专利名称：骨修复多孔支架及其快速成型方法
技术领域：
本发明涉及生物医用材料技术和生物医学工程领域，更确切地说，本发明涉及一种骨修复多孔支架及其快速成型方法。
背景技术：
目前，临床上由于创伤、肿瘤切除、感染以及发育异常等原因而导致骨缺损的发病率较高，现有方法中，自体骨移植来源少，且会给病人带来一定的痛苦；异体骨移植存在排斥反应问题，且受伦理制约，其应用受到限制。而以生物材料为基础的骨组织工程学为新型骨支架材料的产生带来了新的理念，为矫形和修复骨缺损问题带来了希望。但是，现有的人工骨修复多孔支架的成分单一，难以满足骨修复的要求。 此外，快速成型技术(Rapid Prototyping, RP)三维打印应用于个性化骨修复支架材料的研制是生物医学、材料科学和现代制造技术等多学科相互交叉发展的必然结果，其最大的驱动力来自临床治疗的迫切需求。该项技术不仅缩短了生物材料的开发周期，降低了研发费用，同时解决了近代临床医学创伤技术中一些重大的精确的三维重建的科学技术性难题。特别是在复杂形状的人工骨替代物的制造方面更显示出它的独特优势，很好地解决了骨骼因个人、年龄和部位在形状和尺寸的差异性、复杂性和精确性问题，可以根据病人个性化的要求制作出适用于其特殊要求任意形状的骨修复材料。国外研究机构和高等院校已投入了大量经费进行快速成型技术在生物材料和医疗器械加工和制造技术等方面的研究及产品的开发，目前已经开始进入临床使用。但是，现有的快速成型技术也仅限用于制作成分单一的骨支架材料，难以满足临床治疗的复杂多变的应用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种骨修复多孔支架，能具有长效的骨诱导活性，有效促进骨缺损愈合。本发明所要解决的技术问题在于，提供一种骨修复多孔支架的快速成型方法，以快速成型出有良好骨修复效果的骨修复多孔支架。为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案一种骨修复多孔支架，包括具有仿生多孔结构的基体和生长因子缓释微球，所述生长因子缓释微球吸附于基体的仿生多孔结构的孔隙内或在基体成型过程中与基体原料混匀而弥散分布于基体中。进一步地，所述基体的原料为聚酯类高分子聚合物与无机材料的混匀物，其中，所述聚酯类高分子聚合物为如下材料中的至少一种聚乳酸、聚羟基乙酸、乳酸-羟基乙酸共聚物、聚羟基脂肪酸酯、聚己内酯；所述无机材料为如下材料中的至少一种磷酸钙、硫酸钙、可降解生物玻璃。进一步地，所述生长因子缓释微球的载体微球原料为如下聚酯类高分子材料中的至少一种聚乳酸、聚羟基乙酸、乳酸-羟基乙酸共聚物、聚羟基脂肪酸酯、聚己内酯；或者所述生长因子缓释微球的载体微球原料为如下多糖类高分子材料中的至少一种壳聚糖、透明质酸、透明质酸盐、海藻酸、海藻酸盐。进一步地，所述生长因子为如下任意一种骨形态发生蛋白BMP-1、BMP-2、BMP-3、BMP-7、BMP-14 ;或者所述生长因子为如下任意一种转化生长因子TGF_a、TGF_3。进一步地，所述生长因子缓释微球的平均粒径为IOOnm 800Mm，载药率为
O.005% 20%。进一步地，所述基体的孔隙率50% 99%，包括有孔径为20(Tl000Mffl的大孔以及孔径为f IOOMm的小孔。在另一方面，本发明还提供一种制备以上任一项所述的骨修复多孔支架的快速成型方法，包括如下步骤 制备生长因子缓释微球步骤，采用常规的生长因子缓释微球制备工艺制得生长因子缓释微球备用；
基体成型步骤，将基体原料配制成浆料，并用三维打印技术将所述浆料成型为具有仿生多孔结构的基体；
吸附步骤，将生长因子缓释微球分散于合适的溶剂中形成缓释微球悬液，将成型好的基体浸泡于该缓释微球悬液中，在负压抽吸条件下，使生长因子缓释微球被吸附进入基体的仿生多孔结构中的孔隙中，即获得载有生长因子缓释微球的骨修复多孔支架。进一步地，基体成型步骤中，在三维打印时，使相邻层的孔交错排列且相互对应连通。在又一方面，本发明还提供一种制备以上任一项所述的骨修复多孔支架的快速成型方法，包括如下步骤
制备生长因子缓释微球步骤，采用常规的生长因子缓释微球制备工艺制得生长因子缓释微球备用；
基体成型步骤，将基体原料与生长因子缓释微球混匀配制成浆料，并用三维打印技术将所述浆料成型为具有仿生多孔结构的骨修复多孔支架。进一步地，基体成型步骤中，在三维打印时，使相邻层的孔交错排列且相互对应连通。采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果本发明通过在骨修复多孔支架中引入当前在生物医用材料领域中应用日益广泛的生长因子缓释微球，生长因子的缓释可以长效诱导骨生长，而缓释微球降解形成的多孔结构方便骨组织长入，从而达到骨组织再生修复，有效促进骨愈合。通过采用聚酯高分子材料和无机材料共混复合作为制造基体的原料，可以改善单独使用其中一种材料时的不足，如脆性大、抗折及抗冲击性能差、力学性能不够等缺点。聚酯高分子材料和无机材料等生物材料具有很好的生物相容性并能与骨组织形成牢固的生物化学键组合，同时传导骨的生长。而通过使用加入缓释微球以及快速成型技术三维打印，可采用低温快速成型设备来制备骨支架，成型工艺简单快捷，成型出来的骨修复多孔支架骨修复效果好。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种骨修复多孔支架，包括具有仿生多孔结构的基体和生长因子缓释微球，所述生长因子缓释微球吸附于基体的仿生多孔结构的孔隙内或在基体成型过程中与基体原料混匀而弥散分布于基体中。所述基体的原料为聚酯类高分子聚合物与无机材料的混匀物，其中，所述聚酯类高分子聚合物为如下材料中的至少一种聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PLG)、乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚己内酯(PCL);所述无机材料为如下材料中的至少一种磷酸钙、硫酸钙、可降解生物玻璃，其中的磷酸钙可以是羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(TCP )、偏磷酸钙(CMP )等。所述生长因子缓释微球的载体微球原料为如下聚酯类高分子材料中的至少一种聚乳酸、聚羟基乙酸、乳酸-羟基乙酸共聚物、聚羟基脂肪酸酯、聚己内酯。此外，所述生长因子缓释微球的原料还可为如下多糖类高分子材料中的至少一种壳聚糖、透明质酸、透明质酸盐、海藻酸、海藻酸盐。
所述生长因子为如下任意一种骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins,BMPs):BMP-1、BMP-2、BMP-3、BMP-7、BMP-14 ;或者所述生长因子为如下任意一种转化生长因子(transforming growth factor, TGF):TGF-α 、TGF-β 。本发明骨修复多孔支架具有仿生多孔结构，其孔隙率509Γ99%，可以将其中的正向方形孔边长限制在200 X200Mm 1000 XlOOOMm之间，侧向孔边长限制在350 X 200Mm 350 X IOOOMm之间，此外还预设有孔径为20(Tl000Mm的大孔以及孔径为IOOMm的小孔。成型好的骨修复多孔支架中的无机物的质量百分比为29Γ95%，高分子聚合物的质量百分比为59Γ98%，生长因子缓释微球的质量为无机物与高分子聚合物总和质量的
0.01% 20%。生长因子缓释微球的平均粒径为IOOnm 800Mm，载药率为0. 005% 20%，并且缓释出的生长因子保持活性。在另一方面，本发明还提供一种以上任一项所述的骨修复多孔支架的快速成型方法，包括如下步骤
制备生长因子缓释微球步骤，采用常规的生长因子缓释微球制备工艺制得生长因子缓释微球备用；
基体成型步骤，将基体原料配制成浆料，并用三维打印技术将所述浆料成型为具有仿生多孔结构的基体；
吸附步骤，将生长因子缓释微球分散于合适的溶剂中形成缓释微球悬液，将成型好的基体浸泡于该缓释微球悬液中，在负压抽吸条件下，使生长因子缓释微球被吸附进入基体的仿生多孔结构中的孔隙中，即获得载有生长因子缓释微球的骨修复多孔支架。其中，基体成型步骤中，在三维打印时，使相邻层的孔交错排列且相互对应连通。在又一方面，本发明还提供另外一种制备以上任一项所述的骨修复多孔支架的快速成型方法，包括如下步骤
制备生长因子缓释微球步骤；
基体成型步骤，将基体原料与生长因子缓释微球混匀配制成浆料，并用三维打印技术将所述浆料成型为具有仿生多孔结构的基体，即获得载有生长因子缓释微球的骨修复多孔支架。其中，基体成型步骤中，在三维打印时，使相邻层的孔交错排列且相互对应连通。
下面将结合实施例进一步阐明上述骨修复多孔支架的快速成型方法。实施例I
I、制备载rhBMP-2的PLGA微球
取一体积份的50mg/mL的rhBMP-2的超纯水溶液至十体积份的PLGA (分子量50kDa,乳酸与乙醇酸聚合摩尔比为75/25)的二氯甲烷(DCM)溶液，用高速分散器以3000rpm的转速乳化60秒，制得内乳液(w/o);在30mL去离子水中，加入O. 3mL吐温80,搅拌至分散均匀，制得外水相；将内乳液加入外水相，用高速分散器以5000rpm的转速乳化60秒，制得复乳液(w/o/w);将该液中速搅拌3飞小时待DCM挥发，静置过夜。离心后，水洗三次，得到载rhBMP-2的PLGA微球悬液，冷冻干燥后得到干燥微球备用。2、制备PLA/TCP三维支架基体
取三质量份PLA (分子量IOOkDa)溶解于适量的二氧六环溶液中，加入一质量份的β -磷酸三钙(TCP)粉末，PLA TCP=3:1)搅拌分散后将复合材料匀浆加入TissFormTM生物材料成型设备储料罐中，预设喷嘴直径O. 35mm，正向孔径600MmX300Mm ;侧向孔径为IOOMmX 350Mm，在NET文件控制下进行N层扫描，在仪器操作下控制喷嘴的X、Y轴方向的路径，使其横向纵向错开二分之一位置，层层累加干燥后制得具有三维仿生多孔结构的基体。3、制备rhBMP-2复合骨支架
将rhBMP-2微球用乙醇溶液分散形成微球悬液，将打印而得的基体浸泡在微球悬液中，使用负压抽吸，使微球被吸附进入基体的孔隙内，冷冻干燥或室温干燥得到rhBMP-2复合支架材料。实施例2
I、制备壳聚糖载BMP-14的微球
取1500质量份的壳聚糖(分子量250kDa，脱乙酰度90%)溶于适量的20ml/L的乙酸溶液中，取I质量份的BMP-14溶于适量4mol/L的HCl溶液中，混合之后缓慢加入9(T200ml的span-80 (5ml)的辛醇溶液中，磁力搅拌时滴加I 3ml京尼平进行交联,继续搅拌4(T60min后停止反应，并用异丙醇、石油醚和水反复洗涤得到壳聚糖载BMP-14微球悬液。冷冻干燥后得到干燥微球。2、制备载BMP-14微球复合材料
取三质量份PLA (分子量IOOkDa)溶解于适量的DCM溶液中，加入一质量份的β -磷酸三钙(TCP)粉末和5(Tl00mg BMP-14壳聚糖微球后搅拌分散，制得复合材料匀浆。3、三维打印制备支架
将复合材料匀浆加入TissFormTM生物材料成型设备储料罐中，预设喷嘴直径O. 35mm,正向孔径600MmX IOOMm ;侧向孔径为IOOMmX 350Mm，在NET文件控制下进行N层扫描，在仪器操作下控制喷嘴的X、Y轴方向的路径，使其横向纵向错开二分之一位置，层层累加干燥后制得具有三维仿生多孔结构的骨支架。实施例3
I、制备载TGF-α的PLA微球
取一体积份的50mg/mL的TGF- α的超纯水溶液至十体积份的PLA的DCM溶液，用高速分散器以3000rpm的转速乳化60秒,制得内乳液(w/o);在30mL去离子水中，加入O. 3mL吐温80，搅拌至分散均匀，制得外水相；将内乳液加入外水相，用高速分散器以5000rpm的转速乳化60秒，制得复乳液(w/o/w);将该液中速搅拌3飞小时待DCM挥发，静置过夜。离心后，水洗三次，得到载TGF-α的PLA微球悬液。冷冻干燥后得到干燥微球。2、制备PLG/HA三维支架基体
取三质量份PLG (分子量IOOkDa)溶解于l(T30ml的二甲基亚砜(DMF)溶液中，加入一质量份的HA粉末搅拌分散后将复合材料匀浆加入TissFormTM生物材料成型设备储料罐中，预设喷嘴直径O. 35mm，正向孔径500MmX100Mm ;侧向孔径为400MmX 350Mm，在NET文件控制下进行N层扫描，在仪器操作下控制喷嘴的X、Y轴方向的路径，使其横向纵向错开二分之一位置，层层累加干燥后制得具有三维仿生多孔结构的基体。3、制备TGF-α复合骨支架
将TGF-α微球用乙醇溶液分散形成微球悬液，将打印而得的三维支架浸泡在微球悬 液中，使用负压抽吸，使微球被吸附进入支架的孔隙内，冷冻干燥或室温干燥得到TGF-a复合骨支架。实施例4
I、制备壳聚糖载TGF-β的微球
取1500质量份的壳聚糖(分子量250kDa，脱乙酰度90%)溶于l(T50ml的20ml/L的乙酸溶液中，取I质量份的TGF-β溶于f 3ml 4mol/L的HCl溶液中，混合之后缓慢加入9(T200ml的span-80 (5ml)的液体石腊中，磁力搅拌时滴加l 3ml戍二醒进行交联,继续搅拌4(T60min后停止反应，并用异丙醇、石油醚和水反复洗涤得到壳聚糖包裹TGF- β微球悬液。冷冻干燥后得到干燥微球。2、制备载TGF-α微球复合材料匀浆
取三质量份PLGA (分子量IOOkDa)溶解于l(T50ml的三氯甲烷溶液中，加入一质量份的可降解生物玻璃和5(Tl00mg TGF-β壳聚糖微球后搅拌分散，制得复合材料匀浆。3、三维打印制备骨支架
将复合材料匀浆加入TissFormTM生物材料成型设备储料罐中，预设喷嘴直径O. 35mm,正向孔径IOOMmX IOOMm ;侧向孔径为IOOMmX 350Mm，在NET文件控制下进行N层扫描，在仪器操作下控制喷嘴的X、Y轴方向的路径，使其横向纵向错开二分之一位置，层层累加干燥后制得具有三维仿生多孔结构的骨支架。实施例5
I、制备载BMP-3的PLG微球
取一体积份的50mg/mL的BMP-3的超纯水溶液至十体积份的PLG的三氯甲烷溶液，用高速分散器以3000rpm的转速乳化60秒，制得内乳液(w/o);在30mL去离子水中，力口Λ O. 3mL吐温80，搅拌至分散均匀，制得外水相；将内乳液加入外水相，用高速分散器以5000rpm的转速乳化60秒，制得复乳液(w/o/w);将该液中速搅拌3飞小时待三氯甲烷挥发，静置过夜。离心后，水洗三次，得到载BMP-3的PLG微球悬液。冷冻干燥后得到干燥微球。2、制备PLA/硫酸钙三维支架基体
取三质量份的PLA (分子量IOOkDa)溶解于l(T50ml的DMF溶液中，加入一质量份的硫酸钙粉末搅拌分散后将复合材料匀浆加入TissFormTM生物材料成型设备储料罐中，预设喷嘴直径O. 35mm，正向孔径400MmX IOOMm ;侧向孔径为500MmX 350Mm，在NET文件控制下进行N层扫描，在仪器操作下控制喷嘴的X、Y轴方向的路径，使其横向纵向错开二分之一位置，层层累加干燥后制得具有三维多孔结构的支架基体。3、制备ΒΜΡ-3复合骨支架
将ΒΜΡ-3微球用乙醇溶液分散形成微球悬液，将打印而得的三维支架基体浸泡在微球悬液中，使用负压抽吸，使微球被吸附进入基体的孔隙内，冷冻干燥或室温干燥得到ΒΜΡ-3复合骨支架。 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
权利要求
1.一种骨修复多孔支架，其特征在于，所述骨修复多孔支架包括具有仿生多孔结构的基体和生长因子缓释微球，所述生长因子缓释微球吸附于基体的仿生多孔结构的孔隙内或在基体成型过程中与基体原料混匀而弥散分布于基体中。
2.如权利要求I所述的骨修复多孔支架，其特征在于，所述基体的原料为聚酯类高分子聚合物与无机材料的混匀物，其中，所述聚酯类高分子聚合物为如下材料中的至少一种聚乳酸、聚羟基乙酸、乳酸-羟基乙酸共聚物、聚羟基脂肪酸酯、聚己内酯；所述无机材料为如下材料中的至少一种磷酸钙、硫酸钙、可降解生物玻璃。
3.如权利要求I所述的骨修复多孔支架，其特征在于，所述生长因子缓释微球的载体微球原料为如下聚酯类高分子材料中的至少一种聚乳酸、聚羟基乙酸、乳酸-羟基乙酸共聚物、聚羟基脂肪酸酯、聚己内酯；或者所述生长因子缓释微球的载体微球原料为如下多糖类高分子材料中的至少一种壳聚糖、透明质酸、透明质酸盐、海藻酸、海藻酸盐。
4.如权利要求I所述的骨修复多孔支架，其特征在于，所述生长因子为如下任意一种骨形态发生蛋白BMP-1、BMP-2、BMP-3、BMP-7、BMP-14 ;或者所述生长因子为如下任意一种转化生长因子TGF_a , TGF- β。
5.如权利要求I所述的骨修复多孔支架，其特征在于，所述生长因子缓释微球的平均粒径为IOOnm 800 μ m,载药率为O. 005% 20%。
6.如权利要求I所述的骨修复多孔支架，其特征在于，所述基体的孔隙率509Γ99%，包括有孔径为20(ri000Mffl的大孔以及孔径为f IOOMffl的小孔。
7.一种制备如权利要求1飞中任一项所述的骨修复多孔支架的快速成型方法，其特征在于，包括如下步骤 制备生长因子缓释微球步骤，采用常规的生长因子缓释微球制备工艺制得生长因子缓释微球备用； 基体成型步骤，将基体原料配制成浆料，并用三维打印技术将所述浆料成型为具有仿生多孔结构的基体； 吸附步骤，将生长因子缓释微球分散于合适的溶剂中形成缓释微球悬液，将成型好的基体浸泡于该缓释微球悬液中，在负压抽吸条件下，使生长因子缓释微球被吸附进入基体的仿生多孔结构中的孔隙中，即获得载有生长因子缓释微球的骨修复多孔支架。
8.如权利要求7所述的骨修复多孔支架的快速成型方法，其特征在于，基体成型步骤中，在三维打印时，使相邻层的孔交错排列且相互对应连通。
9.一种制备如权利要求1飞中任一项所述的骨修复多孔支架的快速成型方法，其特征在于，包括如下步骤 制备生长因子缓释微球步骤，采用常规的生长因子缓释微球制备工艺制得生长因子缓释微球备用； 基体成型步骤，将基体原料与生长因子缓释微球混匀配制成浆料，并用三维打印技术将所述浆料成型为具有仿生多孔结构的骨修复多孔支架。
10.如权利要求9所述的骨修复多孔支架的快速成型方法，其特征在于，基体成型步骤中，在三维打印时，使相邻层的孔交错排列且相互对应连通。
全文摘要
本发明涉及一种骨修复多孔支架，包括具有仿生多孔结构的基体和生长因子缓释微球，所述生长因子缓释微球吸附于基体的仿生多孔结构的孔隙内或在基体成型过程中与基体原料混匀而弥散分布于基体中。本发明还提供一种骨修复多孔支架的快速成型方法，包括制备生长因子缓释微球步骤、基体成型步骤和吸附步骤。本发明还提供另一种骨修复多孔支架的快速成型方法，包括制备生长因子缓释微球步骤和基体成型步骤。本发明通过在支架中引入生长因子缓释微球，生长因子的缓释可长效诱导骨生长，而缓释微球降解形成的多孔结构方便骨组织长入，从而达到骨组织再生修复，有效促进骨愈合。而通过使用加入缓释微球和快速成型技术三维打印，成型工艺简单快捷。
文档编号A61L27/54GK102886076SQ201210365799
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者王明波, 储彬, 佘振定 申请人:深圳清华大学研究院