掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料及其制备和应用的制作方法

本发明属于组织工程支架的制备领域，尤其涉及一种掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料及其制备及在3d打印骨支架中的应用。

背景技术：

骨组织工程利用生物学和组织工程学的技术，将体外培养的种子细胞种植于合成或天然的细胞外基质载体上，并复合相关诱导因子，植入体内达到骨缺损部位修复的目的，为解决骨缺损修复问题提供了更广阔的应用前景。限制其发展的一个关键问题就是难以制造出理想的载体支架，而3d打印技术的发展使这一问题有望得到解决。3d打印技术可在很大程度上实现支架的孔隙率、孔径、孔容积、空间排列和其他表面特性的可控性，因此可能实现优良骨组织工程支架的制备，是实现各种骨科手术个体化、精确化的有效手段。然而，目前临床上使用的3d打印骨修复支架多为金属支架，在体内并不能够降解；水凝胶3d打印支架虽然有良好的生物相容性与优越的生物降解性，但是力学性能上存在着一定的缺陷。因此，探索一种新的3d打印材料用于骨科修复治疗仍然是一个具有挑战性的研究。

人体中内的微量元素如锶、镁等对骨的生长有着非常重要的作用。人体中的微量元素如锶、镁等对骨的生长有着非常重要的作用。锶作为钙的同族元素，可替代羟磷灰石中的钙成为锶磷灰石固溶体用于骨组织工程。锶对骨代谢的影响已逐渐得到研究者的认可，其作用机制为既能影响前成骨细胞的复制及分化，在此基础上促进骨形成，同时又能抑制破骨细胞分化，促进其凋亡，从而抑制骨吸收，且不影响骨矿化的效果。pcl已被证实有良好的组织相容性、生物降解和通透性，易于塑性，价格便宜，在成骨细胞和ha/pcl3d打印支架复合体外培养中发现成骨细胞更易于黏附在ha/pcl3d打印支架上生长等特点，但是支架修复治疗形式单一。因此，制备掺锶羟基磷灰石/聚己内酯复合材料用于3d打印人工骨组织支架用于个性化治疗研究值得期待。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了提供一种可用于骨缺损修复3d打印支架的材料及其制备和应用。

为了达到上述目的，本发明提供了一种掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料，其特征在于，由掺锶纳米羟基磷灰石和聚己内酯组成。

本发明还提供了一种3d打印骨支架，其特征在于，由上述的掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料制成。

本发明还提供了上述的3d打印骨支架的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1：制备掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料；

步骤2：将掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料利用熔融快速成型加工技术(fdm)制备3d打印骨支架。

优选地，所述的掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料的制备方法包括：水热法合成掺锶纳米羟基磷灰石(srha)，再经乙醇洗涤除去杂质、离心，烘干研磨后，将所得的掺锶纳米羟基磷灰石与聚己内酯加入到溶剂中，搅拌使其充分混匀，去除溶剂，得到掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料(srha/pcl)。

更优选地，所述的溶剂为四氢呋喃。

优选地，所述的掺锶纳米羟基磷灰石与聚己内酯的质量比为10％-50％。

优选地，所述的掺锶纳米羟基磷灰石中的锶含量为5％-10％。

优选地，所述的掺锶纳米羟基磷灰石与聚己内酯的质量比为1∶9-5∶5。

优选地，所述的掺锶纳米羟基磷灰石与聚己内酯的质量比为1∶9、3∶7或5∶5。

优选地，所述的3d打印骨支架为多孔结构。

优选地，所述的熔融快速成型加工技术包括将掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料加入快速熔融快速成型仪的熔化器中加热使其熔融，由针头挤出固化一层一层堆积制备3d打印骨支架。

本发明的所述3d打印支架由掺锶纳米羟基磷灰石(srha)粉末和美国食品药品监督管理局(fda)批准的生物医用高分子材料聚己内酯(pcl)组成。

采用水热法制备不同掺锶比例的掺锶纳米羟基磷灰石；将所述的掺锶纳米羟基磷灰石与聚己内酯按一定质量比制备复合材料用于3d打印；利用熔融快速成型加工技术(fdm)将所述的复合材料制备具有多孔可控复合材料支架。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明操作简单，可制备不同比例的复合材料用于制备3d打印骨修复支架；

(2)本发明制备方法使用的材料都为生物相容性良好的生物材料，对机体无毒副作用，并且在体内可释放锶元素，达到更好的治疗效果；

(3)本发明制备的大孔支架具有优异的可操作性。

(4)本发明方法操作简单，制备的支架均使用具有良好生物相容性的合成材料，srha的掺锶量可以选择、srha与pcl的复合比例可以调节、支架微结构可以调控；本发明制备的srha/pcl支架能够持续释放锶元素，具有该生物活性的支架有望用于临床上大块骨缺损修复。

附图说明

图1是由水热法制备的可用于骨缺损修复的生物材料srha表征图，a为sr0ha的tem图片b为sr10ha的tem，c为其xrd图片。

图2是打印srha/pcl比例为1∶9的3d打印支架的sem图片，其中a为表面，b为断面，加入的掺锶纳米羟基磷灰石为sr10ha。

图3是体外条件下不同复合材料3d打印支架样品的sr释放情况，加入的掺锶纳米羟基磷灰石为sr10ha。其中pcl-50srha为pcl/srha质量比为5∶5，pcl-30srha为pcl/srha质量比为7∶3，pcl-10srha为pcl/srha质量比为9∶1。

图4为不同打印孔径与结构的3d打印支架展示。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种3d打印骨支架由掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料制成。所述的掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料由掺锶纳米羟基磷灰石和聚己内酯组成。

上述的3d打印骨支架的制备方法包括：

步骤1：制备掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料：水热法合成掺锶纳米羟基磷灰石sr10ha，具体制备过程如下：首先分别制备sr(no3)2，ga(no3)2·4h2o与nh4h2po4的0.5mol/l的水溶液备用，用含nh3为25～28％的氨水调节溶液ph值，使sr(no3)2溶液和ga(no3)2·4h2o溶液ph≥11，而nh4h2po4溶液ph≥10；在反应容器中加入10ml的sr(no3)2溶液和90ml的ga(no3)2·4h2o溶液先在80℃磁力搅拌400rpm/min反应1h，使得sr(no3)2溶液和ga(no3)2·4h2o溶液充分混合，得到混合溶液。搅拌条件下将nh4h2po4溶液缓慢滴加到上述混合溶液中，保证n(ga+sr)/n(p)＝1.67，n为摩尔数，持续反应6h。反应结束后，反应产物经过三次乙醇洗、水洗，6000rpm离心10min，将收集到的白色物质于60℃烘干后研磨即得到掺锶羟基磷灰石粉末样品，最后收集到50ml离心管放置在干燥箱中备用；所得的sr10ha的tem和xrd图片分别如图1b和c所示。

将1gsr10ha与9g聚己内酯(美国sigma-aldrich公司，mn＝45000)加入到10ml四氢呋喃中，搅拌使其充分混匀，通风橱里去除四氢呋喃，得到掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料(srha/pcl)。

步骤2：将掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料利用熔融快速成型加工技术(fdm)制备3d打印骨支架，具体步骤为：将掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料加入快速熔融快速成型仪的熔化器中加热到95℃使其熔融，由21g针头挤出固化一层一层堆积制备多孔3d打印骨支架，如图2和图4所示。

实施例2

类似于实施例，区别在于，所述的步骤1中，sr10ha与聚己内酯的质量比为5∶5。

实施例3

类似于实施例，区别在于，所述的步骤1中，sr10ha与聚己内酯的质量比为3∶7。

称取10mg的3d打印支架，置于含有10ml的ph为7.4的pbs缓冲液(含0.02％nan3)的离心管中，将之置于温度为37℃和转速为100rpm的恒温摇床中。待到设定的时间点，取出里面的液体5ml并将多余液体吸出，然后再加入新鲜ph为7.4的pbs缓冲液(含0.02％nan3)。最后将收集到的缓释液通过电感耦合等离子体院子发射光谱仪(icp-aes)进行检测，计算sr²⁺的总释放量并绘制缓释曲线，如图3所示。

对比例1

制备掺锶羟基磷灰石复合聚己内酯材料：水热法合成纳米羟基磷灰石sr0ha：具体步骤参照sr10ha合成步骤，将10ml的sr(no3)2溶液换成10ml的ga(no3)2·4h2o溶液即100ml的ga(no3)2·4h2o溶液，按照n(ga)/n(p)＝1.67合成sr0ha)；所得的sr0ha的tem和xrd图片分别如图1a和c所示。