一种生物基骨骼工程复材与3D打印胶条及其制品的制作方法

本发明属于工程材料的制备领域，涉及一种生物基质高分子复材及其制品的制造方法，具体为一种生物基骨骼工程复材与3d打印胶条及其制品。

背景技术：

由于全世界医疗技术提升及人口快速老化，导致人工骨头与植入物需求比例越来越高，组织工程学也因此渐渐开始受到重视，由此可见生医产业在未来的重要性，根据英国dra统计医疗用骨材之总产值已超过120亿美金，随着国内外医疗材料产品发展趋势的演变，人们对医疗质量越来越重视，未来医疗用骨材产品的需求将会大幅成长。组织工程的概念就是以人工制成的天然或合成器官或组织来取代、修复人体受损处，目前组织工程的做法是由人体取出目标细胞后，在体外培养直到细胞成长到足够的量，再将细胞种入人工支架上形成特定形状的组织或器官，最后将人工组织移植到人体受损处，使其修复、恢复原本的功能。

早期治疗骨折或骨缺损的内植材料是金属(如钢钉、钢骨架)，在骨骼愈合后必须再次取出，使病人有再次疼痛的伤害，增加手术病菌感染率，金属内值材料可能导致骨质变差、骨萎缩而影响骨愈合后的机械强度，或对周围组织产生刺激而造成溶骨的情形。

聚乳酸为生物无毒性并可被人体细胞组织吸收，其优良的物理机械性能，可应用人造骨折内固定材料材料，聚乳酸有非常高的力学性能，在欧美国家已被用来替代不锈钢钉、钢架，作为新型的骨科、牙科内固定材料如骨钉、骨板，其可被人体吸收代谢的特性使病人免于第二次开刀之痛苦。

鱼鳞是由一层钙质组成的坚韧外骨骼，约占鱼体总重的1-5％，其中最主要的成分为氢氧基磷灰石和胶原蛋白，还有一些少量羟脯胺酸和微量金属元素，其也含有丰富的蛋白质、多种维生素,并且也含铁、锌、镁、钙和多种人体必需的微量元素,以及胶质，但却通常被当作废弃物丢掉，无疑是浪费资源，其鱼鳞本身的主要成份，和骨骼成份极为类似，有鉴于聚乳酸高分子并无修复骨骼的功能。

技术实现要素：

本发明基于以上技术问题，提供一种生物基骨骼工程复材与3d打印胶条及其制品。本生物基质复材可使废弃物回收再利用，以达到节能减碳的目的，减少资源浪费，更可以解决废弃物堆积、发臭的问题。

本发明的具体技术方案如下：

一种生物基骨骼工程复材，其包括以下质量百分含量的原料：

鱼鳞粉或鱼鳞凝胶0.1-50％，聚乳酸50-99.9％，总质量百分含量为100％。

该生物基骨骼工程复材还包括以下组分中的任意一种或几种的组合，兼容剂、润滑剂、增韧剂和增塑剂；以(鱼鳞粉或鱼鳞凝胶)和聚乳酸的总质量计，兼容剂的添加量为0.1-20％；润滑剂的添加量为0.1-4％；增韧剂的添加量为0.1-20％；塑化剂的添加量为0.3-12％。

所述的兼容剂包括高分子型兼容剂或低分子型兼容剂；其中高分子型兼容剂包括非反应型兼容剂或反应性兼容剂；低分子型兼容剂选自环状酸酐型、一般酸酐型、羧酸型、环氧型、羟基型、环氧型反应型、钛酸酯型、硅烷型、恶唑啉型、酰亚胺型和异氰酸酯型中的任意一种或几种的混合物，酰亚胺型为改性聚丙烯酸酯。若采用高分子型兼容剂，添加量为0.5-20％；若采用低分子型兼容剂，添加量为0.1-3.5％。

所述的增塑剂选自柠檬酸酯类、环氧类、偏苯三酸酯类、均苯四酸四辛酯(topm)、二甘醇二苯甲酸酯(dedb)和二丙二醇二苯甲酸酯(dpgdb)中的一种或几种的混合物，其中，柠檬酸酯类包括柠檬酸三丁酯(tbc)或乙酰柠檬酸三丁酯(atbc)，环氧类为环氧大豆油。

所述的增韧剂包括高分子增韧剂和低分子增韧剂，其中，高分子增韧剂选自生物可分解高分子及其它可生物可分解高分子；生物可分解高分子包括聚酯内酯(plc)、聚丁二酸丁二醇酯(pbs)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(pbat)、聚-β-羟丁酸(phb)、聚3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯(phbv)；低分子增韧剂选自dupontbiomaxstrong，basfadr4370f或其它厂家生产的用于pla增韧添加剂。若采用低分子型增韧剂，添加量为0.01-2％，若采用高分子型增韧剂，添加量为0.5-20％。

一种生物基骨骼工程复材的制备方法，其包括以下步骤：

1)将鱼鳞经清洗、除去杂质后烘干或锻烧，并粉碎研磨成粉体，或以溶剂法溶解后制备成鱼鳞凝胶；所述鱼鳞粉的粒径为5nm-10μm。

2)以混合机具将鱼鳞粉或鱼鳞凝胶作为添加剂或填充物与聚乳酸进行融熔掺混加工，或以溶剂溶解湿式掺混加工制备出生物基骨骼工程复材，或制备为3d打印胶条。

所述生物基骨骼工程复材的制备方法还包括步骤3)以成型设备(注塑机、三d打印设备)，制成骨骼工程应用产品(骨钉、骨板、骨支架，及其它骨骼工程与牙齿工程应用产品)。所述的成型设备为注塑机或三d打印设备。

所述的掺混加工为融熔掺混加工，其融熔掺混加工的混合机具温度为150-220℃，掺混加工的混合机具螺杆转速为20-1000rpm。

所述的掺混加工为溶剂溶解湿式掺混加工，溶剂湿式掺混加工的混合机具温度为20-150℃，溶剂湿式掺混加工的混合机具螺杆转速为10-2000rpm，溶剂为氯仿、四氯化碳、二氯甲烷、卤三氯甲烷、四氢呋喃、1,4-二氧六环和丙酮中的任意两种或两种以上的混合溶剂。

本发明的积极效果体现在：

(一)根据本方法制备得到的生物基骨骼工程复材及其制品，不仅对环境无害，并且可将废弃物回收，环保。

(二)成本低廉，能响应国家所推动的环保节能和减碳政策，故本发明具有其节能减碳价值。

(三)本申请添加鱼鳞粉或鱼鳞凝胶为填充材，其特色为在体内可被生物分解，有良好生物兼容性，此外由于鱼鳞主要成份和骨骼、牙齿成份相似，可以修复被破坏的骨、牙组织，如此一来除了可解决传统植入物金属材料需要二次开刀取出的问题，也可以协助骨、牙组织的成长和修复。

附图说明

图1为本发明中采用鱼鳞制备成鱼鳞粉与聚乳酸利用融熔掺混加工方法制备生物基骨骼工程复材的流程示意图。

图2为本发明中采用鱼鳞制备成鱼鳞凝胶与聚乳酸利用融熔掺混加工方法制备生物基骨骼工程复材的流程示意图。

图3为本发明中采用鱼鳞制备成鱼鳞粉与聚乳酸利用溶剂湿式掺混制备方法制备生物基骨骼工程复材的流程示意图。

图4为本发明中采用鱼鳞制备成鱼鳞凝胶与聚乳酸利用溶剂湿式掺混制备方法制备生物基骨骼工程复材的流程示意图。

图5为恒温温度于110℃的结晶速率图。

其中，鱼鳞(1)、生物基材粉体(2)、生物基材凝胶(21)、聚乳酸(3)、生物基质复材(4)、骨骼工程应用产品(5)、溶剂(6)、清洗、除去杂质(100)、烘干或锻烧(200)、溶解(210)、研磨(300)、融熔掺混(400)、溶剂湿式掺混(410)、加工成型(500)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

本申请文件中，％如无特殊说明，均表示以鱼鳞粉和pla的总质量计，其所占的wt％；或以鱼鳞鳞胶和pla的总质量计，其所占的wt％。

对比例1：

如图1所示，一种生物基骨骼工程复材的制备方法，包括以下步骤：

(1)将鱼鳞片，经清洗、除去杂质后烘干并粉碎研磨成形成鱼鳞粉，该鱼鳞粉的粒径为10μm；

(2)将制备好的鱼鳞粉末与pla置于80℃的温度下进行真空烘箱干燥，然后将鱼鳞粉按不同比例与pla分别进行掺混，利用混合机械，将该鱼鳞粉及聚乳酸按比例进行融熔掺混加工方法制备出生物基质复材，其中，该混合机具温度为180℃～190℃，且该混合机具中螺杆转速系为150rpm；

按照以上步骤，采用不同的处理方式，分别得到不同的复材样品，标记为复材1、复材2、复材3，复材4，复材5和复材6。具体处理方法为：

处理1，鱼鳞粉的添加量为5％，余量为pla。

处理2，鱼鳞粉的添加量为10％，余量为pla。

处理3，鱼鳞粉的添加量为20％，余量为pla。

处理4，鱼鳞粉的添加量为30％，余量为pla。

处理5，鱼鳞粉的添加量为40％，余量为pla。

处理6，鱼鳞粉的添加量为50％，余量为pla。

将制备得到的材料以拉伸试验机测试其机械性质，其结果列于表一左栏所示。

试验1：进一步考察兼容剂的作用。

具体方法为：方法和参数均采用对比例1的方式进行，但是在第(2)步进行融熔掺混加工的时候，加入占物质(鱼鳞粉和pla总质量)质量百分含量1wt％的低分子的兼容剂(硅烷偶联剂)，使其一起进行融熔掺混加工，分别制备得到复材1′-6′，将制备得到的材料以拉伸试验机测试其机械性质，其结果列于表一中间栏所示。

进一步的，将添加1wt％低分子的兼容剂(硅烷偶联剂)换为20wt％的高分子兼容剂(马来酸酐接枝聚乳酸pla-g-mah)，分别制备得到复材1″-6″，将制备得到的材料以拉伸试验机测试其机械性质，其结果列于表一右栏所示。

表一

如表一所示，当鱼鳞粉的添加量越多时，不含兼容剂者的机械性质较差，但添加兼容剂后，机械性质可明显改善。

进一步的，将由以上方法制备得到的复材样品热压成膜后，进行wistar大鼠成骨细胞在材料表面的黏附实验，分别将复材3′，复材3″、复材6′和复材6″的复材接种成骨细胞，接种后的第3天取样并用mtt法测试。其所得成骨细胞在增殖后的od值数据如表二。

表二

从表二中可以得知，由以上方法制备得到的复材，其成骨细胞的增殖数较纯pla为高，这是由于鱼鳞粉中的成份和骨骼相似，有助于骨细胞的成长。

实施例1：

一种生物基骨骼工程复材的制备方法，包括以下步骤：

(1)将鱼鳞片，经清洗、除去杂质后以氢氧化钠水溶液浸泡24小时，将鱼鳞再次清洗干净(使ph值到接近中性)，于850℃的条件下高温锻烧，将锻烧后的鱼鳞磨碎至小于18万mesh(0.1μm)以下。

(2)生物基骨骼工程复材的制备

将制备好的鱼鳞粉与pla置于80℃真空烘箱干燥，然后鱼鳞粉末(0.1μm以下)依不同比例(0.1％、0.5％、1％、5％、10％、20％、30％、40％)掺混入至然后将鱼鳞粉与pla进行掺混，加工温度为180-200℃，混练加工分别得到样品标记为复材7、复材8、复材9，复材10，复材11、复材12、复材13和复材14。将制备得到的材料进行机械性质测试，测试结果分别如表三所示：

试验2：进一步考察兼容剂的作用。

具体方法为：①方法和参数均采用实施例1的方式进行，但是在第(2)步进行融熔掺混加工的时候，加入占物质(鱼鳞粉和pla总质量)质量百分含量1wt％的低分子的兼容剂(硅烷偶联剂)，使其一起进行融熔掺混加工，分别得到复材7′-14′，将制备得到的材料以拉伸试验机测试其机械性质，其结果列于表三所示。

②将添加1wt％低分子的兼容剂(硅烷偶联剂)换为15wt％的高分子兼容剂(马来酸酐接枝聚乳酸pla-g-mah)，分别制备得到复材7″-14″。将制备得到的材料以拉伸试验机测试其机械性质，其结果列于表三所示。

表三

如表三所示，兼容剂的添加量对机械性能的改善具有帮助，尤其是当鱼鳞粉的添加量越多时，不含兼容剂者的机械性质较差，但添加兼容剂后，机械性质可明显改善。

如图5中所示，为恒温温度于110℃的结晶速率图，纯pla的结晶速率非常慢，即使经过3分钟，pla尚未开始结晶，当添加鱼鳞粉后(样品12)，其结晶速率大幅提升至，2分多钟后即完成结晶。另外，由图中亦可发现当添加兼容剂后(样品12′与样品12″),其结晶速率比未添加兼容剂更快。

进一步的，生物基骨骼工程复材的3d制品应用：

将以上方法制备得到的复材12′、复材14′、复材12″和复材14″分别经混练机具挤出后用牵引机牵伸，制成用于3d打印的胶条12′、胶条14′、胶条12″和胶条14″。

进一步的，另取复材12′、复材14′、复材12″和复材14″分别经混练机具挤出后用牵引机牵伸，在制成用于3d打印的胶条的过程中，向其中加入占鱼鳞粉和pla总质量2％的润滑剂(石蜡)，18％的增韧剂pbat和3％的增塑剂atbc，一起掺混入加工，加工温度为180-200℃，分别经混练机具挤出后用牵引机牵伸，制成用于3d打印的胶条，分别得到胶条15′、胶条16′、胶条15″和胶条16″。将此胶条热压成膜后，进行wistar大鼠成骨细胞在材料表面的黏附实验，分别于接种后的第3天取样用mtt法测试。其所得成骨细胞在增殖后的od值数据如表四：

表四

从表四中可以得知，和表二的趋势一样，当复材中的鱼鳞粉含量增加，其成骨细胞的增殖数也愈高。此外可以发现，同样鱼鳞粉含量20％，胶条12′、胶条15′比复材3的成骨细胞增殖数也愈高，这是由于胶条12′、胶条15′中的鱼鳞粉的粒径较小，其鱼鳞粉的比表面积要比复材3复材中的鱼鳞粉要大许多。从表四可知，兼容剂添加对成骨细胞影响不大(因为低毒性)，但是都比纯pla都要好。

实施例3：

一种生物基骨骼工程复材的制备方法，包括以下步骤：

(一)鱼鳞粉的制备

鱼鳞的选择→经清洗干净→除去杂质后→以氢氧化钠水溶液浸泡24小时→将鱼鳞再次清洗干净(使ph值到接近中性)→于850℃的条件下高温锻烧。

→然后将锻烧后的鱼鳞研磨控制小于180万mesh(0.01μm)以下。

(二)生物基骨骼工程复材的制备

将制备好的鱼鳞粉与pla置于80℃真空烘箱干燥，水分含量为200ppm以下，然后将鱼鳞粉末(0.01μm以下)依不同比例0.1％至10％(0.1％、0.5％、1％、5％、10％)掺混入与pla进行掺混，总质量百分含量为100％。在掺混的同时，额外添加占鱼鳞粉与pla总质量1％的塑化剂(atbc)，分别得复材17-21。

进一步考察低分子兼容剂的影响，即采用以上方法和步骤，仅改变在掺混的过程中，另外添加占鱼鳞粉和pla总质量0.5％的低分子的兼容剂(硅烷偶联剂)，得复材17′-21′。

再考察高分子兼容剂的影响：即采用以上方法和步骤，仅改变在掺混的过程中，另外添加占鱼鳞粉和pla总质量5％的高分子兼容剂(pla-g-mah)，得复材17″-21″。

以上实验掺混加工温度均为175-195℃,之后将组成物以相同的制程处理。所得到的材料进行机械性质测试，测试结果分别如表五中栏与右栏所示。

表五

(三)生物基骨骼工程复材的3d制品应用

分别将采用以上方法制备得到的复材样品18(0.5％)和复材样品21(10％)进一步经混练机具挤出后用牵引机牵伸，分别制成用于3d打印的胶条18和21。

另外，将复材样品18(0.5％)和复材样品21(10％)，分别添加2.5％的润滑剂，0.2％的低分子增韧剂(dupontbiomaxstrong)，11％的塑化剂(atbc)，掺混加工温度为165-185℃，分别制备得到胶条22和23。将此胶条热压成膜后，进行wistar大鼠成骨细胞在材料表面的黏附实验，分别于接种后的第3天取样用mtt法测试。其所得成骨细胞在增殖后的od值数据如表六

表六

从表六中可以得知其成果细胞增长的趋势，和表二、表四一样，当复材中的鱼鳞粉含量增加，其成骨细胞的成长数量也愈高。并且从表中可以发现，其复材21，胶条23中鱼鳞粉含量虽然只有10％，其细胞的增长数和复材12、复材15中鱼鳞粉含量20％的相近，这是由于制备胶条前的复材21、复材23中的鱼鳞粉的粒径更小，因此其复材21、复材23中鱼鳞粉的比表面积要比复材12、复材15中的鱼鳞粉要更大。

实施例4：

(一)鱼鳞凝胶的制备

鱼鳞的选择→经清洗干净→除去杂质后→以柠檬酸水溶液(浓度为0.5m)浸泡24-48小时→此时鱼鳞凝胶化→将悬浮杂质捞除后备用。

(二)生物基骨骼工程复材的制备

先将9gpla与1g高分子兼容剂(pla-g-mah)以100g氯仿溶解成pla溶液，然后将鱼鳞凝胶按不同比例(0.1％、0.5％、5％、10％)与pla进行掺混，经湿式混练加工制备，分别得到复材24-27，混炼温度为120-150℃。将所得到的复材进行机械性质测试，测试结果如表七。

表七

进行wistar大鼠成骨细胞在材料表面的黏附实验，将复材25与27分别于接种后的第3天取样用mtt法测试。其所得成骨细胞在增殖后的od值数据如表八

表八

从表八中可以得知，当复材中的鱼鳞粉含量增加，其成骨细胞的成长数量也较高。但其样品27复材成骨细胞增长数量却比样品21、23更小。这是凝胶化后的鱼鳞中的某些成份被些微的破坏而导致。

实施例5：

(一)鱼鳞粉的制备

鱼鳞的选择→经清洗干净→除去杂质后→以氢氧化钠水溶液(1.5wt％)浸泡24小时→将鱼鳞再次清洗干净(使ph值到接近中性)→高温锻烧(850℃)→然后将锻烧后的鱼鳞研磨，使粒径小于180万mesh(0.01μm)。

(二)生物基骨骼工程复合薄膜的制备

将制备好的鱼鳞粉与pla置于80℃真空烘箱干燥，然后将pla以及10wt％的高分子兼容剂(pla-g-mah)都以氯仿溶解成pla溶液，然后鱼鳞粉依不同比例0.5％至10％掺混入至pla溶液，在室温下进行搅拌，形成组成物。之后将组成物以相同的制程处理。所得到的材料进行机械性质测试，测试结果分别如表一右栏所示。

然后以刮刀制成湿式膜，然后放置于105℃烘箱制备成致密薄膜，亦可将湿式膜置于水中24小时制备成多孔薄膜。所得到的致密薄膜材料进行机械性质测试，测试结果如表九。

表九

进行wistar大鼠成骨细胞在材料表面的黏附实验，将样品25与27分别于接种后的第3天取样用mtt法测试。其所得成骨细胞在增殖后的od值数据如表十

表十

从表八及表十中可以得知当复材中的鱼鳞粉含量增加，其成骨细胞的成长数量也较高。其样品32复材(10％)成骨细胞增长数量和样品21、23复材(10％)相近。这是由于其三种样品中的鱼鳞粉末的粒径相同。