一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法技术

本发明专利技术提出一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法，以羟基磷灰石(HA)/羧甲基壳聚糖(CMCS)复合粉体和PVA高分子水溶液为基体材料，结合压电喷墨打印技术(3DP)和氯化钙(CaCl

【技术实现步骤摘要】
一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法
本专利技术涉及生物医学工程领域，具体为一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法。
技术介绍
骨骼是人体的重要器官之一，其内部复杂的结构和动态重塑过程保证了优良的自我修复能力，但由于外部创伤、肿瘤等造成的大段骨缺损，常常无法实现骨的自我修复，此时就需要骨移植手术进行辅助治疗。通过自体骨、同种异体骨或异种骨移植是临床常用治疗方法，然而这些方法存在供源有限、免疫排斥、基因污染等问题，其在临床上的应用始终有所限制。近年来，随着骨组织工程学的发展，通过将体外培养的种子细胞接种在多孔支架中，再植入骨缺损处，辅以生长因子刺激其增殖分化，以修复骨组织缺损的方法，为骨缺损的修复重建提供了一种新的解决思路。植入骨支架在人体内需要承担细胞攀附、载荷承载、物质运输等功能，这对支架的生物、力学以及结构特性提出了较高的要求。支架的生物特性要求支架具有良好的生物相容性和降解性，以供细胞粘附增殖和为新生骨的生长提供场所；支架的力学特性要求支架有足够的与自体骨相匹配的强度和韧性，以避免强度不足或过高所引起的压溃或应力屏蔽现象，以及减小支架在人体内复杂力学环境下发生脆性断裂的可能；支架的结构特性则要求支架具有开放的多孔结构和互联网络，以保障支架内营养物质的运输和代谢废物的排放。为了满足这些要求，研究人员正试图从材料和工艺方面寻找解决方案。羟基磷灰石HA是骨组织中的主要无机盐成分，具有高度的生物相容性和骨诱导能力，是最为理想的骨修复材料。但羟基磷灰石的断裂韧性(<1.0MPa·m1/2)和抗弯强度(50～100MPa)较低，单一的HA支架无法满足人体骨支架的力学要求，因此人们开始了对HA复合材料支架的研究以改善其性能。羧甲基壳聚糖CMCS是一种天然碱性多糖，具有出色的生物相容性、可降解性和无毒性，是优秀的骨组织修复材料。研究发现，将CMCS与磷酸盐陶瓷复合之后可以在一定程度上改善陶瓷支架的力学性能和孔隙结构，并有利于矿化物沉淀和促进成骨细胞的粘附增殖，具有极佳的骨修复潜力。在现有生物陶瓷骨支架的制备方法中，主要的重难点在于，为了满足支架的强度需求，通常需要对所制备的骨支架进行高温烧结、化学固化等高能后处理，这无疑增加了支架被污染的几率，同时高温烧结后的骨支架也没有了韧性，更无法实现活性物质的协同制造。
技术实现思路
本专利技术针对现有的骨组织工程支架制备过程中，存在的强度与韧性、生物活性物质与高能后处理之间的矛盾，提出了一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法。该方法以3DP打印工艺为基础，以HA/CMCS混合粉体为打印粉材、PVA溶液为粘结剂，打印过程中辅以生物活性物质进行协同制造，最后再通过氯化钙溶液交联固化得到成型支架。一方面，该工艺所制备的骨支架结合了HA材料的高硬度、高生物相容性和CMCS材料的高韧性、生物降解特性，使成型支架在降解过程中能够保持足够的强度和韧性。另一方面，CMCS赋予了支架高度联通的大尺寸孔隙，有助于细胞正常的增殖分化，加快了血管和骨组织的侵入和替代。此外，整个工艺流程在常温中性环境下进行，且无需高温烧结、化学固化等高能后处理，这保障了活性物质的协同打印，赋予了骨支架的生物学特性，从而达到加速骨缺损修复重建的效果。本专利技术的技术方案为：所述一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法，以羟基磷灰石HA与羧甲基壳聚糖CMCS复合粉体、PVA高分子水溶液以及生物活性物质为基体材料，通过压电喷墨打印技术和CaCl2溶液交联后处理实现强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的制备。HA/CMCS复合粉体的使用，使成型支架兼具两种材料各自的优势性能，实现了强度和韧性的兼顾。同时常温中性粘结工艺，满足了生物活性物质协同打印的工艺需求，使支架在材料组分、力学性能和结构特性可调的基础上，还具有生物活性物质所赋予的生物学功能特性，为理想骨支架的制备提供了工艺指导。进一步的，强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法具体包括以下步骤：步骤1：制备HA与CMCS复合粉体、PVA胶水以及含有生物活性物质的PBS缓冲液；其中CMCS粉末占复合粉体的质量分数为1～5％，PVA胶水中的PVA浓度为1～3％；步骤2：将制备好的复合粉体加入三维打印机的储粉缸中，将制备好的PVA胶水和含有生物活性物质的PBS缓冲液分别装入三维打印机的不同墨盒中；步骤3：将建立的骨支架三维模型导入三维打印机中，设置好打印参数后启动打印程序；打印过程中，PVA胶水和含有生物活性物质的PBS缓冲液选择性地沉积在复合粉体的粉床特定位置，构建支架单层结构，进而逐层连续打印得到整个结构；步骤4：打印结束后静置一段时间再取出成型支架，吹出多余粉体并干燥后，将支架在CaCl2的PBS缓冲液中浸泡，使支架中的CMCS充分交联；再将支架用去离子水清洗后干燥，最终得到具有一定强度和韧性的功能型HA/CMCS复合生物陶瓷人工骨支架。进一步的，步骤1中，按照质量分数1～5％的比例取CMCS粉末掺杂于HA粉末中并混合均匀，得到复合粉体。进一步的，步骤1中，按质量分数1～3％的比例称量PVA高分子材料，并分散于去离子水中，控制温度为90～98℃进行水浴加热，并搅拌至完全溶解制得PVA胶水。进一步的，步骤1中，取微量(约1μg/ml)的生物活性物质分散于PBS缓冲溶液中，制成含有生物活性物质的PBS缓冲液。进一步的，步骤1中，CMCS的羧化度大于80％，分子量范围为2～15万。进一步的，步骤1中，HA粉末的粒径为20～80μm球状或针状粉体。进一步的，步骤1中，PVA的平均聚合度1720～1770，醇解度99.79％。进一步的，步骤1中，生物活性物质包括但不限于成纤维细胞生长因子、β-转化生长因子(TGF-β)、骨形态发生蛋白(BMP-9)等细胞生长因子以及抗生素或抗癌药物。进一步的，步骤4中，将支架在含有2％w/vCaCl2的PBS缓冲液中浸泡，使支架中的CMCS充分交联。有益效果1、本专利技术所提出的强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法有效地解决了支架强度和生物学功能特性的之间的矛盾。在保证了支架强度的同时，避免了高温烧结、化学固化等高能后处理过程，实现了支架中生物活性物质的协同制造，为HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的制造提供了一种新的工艺方法。2、该方法所制备的骨支架兼备了HA和CMCS两种材料的优势性能，具有一定的强度和韧性以及良好的生物相容性和降解性，满足了临床的力学和生物特性要求。且3DP打印工艺和CMCS相的掺入实现了支架高度联通的孔隙结构的可控制造，有利于骨组织和血管的侵入支架。3、同步打印生物活性物质保证了其在支架内特定部位的精准分布，使活性物质在骨修复过程中能够稳定有效地发挥作用，加速骨修复进程。本专利技术的附加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法，其特征在于：以羟基磷灰石HA与羧甲基壳聚糖CMCS复合粉体、PVA高分子水溶液以及生物活性物质为基体材料，通过压电喷墨打印技术和CaCl

【技术特征摘要】
1.一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法，其特征在于：以羟基磷灰石HA与羧甲基壳聚糖CMCS复合粉体、PVA高分子水溶液以及生物活性物质为基体材料，通过压电喷墨打印技术和CaCl2溶液交联后处理实现强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的制备。


2.一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：制备HA与CMCS复合粉体、PVA胶水以及含有生物活性物质的PBS缓冲液；其中CMCS粉末占复合粉体的质量分数为1～5％，PVA胶水中的PVA浓度为1～3％；
步骤2：将制备好的复合粉体加入三维打印机的储粉缸中，将制备好的PVA胶水和含有生物活性物质的PBS缓冲液分别装入三维打印机的不同墨盒中；
步骤3：将建立的骨支架三维模型导入三维打印机中，设置好打印参数后启动打印程序；打印过程中，PVA胶水和含有生物活性物质的PBS缓冲液选择性地沉积在复合粉体的粉床特定位置，构建支架单层结构，进而逐层连续打印得到整个结构；
步骤4：打印结束后静置一段时间再取出成型支架，吹出多余粉体并干燥后，将支架在CaCl2的PBS缓冲液中浸泡，使支架中的CMCS充分交联；再将支架用去离子水清洗后干燥，最终得到具有一定强度和韧性的功能型HA/CMCS复合生物陶瓷人工骨支架。


3.根据权利要求2所述一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法，其特征在于：步骤1中，按照质量分数1～5％的比例取CMCS粉末掺杂于HA粉末中并混合均匀，得到复合粉体。


4.根据权利要求2所述一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏庆华，汪焰恩，卢婷利，张映锋，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61