一种可降解型半月板支架的光固化3D打印制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可降解型半月板支架的光固化3D打印制备方法，属于生物医学组织工程支架材料的制备。打印半月板支架所用光敏树脂的原料组分及按重量份数计含量，如下：聚氨酯丙烯酸酯10‑80份，丙烯酸酯单体20‑80份，自由基型光引发剂0.5‑3.0份，消泡剂0.001‑0.5份。将光敏树脂加入3D打印机的树脂槽内，按设定的打印参数设备后，打印提到半月板支架坯体，再经过乙醇清洗、紫外线固化及烘箱固化后得到半月板支架样件。本发明专利技术提供的半月板支架，生物相容性好，具有与天然半月板相似的力学性能，而且光固化打印具有精度高、速度快、可精确控制支架的三维结构和多孔结构的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种可降解型半月板支架的光固化3D打印制备方法
本专利技术属于组织工程
，具体涉及一种生物医学组织工程支架材料的制备，具体为一种可降解型组织工程半月板支架的光固化3D打印制备方法。
技术介绍
半月板，是介于关节表面软骨之间的一种白色软骨组织，其光滑的表面可以明显降低运动过程中关节面间的摩擦力。近年来，随着体育运动的流行及人口老龄化，半月板损伤发病率逐年上升，受该疾病困扰的患者越来越多。但是，由于半月板部位缺乏血液供应、神经支配及淋巴回流，损伤后自我修复能力很差；如得不到及时治疗，将会发展成骨性关节炎，普通人严重影响日常生活，职业运动员将断送职业生涯。组织工程半月板技术，即构建可以修复受损半月板的替代物可以取得良好的治疗效果。组织工程的三个基本要素是支架材料、种子细胞和生长因子。虽然该技术近几年取得了很大的进步，但是仍有很多问题亟待解决，如支架材料的选择和结构构建。支架材料为种子细胞的黏附、增殖、分化提供良好的环境，有效引导新生组织向预设形状生长。支架材料必须具有：（1）良好的生物相容性；（2）多孔结构，合理的三维结构，利于细胞的黏附、增殖及分化，并实现营养物质的自由扩散，细胞的自由生长；（3）良好的力学性能，支架的力学性能应与天然的半月板相近，压缩模量应在75-150kPa范围内，拉伸模量在75-150MPa范围内[Biomaterials,126,18-30,2017]。支架材料可以分为替代型和降解型。其中替代型半月板移植物主要采用具有良好的生物相容性、体内稳定性和生物力学性能优异的聚乙烯醇水凝胶、聚碳酸酯型聚氨酯等材料。降解型半月板支架，根据材料来源不同，可分为天然材料和合成材料半月板支架。胶原蛋白、丝素蛋白、壳聚糖、海藻酸盐、明胶、玻尿酸等天然水凝胶聚合物材料，因具有良好的生物相容性而应用于半月板支架的研究[AdvancedMaterials,29,2017]。德国IvySportsMedicine公司开发的胶原蛋白半月板移植物（商品名CMI®），能有效改善患者临床症状和膝关节临床评分。但是其力学性能不能维持膝关节正常功能，且降解较快，因此仅适用于半月板局部受损的病例[生物医学工程学杂志,35,488-492,2018]。制备力学性能优异的合成材料半月板支架是目前研究的一个热点。聚氨酯、聚己内酯、聚乳酸等因具有良好的生物相容性、优异的力学性能及易加工性，被广泛应用于半月板支架的研究中。英国Orteq公司制备的一种聚己内酯/聚氨酯半月板支架已经商业化（商品名为Atifit®）[Biomaterials,35,3527-3540,2014]。聚己内酯部分可以在五年内通过酯基水解降解完全，氨酯部分则会被巨噬细胞慢慢吞噬掉或逐渐并入周围的组织内[KneeSurgerySportsTraumatologyArthroscopy,26,2227-2238,2018]。Song等人制备了具有生物活性表面的羟基磷灰石杂化聚氨酯型支架，通过控制其孔隙率调节其力学性能并将其用作半月板移植物[MacromolecularMaterialsandEngineering,304,2019]。但是，上述材料都无法精确控制支架孔隙结构以及无法为患者定制个体化特定三维形状的半月板支架，近年来3D打印技术的出现，使得人工半月板材料的成型加工和微细结构精确控制成为可能。目前采用3D打印制作半月板支架主要采用天然材料或聚己内酯、聚乳酸等合成材料并通过熔融沉积造型（FDM）制作完成（中国专利CN110354309A，CN105013011A，CN110478527A，CN211271414U）。其力学强度与天然的半月板相差较大，而且打印精度不高，无法实现对半月板结构的精确调控。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可降解型组织工程半月板支架的光固化3D打印制备方法，为组织工程半月板研究提供新的工艺方法。本专利技术制备的组织工程半月板具有良好的力学性能、生物相容性和生物降解性能，其力学性能与天然半月板相似，而且打印精度高，可以定制个体化特定三维结构和多孔结构的半月板支架。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种可降解型半月板支架的光固化3D打印制备方法，包括以下步骤：S1、合成具有特定结构式I的聚氨酯丙烯酸酯；S2、利用步骤S1制备的聚氨酯丙烯酸酯，并按照配方比例配制光敏树脂，所述光敏树脂的原料组分按重量份数计含量如下：聚氨酯丙烯酸酯10-80份；丙烯酸酯单体20-80份；自由基型光引发剂0.5-3.0份；消泡剂0.001-0.5份；S3、将步骤S2制备的光敏树脂加入3D打印设备的树脂槽内，设定打印工艺参数，打印得到半月板支架坯体；S4、将半月板支架坯体去除支撑，然后放入乙醇中超声清洗10min；S5、将步骤S4清洗后的半月板支架坯体放入紫外箱，采用280-350nm紫外光固化30min；S6、将经过紫外线固化后的半月板支架坯体放入60-100ºC烘箱后固化0.5-3h，最终得到半月板支架样件。优选的，步骤S1中具有特定结构I的聚氨酯丙烯酸酯的结构式为：，其中R1为异氟尔酮基、六亚甲基、二环己基甲烷基中的一种；R2为乙基、丙基、正丁基中的一种或几种；R3为氢或甲基的一种；m和n均为10-100的自然数。优选的，所述聚氨酯丙烯酸酯的制备方法，包括以下步骤：1）将化合物II、化合物III及化合物IV混合并加入催化剂，在20-100℃，缩聚反应2-14h，得到异氰酸酯基封端的聚氨酯类树脂，化合物II的结构式为，，化合物III的结构式为，，化合物IV的结构式为，；2）将步骤1）得到的异氰酸酯基封端的聚氨酯类树脂与甲基丙烯酸羟乙酯或丙烯酸羟乙酯反应在50-100℃下反应2-8h，期间加入阻聚剂对苯二酚，得到甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯封端的聚氨酯丙烯酸酯。优选的，所述催化剂为叔胺类或有机金属类催化剂。优选的，步骤S2中丙烯酸酯单体为丙烯酸羟乙酯、丙烯酸异冰片酯、二乙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、（乙氧基化）三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯的一种或几种的组合物。优选的，步骤S2中自由基型光引发剂为苯偶酰衍生物、α-羟烷基苯酮类或酰基磷氧化合物裂解型光引发剂中的一种或几种的组合物。优选的，所述消泡剂采用BYK-055消泡剂。优选的，步骤S2中光敏树脂的制备方法，包括以下步骤：1）按照配方比例称取原材料：聚氨酯丙烯酸酯、丙烯酸酯单体、自由基型光引发剂、消泡剂；2）将聚氨酯丙烯酸酯、丙烯酸酯单体、自由基型光引发剂、消泡剂依次倒入搅拌器中，在转速为400r/min的低速搅拌2-4h混匀得到透明的光敏树脂。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术所提供的半月板支架可降解，生物相容性好，具有匹配的生物力学特性，无细胞毒性。（2）本专利技术采用光固化3D打印方式制备半月板支架，打印精度高，可以实现对半月板形状最大化仿生，及内部三维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可降解型半月板支架的光固化3D打印制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、合成具有特定结构式I的聚氨酯丙烯酸酯；/nS2、利用步骤S1制备的聚氨酯丙烯酸酯，并按照配方比例配制光敏树脂，所述光敏树脂的原料组分按重量份数计含量如下：/n聚氨酯丙烯酸酯 10-80份；/n丙烯酸酯单体 20-80份；/n自由基型光引发剂 0.5-3.0份；/n消泡剂 0.001-0.5份；/nS3、将步骤S2制备的光敏树脂加入3D打印设备的树脂槽内，设定打印工艺参数，打印得到半月板支架坯体；/nS4、将半月板支架坯体去除支撑，然后放入乙醇中超声清洗10min；/nS5、将步骤S4清洗后的半月板支架坯体放入紫外箱固化30min；/nS6、将经过紫外线固化后的半月板支架坯体放入60-100 ºC烘箱后固化0.5-3 h，最终得到半月板支架样件。/n

【技术特征摘要】
1.一种可降解型半月板支架的光固化3D打印制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、合成具有特定结构式I的聚氨酯丙烯酸酯；
S2、利用步骤S1制备的聚氨酯丙烯酸酯，并按照配方比例配制光敏树脂，所述光敏树脂的原料组分按重量份数计含量如下：
聚氨酯丙烯酸酯10-80份；
丙烯酸酯单体20-80份；
自由基型光引发剂0.5-3.0份；
消泡剂0.001-0.5份；
S3、将步骤S2制备的光敏树脂加入3D打印设备的树脂槽内，设定打印工艺参数，打印得到半月板支架坯体；
S4、将半月板支架坯体去除支撑，然后放入乙醇中超声清洗10min；
S5、将步骤S4清洗后的半月板支架坯体放入紫外箱固化30min；
S6、将经过紫外线固化后的半月板支架坯体放入60-100ºC烘箱后固化0.5-3h，最终得到半月板支架样件。


2.根据权利要求1所述的可降解型半月板支架的光固化3D打印制备方法，其特征在于，步骤S1中具有特定结构I的聚氨酯丙烯酸酯的结构式为：

，其
中R1为异氟尔酮基、六亚甲基、二环己基甲烷基中的一种；R2为乙基、丙基、正丁基中的一种
或几种；R3为氢或甲基的一种；m和n均为10-100的自然数。


3.根据权利要求1或2所述的可降解型半月板支架的光固化3D打印制备方法，其特征在于，所述聚氨酯丙烯酸酯的制备方法，包括以下步骤：
1）将化合物II、化合物III及化合物IV混合并加入催化剂，在20-100℃，缩聚反应2-14
h，得到异氰酸酯基封端的聚氨酯类树脂，化合物II的结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：敖英芳，丁国成，孙牧旸，胡晓青，于然，黄伟，李昕盼，
申请(专利权)人：北京大学第三医院北京大学第三临床医学院，
类型：发明
国别省市：北京;11