机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料及其制备方法与流程

文档序号:11094374阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,包括如下具体步骤:

步骤(一):使用快速成型技术三维打印大孔径PCL支架,得到一级结构;

步骤(二):将一级结构PCL支架的表面活化;

步骤(三):采用胶原网络对一级结构PCL支架进行三维功能活化,得到二级结构Col-PCL支架;

步骤(四):采用纳米羟基磷灰石颗粒对二级结构Col-PCL支架进行仿生矿化,得到三级结构AP-Col-PCL支架。

2.根据权利要求1所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(一)通过计算机辅助设计软件建立孔径大小为100~1500μm的三维PCL支架的CAD 模型,并将所述CAD模型转换为STL.格式文件,进行分层处理后输入熔融成型机数据处理软件中,利用3DP成型系统进行三维支架打印,所述三维支架打印时喷头走形方向按(0°,60°,120°)或者(0°,90°)逐层堆积。

3.根据权利要求2所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述三维PCL支架的孔径大小为1000μm。

4.根据权利要求2所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述三维支架打印的具体步骤包括:

A、将PCL颗粒原料放入快速成型机的熔化器中加热至50~180℃,使PCL材料成流动状态;

B、依据所述STL.格式的CAD图形,在计算的控制下,将流动状态的PCL材料由直径为 0.50mm的喷嘴沿X、Y轴在按照角度(0°,60°,120°)或者(0°,90°)挤出,降温至常态后凝固,然后沿Z轴下降一个高度再重复X、Y轴的运动,喷嘴中再挤出流动状态PCL材料,降温凝固时与上一层紧密粘结,如此一层一层堆积制作PCL支架;

C、根据需要,设计出不同形状的CAD模型,并将CAD模型以STL.格式文件导出,转移到成型系统中,按模式图成型模式制得不同形状的多孔三维PCL支架。

5.根据权利要求4所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤A中,将PCL颗粒原料放入快速成型机的熔化器中加热至120℃。

6.根据权利要求1所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(二)通过采用碱处理法对所述PCL支架进行表面活化处理,所述表面活化处理的具体步骤包括:

D、将三维打印的PCL支架浸入3~7M的NaOH溶液中,40~120rpm处理12~48h,取出后三蒸水清洗至pH=6~8;

E、通过傅里叶变化红外光谱分析证实活化后PCL支架表面获得活化官能基团。

7.根据权利要求6所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤D为:将三维打印的PCL支架浸入5M的NaOH溶液中,80rpm处理24h,取出后三蒸水清洗至pH=7.4。

8.根据权利要求1所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(三)的三维功能活化步骤具体包括:

F、将 I型胶原溶解到乙酸溶液中,制备得到1~50mg/ml的胶原凝胶;

G、将PCL支架浸没到所述胶原凝胶中,抽真空20~60mim,缓慢释放空气,得到胶原凝胶充满的PCL支架,并将上述PCL支架-50~-10℃冷冻12~48h;

H、在-80~-10℃条件下冷冻干燥上述PCL支架24~72h,得到海绵状胶原充满PCL支架的复合支架材料,采用20~70mM 的1-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳化二亚胺盐酸化物对所述复合支架材料进行交联,交联条件为1~10℃、10~72h,交联完成后,采用1~12%甘氨酸溶液清洗10~80min,并采用大量去离子水清洗,调节至pH=6~8后,得到功能活化后的PCL胶原复合支架,即Col-PCL支架,再次于-80~-10℃条件冻干后,可长期保存于4℃。

9.根据权利要求8所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(三)的三维功能活化步骤具体包括:

F、将 I型胶原溶解到乙酸溶液中,制备得到1mg/ml的胶原凝胶;

G、将PCL支架浸没到所述胶原凝胶中,抽真空60mim,缓慢释放空气,得到胶原凝胶充满的PCL支架,并将上述PCL支架-10℃冷冻48h;

H、在-10℃条件下干燥上述PCL支架72h,得到海绵状胶原充满PCL支架的复合支架材料,采用20mM的1-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳化二亚胺盐酸化物对所述复合支架材料进行交联,交联条件为1℃、10h,交联完成后,采用12%甘氨酸溶液清洗10min,并采用大量去离子水清洗,调节至pH=6后,得到功能活化后的PCL胶原复合支架,即Col-PCL支架,再次于-10℃条件冻干后,可长期保存于4℃。

10.根据权利要求8所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(三)的三维功能活化步骤具体包括:

F、将 I型胶原溶解到乙酸溶液中,制备得到50mg/ml的胶原凝胶;

G、将PCL支架浸没到所述胶原凝胶中,抽真空20mim,缓慢释放空气,得到胶原凝胶充满的PCL支架,并将上述PCL支架-50℃冷冻12h;

H、在-80℃条件下干燥上述PCL支架24h,得到海绵状胶原充满PCL支架的复合支架材料,采用70mM的1-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳化二亚胺盐酸化物对所述复合支架材料进行交联,交联条件为10℃、72h,交联完成后,采用1%甘氨酸溶液清洗80min,并采用大量去离子水清洗,调节至pH=8后,得到功能活化后的PCL胶原复合支架,即Col-PCL支架,再次于-80℃条件冻干后,可长期保存于4℃。

11.根据权利要求8所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(三)的三维功能活化步骤具体包括:

F、将 I型胶原溶解到乙酸溶液中,制备得到20mg/ml的胶原凝胶;

G、将PCL支架浸没到所述胶原凝胶中,抽真空30mim,缓慢释放空气,得到胶原凝胶充满的PCL支架,并将上述PCL支架-20℃冷冻24h;

H、在-50℃条件下冷冻干燥上述PCL支架48h,得到海绵状胶原充满PCL支架的复合支架材料,采用50mM的1-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳化二亚胺盐酸化物对所述复合支架材料进行交联,交联条件为4℃、24h,交联完成后,采用5%甘氨酸溶液清洗30min,并采用大量去离子水清洗,调节至pH=7.4后,得到功能活化后的PCL胶原复合支架,即Col-PCL支架,再次于-50℃条件冻干后,可长期保存于4℃。

12.根据权利要求1所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(四)中仿生矿化采用两步矿化法,具体步骤包括:

I、首先配置100~250mM的CaCl2溶液和K2HPO4溶液,用于生物矿化前的交替浸泡;

J、配置模拟体液,所述模拟体液各组分如下:

Na+:100~150mM, K+:3~6mM, Mg2+:1~2mM, Ca2+:1~3mM, Cl-:100~160mM, HCO3-:20~30mM, HP042-:2~4mM, SO42-:0.1~0.6mM;

K、将所述复合支架材料浸入交替矿化液,首先浸入100~250mM 的CaCl2 溶液中10s~10min,然后取出,水洗1~5min,再浸入100~250mM 的K2HPO4溶液中,取出,水洗10s~10min,重复2~6遍;

L、将上述经交替浸泡后的复合支架材料,置入SBF液中进行生物矿化,矿化条件为20~50℃,摇床30~80rpm,每1~24h更换新的矿化诱导液,持续矿化0.5~15天,生物矿化结束后,清洗、冻干后得到最终的仿生骨修复材料AP-Col-PCL支架,所述AP-Col-PCL支架可于4℃长期保存。

13.根据权利要求12所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(四)中仿生矿化采用两步矿化法,具体步骤包括:

I、首先配置100mM的CaCl2溶液和K2HPO4溶液,用于生物矿化前的交替浸泡;

J、配置模拟体液,配置模拟体液,所述模拟体液各组分如下:

Na+:100mM, K+:3mM, Mg2+:1mM, Ca2+:1mM, Cl-:100mM, HCO3-:20mM, HP042- :2mM, SO42- :0.1mM;

K、将所述复合支架材料浸入交替矿化液,首先浸入100mM 的CaCl2 溶液中10min, 然后取出,水洗1min,再浸入100mM 的K2HPO4溶液中,取出,水洗10min,重复2遍;

L、将上述经交替浸泡后的复合支架材料,置入SBF液中进行生物矿化,矿化条件为20℃,摇床80rpm,每1h更换新的矿化诱导液,持续矿化24h,生物矿化结束后,清洗、冻干后得到最终的仿生骨修复材料AP-Col-PCL支架,所述AP-Col-PCL支架可于4℃长期保存。

14.根据权利要求12所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(四)中仿生矿化采用两步矿化法,具体步骤包括:

I、首先配置250mM的CaCl2溶液和K2HPO4溶液,用于生物矿化前的交替浸泡;

J、配置模拟体液, 所述模拟体液各组分如下:

Na+:150mM, K+:6mM, Mg2+:2mM, Ca2+:3mM, Cl-:160mM, HCO3-:30mM, HP042-:4mM, SO42- :0.6mM;

K、将所述复合支架材料浸入交替矿化液,首先浸入250mM 的CaCl2 溶液中10s,然后取出,水洗5min,再浸入250mM的K2HPO4溶液中,取出,水洗10s,重复6遍;

L、将上述经交替浸泡后的复合支架材料,置入SBF液中进行生物矿化,矿化条件为50℃,摇床30rpm,每24h更换新的矿化诱导液,持续矿化7天,生物矿化结束后,清洗、冻干后得到最终的仿生骨修复材料AP-Col-PCL支架,所述AP-Col-PCL支架可于4℃长期保存。

15.根据权利要求12所述的机械性能和生物活性良好的仿生骨修复材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(四)中仿生矿化采用两部矿化法,具体步骤包括:

I、首先配置200mM的CaCl2溶液和K2HPO4溶液,用于生物矿化前的交替浸泡;

J、配置模拟体液, 所述模拟体液各组分如下:

Na+:142mM, K+:5mM, Mg2+:1.5mM, Ca2+:2.5mM, Cl-:120mM, HCO3-:27mM, HP042-:2.27mM, SO42-:0.5mM;

K、将所述复合支架材料浸入交替矿化液,首先浸入200mM 的CaCl2 溶液中3min, 然后取出,水洗1min,再浸入200mM的K2HPO4溶液中,取出,水洗1min,重复3遍;

L、将上述经交替浸泡后的复合支架材料,置入SBF液中进行生物矿化,矿化条件为37℃,摇床60rpm,每12h更换新的矿化诱导液,持续矿化72h,生物矿化结束后,清洗、冻干后得到最终的仿生骨修复材料AP-Col-PCL支架,所述AP-Col-PCL支架可于4℃长期保存。

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