨细胞、骨髓基质细胞、间充质干细胞、脂肪干细胞及胚胎干细胞等。但是对于金属支架而言，较低的细胞携带率仍是阻碍其进一步发展的瓶颈。至于生长因子，目前发现认识的骨生成相关的有骨形态发生蛋白(bonemorphogeneticproteins,BMP)、转化生长因子-β(transforminggrowthfactor-β,TGF-β)、类胰岛素生长因子(insulin-likegrowthfactor,IGF)、碱性成纤维细胞生长因子(fibroblastgrowthfactorFGF)、血小板衍生因子(platelet-derivedgrowthfactor,PDGF)、血管内皮细胞生长因子(vascu2larendothelialgrowthfactor,VEGF)等。但是生物活性因子存在免疫排斥、病原体传播、过敏反应、潜在致肿瘤、致畸形可能性，生物安全性得不到保证，而且临床级的rhBMP-2、TGF-β等生物因子往往需要进口，且价格昂贵，每毫克的采购价就达到近千美元。综上所述，开发出一种结构简单可靠，力学强度合适，手术植入方便，对人体创伤小，低成本、可诱导骨长入的组织工程化骨以行骨缺损的修复治疗对我国的卫生事业发展、对建设创新性国家都有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的上述不足，提供一种3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架。本专利技术的另一目的是提供该3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架的制备方法。本专利技术的目的可通过以下技术方案实现：一种3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架，由Ti6Al4V经3D打印技术制备的具有多孔结构的3D打印Ti支架，及在Ti支架的孔隙内填充的水凝胶-成骨细胞混合物组成。本专利技术所述的3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架，优选通过SLM技术将Ti6Al4V粉末加工成为具有多孔结构的3D打印Ti支架；随后在一定条件下将水凝胶-成骨细胞混合物填充进入3D打印Ti支架的孔隙，从而制备3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨缺损修复支架。所述的3D打印Ti支架内部排列为0-90°正交行结构、0-60-120°三角形结构在内的规律性孔隙，或依据实际需要形成特殊的梯度化、层次化相交结构。本专利技术所述的3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架的制备方法，以Ti6Al4V粉末为原料，通过激光烧结技术形成纤维网格状结构的Ti支架，将携带成骨细胞的琼脂糖水凝胶固化在网状纤维格内得到3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架。本专利技术所述的制备方法优选包含以下步骤：(1)制备3D打印Ti支架；(2)成骨细胞培养：将成骨细胞扩增培养至三代后取5×104/ml细胞待用；(3)配制携带成骨细胞的水凝胶：取琼脂糖以质量体积比1:25g/ml加入双蒸水，高压蒸汽灭菌冷却至40℃时每个支架加入1×104个成骨细胞，均匀搅拌后获得携带成骨细胞的水凝胶；(4)将携带成骨细胞的水凝胶填充入3D打印Ti支架：将步骤(1)中获取的3D打印Ti支架高温灭菌后加入前端可调的密封容器中，并加入未固化的携带成骨细胞的水凝胶，排尽空气并使用推杆加压，促进含成骨细胞的水凝胶填充进入3D打印Ti支架的孔隙内，在琼脂糖水凝胶冷却固化后，将3D打印支架取出，去除支架表面多余水凝胶即得所述的3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架。步骤(1)制备3D打印Ti支架的具体方法优选：将钛合金粉末通过选择性激光烧结3D打印机，依照三维软件设计的外形及孔隙微结构，制作多孔的3D打印Ti支架。所述的多孔的3D打印Ti支架外形可依据不同的待修复区的骨缺损形态进行3D打印个性化制造，也可以通过打印机制造为固定外形的通用支架材料，并在手术中依据实际骨缺损的要求进行填充，还可以设计为复杂的几何结构，甚至包含可以辅助支架固定的螺钉工作通道。通过SLM3D打印技术构建，可以实现外形、内部孔隙结构的精细控制3D打印Ti支架内部排列为0-90°正交行结构、0-60-120°三角形结构在内的规律性孔隙，或依据实际需要形成特殊的梯度化、层次化相交结构。有益效果：本专利技术的目的是提供一种结构简单可靠，外形与微结构可控，力学性能可靠，植入方便，创伤小，有我国自主知识产权的组织工程化骨修复材料－“3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架”，用于骨创伤、骨肿瘤、骨感染后骨缺损的修复治疗。本专利技术具备以下有益效果：本专利技术是以激光烧结的纤维通过不同层次与角度的逐层累积与拼接架构而成的多孔隙结构，孔隙中的各层纤维可以在0-180°的范围内相交并累积而形成，每个纤维之间的距离也可以影响孔隙的大小，这样就最终可以形成多种交叉结构的规律性孔隙，亦可以依据实际需要形成特殊的梯度化、层次化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印Ti‑水凝胶‑成骨细胞骨组织工程支架，其特征在于由Ti6Al4V经3D打印技术制备的具有多孔结构的3D打印Ti支架，及在Ti支架的孔隙内填充的水凝胶‑成骨细胞混合物组成。

【技术特征摘要】
1.一种3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架，其特征在于由Ti6Al4V经3D打印技术制备的具有多孔结构的3D打印Ti支架，及在Ti支架的孔隙内填充的水凝胶-成骨细胞混合物组成。2.根据权利要求1所述的3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架，其特征在于通过SLM技术将Ti6Al4V粉末加工成为具有多孔结构的3D打印Ti支架；随后在一定条件下将水凝胶-成骨细胞混合物填充进入3D打印Ti支架的孔隙，从而制备3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨缺损修复支架。3.根据权利要求1所述的3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架，其特征在于所述的3D打印Ti支架的规律性孔隙，或依据实际需要形成特殊的梯度化、层次化相交结构。4.权利要求1-3中任一项所述的3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架的制备方法，其特征在于以Ti6Al4V粉末为原料，通过激光烧结技术形成纤维网格状结构的Ti支架，将携带成骨细胞的琼脂糖水凝胶固化在网状纤维格内得到3D打印Ti-水凝胶-成骨细胞骨组织工程支架。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于包含以下步骤：(1)制备3D打印Ti支架；(2)成骨细胞培养：将成骨细胞扩增培养至三代后取5×104/ml细胞待用；(3)配制携带成骨细胞的水凝胶：取琼脂糖以质...

【专利技术属性】
技术研发人员：王黎明，姚庆强，徐燕，胡军，
申请(专利权)人：南京冬尚生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32