一种3D打印Ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架及制备方法和应用与流程

本发明涉及一种新型的3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架及制备方法和应用，可以用于治疗多种致病菌，如：金黄色葡萄球菌、化脓链球菌、β-溶血性链球菌、炭疽杆菌、白喉杆菌等导致的急、慢性骨髓炎、化脓性关节炎骨破坏的治疗及感染后骨缺损的治疗。

背景技术

感染被定义为宿主组织与微生物局部浓度之间的平衡被打破，一般认为体内微生物超过10⁵个每克组织或有金黄色葡萄球菌、化脓链球菌、β-溶血性链球菌等致病菌的存在即被认为存在感染。在众多感染性疾病中，骨、关节的感染不仅是骨科常见多发病，而且受限于局部血液供应差、对细菌抵抗力低、抗生素渗透性差等缺陷，往往难以愈合，很多急性、亚急性感染最终迁延为慢性感染。以往该骨科常用的抗感染策略通常是一期手术清创，静脉予以抗生素，局部应用含抗生素的间隔块或者骨水泥串珠。一般而言，这种方法取得较好的效果。随后可二期手术去除局部填充物，行翻修手术。但是，随着耐药菌株的出现，即使局部及静脉联合应用抗生素，也有可能发生抗感染的失败。

在骨、关节感染的治疗中，由于局部微循环差，生长因子少、活性低，细胞膜受体结构变化导致生长因子与受体之间失偶联，细菌还可能黏附在内植物部位形成生物膜导致内植物表面存在生物材料整合入周围组织与细菌黏附到材料表面的竞争等。同时，感染性病变对骨的侵蚀、破坏往往带来局部的死骨形成及骨缺损，甚至伴有皮肤、软组织的窦道形成，清创手术失败率、感染复发率高，往往导致患者严重的活动受限。因此，目前如何实现理想的局部抗菌，在清创祛除死骨与感染性病灶后能够有效的促进骨长入，同时无需二次手术一直是骨科临床与科研关注的重点。

目前的临床经典的治疗策略是基于聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,pmma)的抗生素珠链植入法，但该方法不能降解，需二次手术取出，并会为病原菌的生长提供适宜的生长环境，造成感染复发，而且没有骨诱导与骨长入性能，因此急需新的方法进行替代。

随着组织工程学的进展，近年来有多种新的工程化生物材料-抗生素复合支架作为抗骨感染修复材料在实验室被研究，包括：羟基磷灰石(hydroapatite,ha)-抗生素支架，磷酸钙水泥(alciumphosphatecement,cpc)-壳聚糖-抗生素复合支架，聚乳酸(polylacticacid，pla)、聚羟基乙酸(polyglycolicacid，pga)、pga-pla共聚物等人工类ecm材料-抗生素复合支架等，部分研究还尝试采用多种方法在支架上结合重组人骨形态生成蛋白2(recombinanthumanbonemorphogeneticprotein-2,rhbmp-2)、转化生长因子-β(transforminggrowthfactor-β,tgf-β)等生物活性因子以促进骨长入。但这些材料均存在一定的缺陷，包括：1.ha、cpc等材料的脆性高、加工性能低，难以进行特定三维形态的加工与塑性，往往依赖于材料本身的三维构型；2.pga、pla等材料的生物活性低、弹性模量、拉伸强度、三维精加工方式上存在一定不足；3.目前尚缺乏对组织工程化支架材料的结构与成分进行精细调控的手段，故难以针对不同感染阶段(急性期、亚急性期、慢性感染)的用药特点，实现有效合理的药物释放；4.生物活性因子存在免疫排斥、病原体传播、过敏反应、潜在致肿瘤、致畸形可能性，生物安全性得不到保证，而且临床级的rhbmp-2、tgf-β等生物因子往往需要进口，且价格昂贵，每毫克的采购价就达到近千美元。

综上所述，开发出一种结构简单可靠，弹性和支撑力合适，手术植入方便，对人体创伤小，低成本、可诱导骨长入且可以实现抗生素控制释放的组织工程化抗感染材料，对急、慢性骨髓炎、化脓性关节炎骨破坏的治疗及感染后骨缺损的修复治疗、对我国的卫生事业发展、对建设创新性国家都有重要的现实意义。

技术实现要素：

为了克服现有抗骨感染材料的上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单可靠，外形与微结构可控，力学性能可靠，药物释放性能可控，植入方便，创伤小，的3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架及制备方法和应用，用于急、慢性骨髓炎、化脓性关节炎骨破坏的治疗及感染后骨缺损的修复治疗。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架，该支架通过如下方法制备得到：

第一步：将钛合金粉末通过电子束熔融或者选择性激光烧结3d打印机，依照计算机设计的外形及孔隙微结构，制作多孔的3d打印ti支架；

第二步：琼脂糖以质量体积比1～10g：100ml加入双蒸水，高压蒸汽灭菌冷却过程中加入万古霉素，均匀搅拌后获得载有万古霉素的水凝胶；

第三步：将3d打印ti支架加入前端可调的密封容器中，并加入未固化的载万古霉素的水凝胶，排尽空气并使用推杆加压，促进载万古霉素的水凝胶填充进入3d打印ti支架的孔隙内；

第四步：在琼脂糖水凝胶冷却固化后，将3d打印支架取出，去除支架表面多余水凝胶，环氧乙烷消毒，获得3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架。

本发明所述的支架中：第二步所述载万古霉素的水凝胶中万古霉素的含量为10～25％。

本发明所述的支架中：第四步所述ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架中万古霉素的含量为5～10％。

一种3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架的制备方法，该方法包括以下步骤：

第一步：将钛合金粉末通过电子束熔融或者选择性激光烧结3d打印机，依照计算机设计的外形及孔隙微结构，制作多孔的3d打印ti支架；

第二步：琼脂糖以质量体积比1～10g：100ml加入双蒸水，高压蒸汽灭菌冷却过程中加入万古霉素，均匀搅拌后获得载有万古霉素的水凝胶；

第三步：将3d打印ti支架加入前端可调的密封容器中，并加入未固化的载万古霉素的水凝胶，排尽空气并使用推杆加压，促进载万古霉素的水凝胶填充进入3d打印ti支架的孔隙内；

第四步：在琼脂糖水凝胶冷却固化后，将3d打印支架取出，去除支架表面多余水凝胶，环氧乙烷消毒，获得3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架。

本发明所述的制备方法中：第二步所述载万古霉素的水凝胶中万古霉素的含量为10～25％。

本发明所述的制备方法中：第四步所述ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架中万古霉素的含量为5～10％。

本发明所述的3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架在制备骨缺损修复材料领域中的应用。

微结构可控特性：本发明是以ebm3d打印或slm3d打印依照计算机设计构建的多孔隙微结构，孔隙的形态可以是0-90°正交行结构、0-45-90-135-180°菱形结构、0-60-120-180°三角形结构在内的规律性孔隙，亦可以依据实际需要形成特殊的梯度化、层次化相交结构。

万古霉素释放的可控性：本发明的3d打印微结构(包括支架的孔大小、孔形状、孔取向、孔隙率和连通性、及支架表面特性等)均可以调控支架的水凝胶-万古霉素的填充，进而影响万古霉素的释放特性。同时，通过改变制作过程中万古霉素与水凝胶混合的浓度，可调控支架内万古霉素的负载量，进而调控万古霉素的药物含量及释放特性，最终可以针对不同病情(急性期、亚急性期、慢性感染)选择合理用药的强度。

良好的力学性能：本发明的钛合金、水凝胶材料均具有一定的弹性模量与强度，通过对3d打印形成的孔隙微结构的调控(比如：孔形貌、孔隙大小、孔隙率)，不仅影响ti支架的力学性能，也可以控制水凝胶填充后的力学性能，从而可以调控3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架的力学特性，以满足骨缺损部位的力学要求。

良好的组织整合特性：填充于3d打印ti支架内的水凝胶在植入后会不断降解并释放万古霉素，周围新生的骨组织将逐步生长并填充孔隙，就能够形成在宿主部位良好的骨整合性能，最终可以控制感染并填充骨组织缺损。

良好的生物安全性：本发明采用的ti、水凝胶及万古霉素均为高生物相容性与生物安全性材料，均已被国家食药监局批准用于作为可临床使用的内植入物、药物材料；三者复合后无生物有害物质的生成，使得3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架具备良好的生物安全性。

3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架的特点是：①通过ebm3d打印或slm3d打印技术构建，可以实现外形、内部孔隙结构的精细控制；②通过对材料中孔隙微结构(包括支架的孔大小、孔形状、孔取向、孔隙率和连通性、及支架表面特性等)的精细控制以及对于水凝胶中混合万古霉素的比例的调控，可以实现对万古霉素释放的调控；③通过对水凝胶中混合万古霉素的比例、3d打印支架孔隙结构的控制，可使得支架具有良好的力学性能；④支架随着水凝胶的降解，骨组织可长入具备多孔微结构的3d打印ti支架的孔隙，从而具备良好的组织整合特性；⑤采用的ti、水凝胶及万古霉素均为高生物相容性与生物安全性材料，由此得到的3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架具备良好的生物安全性。

本发明的有益效果是设计一种新型的3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架，在克服了现有抗骨感染材料缺点的同时还充分发挥了3d打印技术、支架材料的性能，使得本发明具有结构简单可靠，外形与微结构可控，力学性能可靠，抗感染药物释放性能可控，植入方便，创伤小、成本低的优点，可以用于急、慢性骨髓炎、化脓性关节炎骨破坏的治疗及感染后骨缺损的修复治疗。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明通过3d打印建立三维多孔结构ti支架的示意图。a：支架纤维层叠排列二维视图，b：采用正方形孔隙的支架结构示意图，c：采用三角形孔隙的支架结构示意图，d：采用菱形孔隙的支架结构示意图；e：3d打印个性化内固定支架的结构示意图。

图2为本发明植入骨感染性缺损区后发挥抗感染、填充骨缺损的生物学作用的示意图。

图3为本发明采用0-90°正方形孔隙的圆柱形支架的实物图。a：圆柱形3d打印ti支架正视图；b：圆柱形3d打印ti支架侧视图；c：支架金属表面的扫描电镜视图；d：ti支架孔隙填充与水凝胶-万古霉素混合物后，构建的3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架实物图。

图4为本发明的理化特性检测实验的结果图。a：支架抑菌性能检测图；b：扫描电镜纤维视图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1

一种3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架，该支架通过如下方法制备得到：

第一步：将钛合金粉末通过电子束熔融或者选择性激光烧结3d打印机，依照计算机设计的外形及孔隙微结构，制作多孔的3d打印ti支架；

第二步：琼脂糖以质量体积比5g：100ml加入双蒸水，高压蒸汽灭菌冷却过程中加入万古霉素，均匀搅拌后获得载有万古霉素的水凝胶，所述载万古霉素的水凝胶中万古霉素的含量为15％。

第三步：将3d打印ti支架加入前端可调的密封容器中，并加入未固化的载万古霉素的水凝胶，排尽空气并使用推杆加压，促进载万古霉素的水凝胶填充进入3d打印ti支架的孔隙内；

第四步：在琼脂糖水凝胶冷却固化后，将3d打印支架取出，去除支架表面多余水凝胶，环氧乙烷消毒，获得3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架。

实施例2

一种3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架，该支架通过如下方法制备得到：

第一步：将钛合金粉末通过电子束熔融或者选择性激光烧结3d打印机，依照计算机设计的外形及孔隙微结构，制作多孔的3d打印ti支架；

第二步：琼脂糖以质量体积比2g：100ml加入双蒸水，高压蒸汽灭菌冷却过程中加入万古霉素，均匀搅拌后获得载有万古霉素的水凝胶，所述载万古霉素的水凝胶中万古霉素的含量为20％。

第三步：将3d打印ti支架加入前端可调的密封容器中，并加入未固化的载万古霉素的水凝胶，排尽空气并使用推杆加压，促进载万古霉素的水凝胶填充进入3d打印ti支架的孔隙内；

第四步：在琼脂糖水凝胶冷却固化后，将3d打印支架取出，去除支架表面多余水凝胶，环氧乙烷消毒，获得3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架。

实施例3

一种3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架，该支架通过如下方法制备得到：

第一步：将钛合金粉末通过电子束熔融或者选择性激光烧结3d打印机，依照计算机设计的外形及孔隙微结构，制作多孔的3d打印ti支架；

第二步：琼脂糖以质量体积比8g：100ml加入双蒸水，高压蒸汽灭菌冷却过程中加入万古霉素，均匀搅拌后获得载有万古霉素的水凝胶，所述载万古霉素的水凝胶中万古霉素的含量为25％。

第三步：将3d打印ti支架加入前端可调的密封容器中，并加入未固化的载万古霉素的水凝胶，排尽空气并使用推杆加压，促进载万古霉素的水凝胶填充进入3d打印ti支架的孔隙内；

第四步：在琼脂糖水凝胶冷却固化后，将3d打印支架取出，去除支架表面多余水凝胶，环氧乙烷消毒，获得3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架。

对于感染性骨缺损患者，如果缺损区没有金属异物等可能影响ct扫描图像的干扰因素，可以通过ct扫描获得解剖数据，并结合感染、骨缺损的病情严重程度，设计具备个性化外形与理化特性的3d打印支架并植入感染性骨缺损区域。对于无法获取精确解剖数据的患者，使用预先准备好的3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架，依据实际缺损情况决定植入支架的数量。对于大块骨缺损或者需要承受较大应力部位的骨缺损，可以在3d打印支架中设计辅助支架固定的螺钉工作通道。支架植入后，随着万古霉素的释放对感染进行控制，与此同时，3d打印ti支架及水凝胶可以支撑骨缺损区域，从而可以实现控制感染、填充骨缺损区域的目标。

如图1所示，支架的3d打印ti支架可以形成多种孔隙结构，并且由不同层次排列的ti纤维束叠加形成，图1a为支架纤维依不同层次叠加排列，构建三维孔隙结构的示意图，可以看到支架的孔隙形态由支架纤维的不同层叠方法确定，包括孔大小、孔形状、孔取向、孔隙率和连通性等。图1b、c、d分为提供了采用0-90°、0-60-120-180°、0-45-90-135-180°的正方形、三角形、菱形孔隙的3d打印ti支架的结构示意图。如图1e，在实际工作中，亦可以依据不同待修复区力学环境、感染程度等的实际要求，通过对3d打印制备个性化设计、具备特定孔隙微结构的支架，乃至设计辅助支架固定的螺钉工作通道的ti支架。

图2为的1-6是本发明植入骨感染性缺损区后发挥抗感染、填充骨缺损的生物学作用的示意图。1为支架植入骨缺损部位；2为支架植入时局部的放大图，可以看到3d打印支架植入后可以填充骨缺损并可以承担人体应力；3显示3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架植入后释放万古霉素，并对组织中对细菌进行杀灭。

图3的a、b、c、d分别是按照前述技术路线，制备的3d打印支架的实物图，其中a为圆柱形3d打印ti支架正视图，b为圆柱形3d打印ti支架侧视图，c为3d打印ti支架的金属纤维表面的扫描电镜视图；d为3d打印ti支架与水凝胶-万古霉素复合后，得到的3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架的实物图。

图4a、b分别是按照前述技术路线构建的3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架的理化特性检测实验的结果图，其中a为将0-90°纤维层叠排列的3d打印ti-水凝胶-万古霉素抗感染骨支架植入含有金葡菌的培养皿内进行抑菌实验，可以看到在培养2周后，支架周围有环形抑菌圈，可见本发明制备的3d打印支架具有可靠的抑菌效能，b为扫描电镜检测图，可以看到支架多孔结构内被水凝胶-万古霉素混合物填充，万古霉素在水凝胶内分布均匀。