一种基于3D打印的降解可控骨组织工程支架及其制备方法与流程

本发明生物医用材料技术领域，涉及一种3d打印材料，具体为一种3d打印多层级微纳结构可控多孔生物活性陶瓷材料。

背景技术：

每年因骨创伤、骨组织炎症、骨肿瘤切除、意外事故、以及人口老龄化等原因导致硬组织缺损的病人日趋增多。在骨组织病损修复方法中，异体组织修复存在严重的免疫排斥反应，而自体组织的数量来源有限，采用人工材料进行硬组织替换和修复无疑具有重要应用价值。磷酸钙（gap）生物陶瓷，因具有优良的生物相容性、无毒、无刺激性、无排斥反应，同时具有良好的骨传导性和骨诱导性，具有很大的市场应用前景。磷酸钙系生物陶瓷中羟基磷灰石（ha）、磷酸三钙（tcp）和双相磷酸钙(bcp)具有优良成骨活性，被广泛研究应用。羟基磷灰石溶解度最低比较稳定，骨诱导性能较弱。磷酸三钙的溶解度大，力学性能较差。双相磷酸钙是将羟基磷灰石和磷酸三钙按照一定的比例混合，其溶解度介于两者支架，具有良好的综合性能。

在骨修复材料中，植入体的多层级微孔结构对骨修复重建起着关键的生物功能和修复作用，小于1μm的孔会影响材料的生物活性和蛋白的吸附类型，直径在1~20µm的孔会影响细胞的吸附类型和细胞的行为，100~1000µm的孔会影响细胞的长入，营养物质的交换以及材料的力学性能。此外，前期研究报道了材料的表面结构会调节细胞行为，进而影响材料的骨修复效果。综上所述，具有可调控的多层级微纳孔隙结构对骨组织修复重建至关重要。近些年来随着制造技术的快速发展，增材制造技术（3d打印）在很多方面展现出其材料成型制造优势。3d打印是通过材料的累积来成形复杂的零件，通过模型设计及控制打印喷头的移动轨迹可精确成型零件内外复杂三维结构，这为骨组织修复支架的制备提供了新的制造理念和方法，使骨修复支架材料的各参数可控，内部结构设计和个性化修复成为可能。通过3d打印技术可以有效设计和制备100~1000µm的多孔结构，但其很难制备小于100µm的孔和调控表面纳米尺度拓扑结构。因此需通过其它技术对材料的多层级微纳结构进行有效设计。重溶再结晶途径可以有效调控磷酸钙盐的表面微纳形貌，如利用高温高压的介质环境可使在室温条件下不溶或难溶的钙磷盐溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内介质溶液状态产生对流以形成过饱和状态而再结晶重构，通过对反应介质参数的调控，即可得到不同微纳形貌的晶体结构，进而实现对支架材料的微纳尺度下的显微形貌调控。

技术实现要素：

本发明目的是针对以上技术问题，提供一种用于硬组织修复的多层级微纳结构可控3d打印生物活性陶瓷支架材料及其制备方法。该材料将3d打印技术和重溶再结晶途径相结合，利于3d打印技术调控支架的外形和宏观大孔结构，利用重溶再结晶途径调控支架材料的二级微纳尺度结构形貌。

为了实现上述目的，本发明的具体技术方案为：

一种3d打印多层级微纳结构可控的生物活性陶瓷支架的制备方法，其特包括以下步骤：

a）将a粉末材料、粘结剂和乙醇充分混合得到打印墨水，其质量比为3.6：32：32；所述的a粉末为磷酸三钙(α-tcp及β-tcp)、磷酸四钙和磷酸二氢钙中的任意一种或羟基磷灰石（ha）与磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸二氢钙中的任意一种或几种的混合物。磷酸钙系列陶瓷和人骨的无机成分相似，是整个支架的生物活性成分。

b）采用3d打印技术制备所需要的多孔支架；其3d打印技术为三维喷墨打印（threedimensionprinting，3dp）、选择性激光烧结（selectivelasersintering，sls）、立体光固化成型（stereolithographyappearance，sla）、数字光处理（digitallightprocessing，dlp）等3d打印技术中的任意一种。这些快速成型技术均为现有技术，其均可通过支架孔结构预设计建模可以有效定制支架孔结构特征参数。

c）将打印好的多孔支架进行烧结，烧结温度为1000℃-1300℃，烧结时间为2~3h，得到具有一级宏观尺度大孔可控的多孔陶瓷；

d）配置ph=4.0-10.0的水溶液；

e）将步骤c）中的多孔陶瓷放入水溶液中，在密闭水热反应釜中，升温至100-180℃，反应0.5-12h；

f）自然冷却至室温，经水洗烘干即得到表面具有晶须结构的多孔陶瓷支架。

所述的粘结剂为生物粘结剂聚乙烯醇，其mn=70000-90000。

所述多孔陶瓷支架的孔隙率为30%～95%，三维宏观大孔尺度为：10-1000µm。大孔由快速成型技术制备，孔与孔之间可以通过任意形式互穿贯通。大孔壁为作为支架的骨架，不仅保证支架的外形特征，而且也作为三维晶须的载体。

所述支架表面均匀分布着三维晶须结构，其中晶须形状分为片状和棒状，片状晶须厚度为5-1000nm，长度为1-200µm，棒状晶须长度为1-200µm，直径为5nm-100µm。材料大孔壁表面的三维晶须结构作为支架二级微纳尺度结构对支架的生物性能进行调控。

作为优选方式，所述3d打印多层级微纳结构可控的生物活性陶瓷材料表面三维晶须结构利用重溶再结晶途径制得。通过对反应介质参数的调控，即可得到不同形态微纳形貌的的晶体结构，进而实现对支架材料的微纳尺度下的显微形貌结构进行调控。

本发明的积极效果为：

（一）、本发明所采用的初始材料为磷酸钙陶瓷，生物相容性好，具有良好的骨修复效果。

（二）、使用3d打印技术制备多孔支架，一级可调控设计宏观大孔结构，利于细胞的长入和营养物质的交换，并且能够根据患者骨缺损定制个性化外形尺寸。

（三）、使用重溶再结晶处理一级宏观结构大孔生物陶瓷，可进一步设计调控陶瓷的二级微纳米尺度微观结构和拓扑形貌，调控陶瓷的生物学功能，促进植入体支架的骨修复重建效果。

附图说明

图1为实施例1中获得的具有多层级微纳结构的多孔生物活性陶瓷sem图。

其具有一级宏观尺度大孔约为320μm、孔隙率为72%，同时生物陶瓷具有二级三维棒状晶须表面微纳尺度拓扑形貌，其棒状晶须长度约为2-5μm，晶须直径约为300-400nm。

图2为实施例2中获得的具有多层级微纳结构的多孔生物活性陶瓷sem图。

其具有一级宏观尺度大孔约为300μm、孔隙率为70%，同时生物陶瓷具有二级三维片状晶须表面微纳尺度拓扑形貌，其片状晶须长度约为3-5μm，厚度为80-120nm。

图3为实施例2中获得的具有多层级微纳结构的多孔生物活性陶瓷sem图。

其具有一级宏观尺度大孔约为280μm、孔隙率为65%，同时生物陶瓷具有二级三维针状晶须表面微纳尺度拓扑形貌，其针状晶须长度约为80-100μm，晶须直径约为400-500nm。

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。

一种3d打印多层级微纳结构可控的生物活性陶瓷支架的制备方法，其包括以下步骤：

1、制备一级宏观大孔的生物活性陶瓷支架，其中具体制备路径如下：

（1）将磷酸钙粉体和生物粘结剂聚乙烯醇（pvb，mn=70000-90000）、乙醇（sigma）按质量比3.6:32:32混合，充分混合制得磷酸钙系生物活性陶瓷打印墨水。

（2）将上述所调配的陶瓷墨水采用三维喷墨打印技术（3dp）制备出目标模型。打印过程中，打印喷头根据设定好的路径逐层累积出目标模型，选择的打印喷头直径为0.4mm，打印速度为5-20mm/s。其中打印模型可根据患者的骨缺损数据利用三维软件逆向重建而得，并根据患者个性化设计支架的内部多孔结构。

（3）将步骤b)打印好的胚体放入烘箱中除去溶剂后进行烧结成瓷，烧结温度为1100℃~1300℃，烧结时间为2~3h，得到具有一级宏观尺度大孔可控的多孔陶瓷；

2、将步骤①所得具有一级宏观尺度大孔可控的多孔陶瓷进行重溶再结晶处理，调控支架材料的二级微纳尺度结构形貌，具体的技术路径如下：

（1）配置ph=4.0~10.0的硝酸水溶液；

（2）将具有一级宏观尺度大孔可控的多孔陶瓷投入配置好的溶液之中，在密闭反应釜中，升温至100~180℃，反应0.5~12h；

（3）自然冷却至室温，经水洗烘干即可得到具有三维晶须拓扑结构的二级微纳尺度形貌陶瓷。

本发明实现多材料的层级复合打印喷头所采用的料筒规格型号和所采用的打印原料不限于本发明所述方案。

实施例1：

（1）配置磷酸钙系生物活性陶瓷打印墨水；

充分混合羟基磷灰石(ha)和磷酸三钙粉末(tcp)，其中羟基磷灰石(ha)和磷酸三钙(tcp)的质量比为6:4，将混合好磷酸钙粉体和生物粘结剂聚乙烯醇（pvb，mn=80000）、乙醇（sigma）按质量比3.6:32:32充分混合制得磷酸钙系生物活性陶瓷打印墨水。

（2）采用三维喷墨打印技术（3dp）制备出一级宏观尺度大孔生物陶瓷胚体；其中一级宏观大孔的尺寸由三维设计软件设计，本例大孔设计孔隙为400μm，选用打印喷头直径(d)为200μm喷头，切片厚度(h)为160μm的厚度进行切片分层，以打印速度为300mm/min进行浆料挤出式3d打印。

（3）将步骤2)打印好的胚体放入烘箱中除去溶剂后进行烧结成瓷，烧结温度为1100℃~1300℃，烧结时间为2~3h，得到具有一级宏观尺度大孔可控的多孔陶瓷，其设计的一级宏观尺度大孔孔隙约为320μm，陶瓷材料烧结过程整体收缩率为20%，支架总的孔隙率为72%；

（4）将步骤（3）所得具有一级宏观尺度大孔可控的多孔陶瓷进行重溶再结晶处理，调控支架材料的二级微纳尺度结构形貌。配置ph=4.0的硝酸水溶液，将具有一级宏观尺度大孔可控的多孔陶瓷投入配置好的溶液之中，在密闭反应釜中，升温至180℃，反应10h；自然冷却至室温，经水洗烘干即可得到具有三维晶须拓扑结构的二级微纳尺度形貌陶瓷。

经过上述步骤获得具有一级宏观尺度大孔为320μm、孔隙率为72%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷具有二级三维棒状晶须表面微纳尺度拓扑形貌，其棒状晶须长度约为2-5μm，晶须直径约为300-400nm，具体结果见附图1。

实施例2

选用羟基磷灰石(ha)和磷酸三钙(tcp)的质量比为3:7的磷酸钙作为打印原料。按照实施例1的方法步骤，首先进行一级宏观尺度大孔设计3d打印制备，随后进行溶溶再结晶进行二级微纳米尺度表面拓扑结构调控，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，本实施例调节了原材料的成分配比，提高了磷酸三钙的比例，更加利于材料重溶再结晶。最终得到具有一级宏观尺度大孔为300μm、孔隙率为70%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷具有二级三维片状晶须表面微纳尺度拓扑形貌，其片状晶须长度约为3-5μm，厚度为80-120nm，具体结果见附图2。

实施例3

按照实施例1的方法，制备多层级微纳结构的生物陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，本实施例中原材料改为纯的磷酸三钙。最终得到具有一级宏观尺度大孔为280μm、孔隙率为65%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷具有二级三维针状晶须表面微纳尺度拓扑形貌，其针状晶须长度约为80-100μm，晶须直径约为400-500nm，支架的二级微纳结构已经不同于上述实施例，详情附图3。

实施例4

按实施例1的方式制备多孔陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，在利用重溶再结晶调控表面微纳尺度拓扑形貌时，将反应溶液的ph值设定为5.0，其他参数和实施例1相同。最终得到具有一级宏观尺度大孔为320μm、孔隙率为70%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷具有二级三维棒状晶须表面微纳尺度拓扑形貌，其棒状晶须长度约为20-30μm，晶须直径约为300-400nm。

实施例5

按实施例1的方式制备多孔陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，利用重溶再结晶调控表面微纳尺度拓扑形貌时，将反应溶液的ph值改变为6.0，其他参数和实施例1相同。最终得到具有一级宏观尺度大孔为320μm、孔隙率为70%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷具有二级三维棒状晶须表面微纳尺度拓扑形貌，其棒状晶须长度约为30-40μm，晶须直径约为300-400nm。

实施例6

按实施例1的方式制备多孔陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，在利用重溶再结晶调控表面微纳尺度拓扑形貌时，将反应溶液的ph值改变为7.0，其他参数和实施例1相同。最终得到具有一级宏观尺度大孔为320μm、孔隙率为70%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷具有二级三维棒状晶须表面微纳尺度拓扑形貌，其棒状晶须长度约为40-50μm，晶须直径约为500-600nm。

实施例7

按实施例2的方式制备多孔陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例2相同，不同之处在于，利用重溶再结晶调控表面微纳尺度拓扑形貌时，将在反应釜中的反应时间改为2小时，其他参数和实施例2相同。最终得到具有一级宏观尺度大孔为320μm、孔隙率为70%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷具有二级三维片状晶须的表面微纳尺度拓扑形貌，相比较于实施例2，反应时间比较短，晶须刚刚生长，其片状晶须长度约为50-100nm，晶须厚度约为10-15nm。

实施例8

按实施例2的方式制备多孔陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例2相同，不同之处在于，在利用重溶再结晶调控表面微纳尺度拓扑形貌时，将在反应釜中的反应时间改为6小时，其他参数和实施例2相同。最终得到具有一级宏观尺度大孔为320μm、孔隙率为70%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷具有二级三维片状晶须的表面微纳尺度拓扑形貌，相比较于实施例7，反应时间增加，晶须逐渐长大，其片状晶须长度约为100-200nm，片状晶须厚度约为15-20nm。

实施例9

按实施例2的方式制备多孔陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，利用重溶再结晶调控表面微纳尺度拓扑形貌时，将在反应釜中的反应时间改为8小时，其他参数和实施例2相同。最终得到具有一级宏观尺度大孔为320μm、孔隙率为70%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷具有二级三维片状晶须的表面微纳尺度拓扑形貌，相比较于实施例8，反应时间继续增加，晶须继续生长，其片状晶须长度约为200-300nm，片状晶须厚度约为20-30nm。

实施例10

按照实施例1中的原料和方法，首先进行一级宏观尺度大孔设计3d打印制备，在本例中设置大孔空隙为500µm，其余参数和实施例1相同，随后进行溶溶再结晶进行二级微纳米尺度表面拓扑结构调控。在本实施例中增加了大孔的孔径，最终得到具有一级宏观尺度大孔为420μm、孔隙率为80%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷的二级表面微纳尺度拓扑形貌和实施例1相同，其棒状晶须长度约为2-5μm，晶须直径约为300-400nm。

实施例11

按实施例1的方式制备多孔陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，利用重溶再结晶调控表面微纳尺度拓扑形貌时，将反应温度降低至120℃，其他参数和实施例1相同。最终得到具有一级宏观尺度大孔为320μm、孔隙率为70%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷具有二级三维棒状晶须表面微纳尺度拓扑形貌，相比较实施例1，反应温度降低了，反应速度减慢，晶须生长减缓。其棒状晶须长度约为300-500nm，晶须直径约为100-150nm。

实施例12

按实施例1的方式制备多孔陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，在利用重溶再结晶调控表面微纳尺度拓扑形貌时，将反应温度变为160℃，其他参数和实施例1相同。最终得到具有一级宏观尺度大孔为320μm、孔隙率为70%的正交多孔生物陶瓷，同时生物陶瓷具有二级三维棒状晶须表面微纳尺度拓扑形貌，其反应温度在施例1和实施例11之间。其棒状晶须长度约为500-800nm，晶须直径约为200-300nm。

对比例1

按照实施例1的方法，首先进行一级宏观尺度大孔设计3d打印制备，随后进行溶溶再结晶，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，选用纯的羟基磷灰石(ha)为打印原料。在此实施例中无法得到二级晶须的表面微纳尺度拓扑形貌，因为羟基磷灰石（ha）的溶解度非常低，在高温高压的反应体系中无法完成溶融再结晶的过程，故无法对其二维表面微纳尺度拓扑形貌进行调节。

对比例2

按实施例1的方式制备多孔陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，在利用重溶再结晶调控表面微纳尺度拓扑形貌时，将密闭水热反应釜内的反应温度改为80℃，其他参数和实施例1相同。在此实施例中无法得到二级晶须的表面微纳尺度拓扑形貌，因为反应的体系的温度太低，磷酸钙溶融再结晶的过程过于缓慢，导致溶融再结晶过程失败，故无法对其二维表面微纳尺度拓扑形貌进行调节。

对比例3

按实施例1的方式制备多孔陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例1相同，不同之处在于，在利用重溶再结晶调控表面微纳尺度拓扑形貌时，调节反应溶液ph=2.0，其他参数和实施例1相同。在此实施例中无法得到二级晶须的表面微纳尺度拓扑形貌，因为反应溶液酸碱度过低，磷酸钙的溶解速度远大于再结晶的速度，三维晶须无法生长，导致溶融再结晶过程失败，故无法对其二维表面微纳尺度拓扑形貌进行调节。

对比例4

按实施例1的方式制备多孔陶瓷支架，其余参数选择及制备过程与实施例1相同。不同之处在于，在制备一级宏观大孔的生物活性陶瓷支架时，将混合好磷酸钙粉体和生物粘结剂聚乙烯醇（pvb，mn=80000）、乙醇（sigma）按质量比1:2:2充分混合制得磷酸钙系生物活性陶瓷打印墨水。在此比例下无法制备多层级结构支架，打印胚体的无机磷酸钙占的比例过低，在后续的烧结过程中陶瓷坯体会随着有机物的挥发而崩塌，无法保证打印的形状。故无法得到多层级孔结构的可降解陶瓷支架。

以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。