个性化磷酸钙仿生骨组织支架及其制备方法和应用与流程

本发明涉及生物医用材料技术领域，具体来说，涉及一种个性化磷酸钙仿生骨组织支架及其制备方法和应用。

背景技术：

骨修复支架材料应有良好的可塑性、生物相容性、骨传导性、生物活性和可降解性，具有高孔隙率且连通的多孔结构和足够力学强度等特性。但现有的骨修复材料，如钛及钛合金、不锈钢和钴铬合金等金属植入材料虽可个性化的根据骨缺损形态设计形态并且具有良好的力学强度，但其缺乏生物活性，不降解；磷酸钙陶瓷具有生物活性，体内能降解，但其力学强度低；高分子材料在体内可降解，但其力学强度低、缺乏活性。多孔结构是骨长入支架的结构基础，支架降解与新骨形成的速度之间的适配性是骨修复成功的关键，根据原缺损骨外形成骨完成骨替代是骨缺损修复的最终目的。因而，设计和制备新型骨修复支架材料必需考虑多孔结构、支架降解和支架力学强度稳定之间的适配性、支架外形的个性化设计与制造。自然骨的结构特点是可适应局部应力与应变要求，呈规则排列的板层结构。基于此，本发明拟从结构仿生入手，研发一种个性化的仿生型可控降解的骨修复支架材料。

磷酸钙具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导甚至骨诱导作用。不同的磷酸钙基生物材料，其生物活性、降解速率等表现出不同，羟基磷灰石(ha)在溶液中稳定，降解性低；磷酸三钙(β-tcp)在溶液中溶解度较大,可降解；ha/β-tcp双相磷酸钙陶瓷(bcp)，具有介于ha与β-tcp之间的可控降解性能，其骨诱导性优于单纯的ha与β-tcp。高β-tcp含量的bcp有利于新生血管组织长入支架。孔隙规律排列影响支架的力学强度，孔隙呈平行排列的多孔材料，其力学强度明显高于无序的多孔材料。多孔bcp的降解速率与ha和β-tcp的比例、结构因素(孔隙率、孔径等)和体内环境(ph、酶、细胞等)等因素相关，ha含量越大，bcp的降解速率越慢；bcp在酸性环境中降解快，而在碱性环境中相对稳定；不同的多孔结构导致磷酸钙的降解性不同，高孔隙率bcp陶瓷的降解速率快，使植入体周围微环境中钙磷离子浓度发生改变，进而直接影响到成骨和破骨细胞的功能。因而，调控多孔bcp的组成、孔隙率、孔径、孔形和孔隙排列方向等因素，能实现多孔bcp的生物活性、力学强度和降解速率可控，为新型高孔隙率和高强度多孔bcp制备提供了策略。

理想的组织工程支架应具有较高的孔隙率和相互连通的结构，促使细胞粘附、生长和新组织生成，并有利于养分和新陈代谢产物的运输，最终支架可以被细胞和细胞外基质所替代。高孔隙率多孔磷酸钙修复材料是目前研究的热点，传统的造孔方法有造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡反应法、溶胶～凝胶法等,然而传统方法制备的多孔磷酸钙陶瓷支架的孔隙特征为无序的多孔材料，孔隙度和孔径不可控，多孔材料的力学强度低，细胞及血管只能部分长入支架，限制了临床应用。冰模板法在多孔陶瓷制备方面优势明显，通过调节工艺参数，有效地调控材料的孔隙度、孔径和孔隙方向，形成一种有序的、层板状排列的、相互连通的多孔结构，为细胞的均匀分布和生长提供足够的空间，有利于细胞及血管长入支架材料内部，同时也有利于营养物质和代谢产物的扩散交换。中国发明专利《梯度多孔生物陶瓷支架的制备方法》(专利号2009100241469)公开了一种以冰为模板制造一种梯度多孔磷酸钙陶瓷，通过制造三维壳体、浇筑生物陶瓷浆料、冷冻干燥和烧结等步骤制备出了外部相对致密、内部具有定向排布的层板状多孔结构的多孔生物陶瓷支架。这种方法所制备的支架材料虽然内部具有有序的层板状多孔结构，但是该支架因外周结构致密而导致细胞及血管难以进入支架内部，从而影响支架内成骨。

技术实现要素：

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提供了一种个性化磷酸钙仿生骨组织支架及其制备方法和应用，所述仿生骨组织支架包括中心通道层和以中心通道层为中心呈放射状排布的外围结构，所述外围结构包括依次层叠排布的板层片，所述板层片之间具有间隙，解决了以往外部致密内部多孔结构中出现营养物质难以由外向内输送而导致成骨不完全的问题。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供一种个性化磷酸钙仿生骨组织支架，所述个性化磷酸钙仿生骨组织支架包括中心通道层和以中心通道层为中心呈放射状排布的外围结构，所述外围结构包括依次层叠排布的板层片，所述板层片之间具有间隙。

进一步地，所述个性化磷酸钙仿生骨组织支架的间隙率为65～70％；所述间隙呈板层状，间隙的短径(板间)为50～75μm，间隙的长径与板层片的长度一致；所述个性化磷酸钙仿生骨组织支架的压缩强度为1.37～3.15mpa。

一方面，本发明提供一种个性化磷酸钙仿生骨组织支架的制备方法，包括如下步骤：

1)将纳米级的羟基磷灰石与纳米级的β-磷酸三钙按比例混合，加入助烧剂进行第一次球磨，得到双相磷酸钙粉末；过筛后与分散剂、粘接剂一起溶于去离子水，经第二次球磨后制成双相磷酸钙浆料；

2)将步骤1)所得双相磷酸钙浆料注入个性化模具，冷冻，真空干燥制成组织支架；

3)将步骤2)组织支架进行烧结制得中间具有贯通大孔、外周由内向外呈放射状排列、全开孔板层状梯度多孔结构的个性化磷酸钙仿生骨组织支架。

进一步地，所述羟基磷灰石的粒径为100～5000nm。

进一步地，所述β-磷酸三钙的粒径为100～5000nm。

进一步地，所述羟基磷灰石与β-磷酸三钙的质量比为2～4:6～8。

进一步地，所述助烧剂包括氧化镁。进一步地，所述助烧剂用量为0.05-0.1％vt。进一步地，步骤1)中，所述第一次球磨的时间为12～24h。所述第二次球磨的时间为12～24h。

进一步地，所述分散剂为聚丙烯酸铵。进一步地，所述分散剂的浓度为30～50％vt，用量占所配浆料的0.5～1.5％vt。优选地，所述分散剂为40％vt的聚丙烯酸铵。进一步地，所述粘接剂为聚乙烯醇。进一步地，所述粘接剂的浓度为5～10％vt，用量占所配浆料的2～6％vt。优选地，所述粘接剂为10％vt的聚乙烯醇。进一步地，所述双相磷酸钙浆料中固相含量为10～30％vt。vt表示体积分数。

进一步地，所述个性化模具的制备过程如下：i)获取目标医疗影像数据，重建缺损区骨组织的三维模型；ii)根据三维模型设计与之匹配的全包绕的模具外壳；iii)将模具外壳数据导入三维打印机进行打印，得到模具外壳；iv)根据模具外壳两端设计的开孔大小制作与之匹配的中心冷源铜管。

进一步地，所述目标医疗影像数据是指目标ct影像数据。

进一步地，所述模具外壳的数据如下：沿壳体长轴方向纵切分为两部分，两端的中心设计有5～8mm的安装孔、两侧顶端设计为2～5mm的浆料注入口，壳体厚度约2～5mm。

进一步地，所述模具外壳的原料为玻璃钢。

进一步地，所述冷冻的温度为-30～-10℃，冷冻的时间为1～5小时。

进一步地，所述真空干燥的真空压力小于20pa，干燥的时间为12～24小时。

进一步地，步骤2)中，所述冷冻结束后，将冷冻后的浆料脱模，置于冷冻干燥剂中进行真空干燥。

进一步地，步骤3)中所述烧结的过程如下：将组织支架置于管式电阻炉中，先以1～3℃/min速度升温至500～650℃，保温1～5小时，随后以3～8℃/min速度升温至1100～1350℃，保温2～5小时，随炉冷却至室温。

进一步地，所述步骤3)中烧结之前，在组织支架表面覆盖一层氧化铝粉末。保持组织支架在烧结过程中受热均匀且不发生形变。

进一步地，所述个性化磷酸钙仿生骨组织支架的间隙率为65～70％，间隙呈板层状，间隙的短径(板间)为50～75μm，间隙的长径与板层片的长度一致，个性化磷酸钙仿生骨组织支架的压缩强度为1.37～3.15mpa。

另一方面，本发明提供一种上述个性化磷酸钙仿生骨组织支架在制备骨修复材料中的应用。

另一方面，本发明提供一种用于制备本发明的个性化磷酸钙仿生骨组织支架的制备装置，包括通过转接头连通的个性化模具和冷循环系统；

所述个性化模具包括模具锁扣、通过模具锁扣连接的模具外壳、设置在模具外壳内中轴线上的中心冷源铜管和设置在模具外壳上的浆料注入口；

所述冷循环系统包括冷冻循环箱、微型隔膜泵、冷源传导铜柱和制冷压缩机；

所述冷源传导铜柱连接冷冻循环箱和制冷压缩机；

所述冷冻循环箱内灌注有冷冻液；

所述冷冻液沿冷冻循环箱外接管道经微型隔膜泵作用进入中心冷源铜管实现循环冷凝。

进一步地，所述个性化模具的制备过程如下：1)获取目标医疗影像数据，重建缺损区骨组织的三维模型；2)根据三维模型设计与之匹配的全包绕的模具外壳；3)将模具外壳数据导入三维打印机进行打印，得到模具外壳；4)根据模具外壳两端设计的开孔大小制作与之匹配的中心冷源铜管。

进一步地，所述目标医疗影像数据是指目标ct影像数据。

进一步地，所述模具外壳的数据如下：沿壳体长轴方向纵切分为两部分，两端的中心设计有5～8mm的安装孔、两侧顶端设计为2～5mm的浆料注入口，壳体厚度约2～5mm。

进一步地，所述模具外壳的原料为玻璃钢。

进一步地，所述制冷压缩机包括温度控制电路系统和制冷压缩系统。

进一步地，所述冷冻循环箱内设置安装有温度传感器，所述温度传感器与制冷压缩机的温度控制电路系统连接，通过温度传感器检测的数据以控制制冷压缩机工作的强度，进而实现控制冷冻循环箱内的温度。

进一步地，所述冷冻液为质量分数浓度为60％的乙二醇。

进一步地，所述冷冻循环箱设置有冷冻液灌注口和用于密封冷冻液灌注口的密封塞。

本发明的有益效果：

本发明提供一种个性化磷酸钙仿生骨组织支架及其制备方法和应用，通过3d打印的方式制造个性化模具，满足个性化的需求，使得制备的支架更匹配；通过采用去离子水作为溶剂，在冷冻过程中水凝结成冰晶，在冷冻干燥过程中将固态水汽化，制备的个性化磷酸钙仿生骨组织支架包括中心通道层和以中心通道层为中心呈放射状排布的外围结构，所述外围结构包括依次层叠排布的板层片，所述板层片之间具有间隙。在烧结过程中，将组织支架中的有机材料部分，如粘接剂烧除，保证个性化仿生骨组织支架的安全性。个性化的模具能够匹配不同患者个性化的需求，与不同骨缺损区形态相匹配。

本发明提供的是一种匹配骨缺损区形态的，植入机体后有利于骨修复，可以支持骨长入的高强度可降解个性化层板状仿生多孔的磷酸钙骨支架材料。

本发明制备的个性化磷酸钙仿生骨组织支架结构解决了以往外部致密内部多孔结构中出现营养物质难以由外向内输送而导致成骨不完全的问题，可保证细胞及新生血管长入支架深部，使得成骨更加完全；支架内部的大孔可以渗入可降解聚合物材料，可整体提高支架的机械性能；通过个性化模具制得外形匹配的骨修复支架，从而使支架在形态和功能上有具有更大的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明优选实施例所设计的个性化磷酸钙仿生骨组织支架的制备装置结构示意图；

图2是本发明优选实施例制备的个性化磷酸钙仿生骨组织支架的显微结构图。

图3是本发明优选实施例制备的个性化磷酸钙仿生骨组织支架的结构示意图。(a)实际结构示意图；(b)理想结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。

如图1所示，一种个性化磷酸钙仿生骨组织支架的制备装置，包括通过转接头5连通的个性化模具和冷循环系统；

所述个性化模具包括模具锁扣1、通过模具锁扣1连接的模具外壳4、设置在模具外壳4内中轴线上的中心冷源铜管3和设置在模具外壳4上的浆料注入口2；所述模具外壳4通过中轴线分为两片，通过模具锁扣1进行合模固定，也可通过解除模具锁扣1方便支架材料脱模，其外形根据骨缺损部位不同可个性化设计，所述模具外壳的原料为玻璃钢，玻璃钢的材料也利于直接观察模具内浆料的注入以及冷冻的情况；

所述冷循环系统包括冷冻循环箱8、微型隔膜泵9、冷源传导铜柱11和制冷压缩机12；所述制冷压缩机12包括温度控制电路系统和制冷压缩系统；

所述冷源传导铜柱11连接冷冻循环箱8和制冷压缩机12；所述冷冻循环箱12内设置安装有温度传感器10，所述温度传感器10与制冷压缩机12的温度控制电路系统连接，通过温度传感器10检测的数据以控制制冷压缩机12工作的强度，进而实现控制冷冻循环箱8内的温度；所述温度传感器10时刻检测冷冻循环箱8中冷冻液的温度并反馈至制冷压缩机12中，指引制冷压缩机12工作保持设定温度的稳定。

所述冷冻循环箱8内灌注有冷冻液7，所述冷冻液为质量分数浓度为60％的乙二醇；所述冷冻循环箱8设置有冷冻液灌注口和用于密封冷冻液灌注口的密封塞6。

所述冷冻液7沿冷冻循环箱8外接管道经微型隔膜泵9作用进入中心冷源铜管11实现循环冷凝。

所述的中心冷源铜管3管壁厚2～4mm，其内持续通入恒定温度的冷冻液(60％乙二醇)7保证中心冷源温度。

所述转接头5优选为螺纹转接头，在冷冻完成后，可将装置模具部分完整去除，也利于抽出中心冷源铜管。

优选地，所述个性化模具的制备过程如下：1)获取目标医疗影像数据，重建缺损区骨组织的三维模型；2)根据三维模型设计与之匹配的全包绕的模具外壳；3)将模具外壳数据导入三维打印机进行打印，得到模具外壳；4)根据模具外壳两端设计的开孔大小制作与之匹配的中心冷源铜管。

优选地，所述目标医疗影像数据是指目标ct影像数据。

优选地，所述模具外壳的数据如下：沿壳体长轴方向纵切分为两部分，两端的中心设计有5～8mm的安装孔、两侧顶端设计为2～5mm的浆料注入口，壳体厚度约2～5mm。

本发明个性化可降解层板状多孔磷酸钙骨支架主要包括磷酸钙浆料的配置、浆料冷冻、冷冻干燥和烧结四步

(1)磷酸钙浆料的配置：

①将100nm～5000nm羟基磷灰石(ha)与100nm～5000nmβ-磷酸三钙(β-tcp)的粉末按2～4:6～8的比例均匀混合，加入0.05～0.1％vt助烧剂置于球磨罐球磨12～24h，得到双相磷酸钙(bcp)粉末；

②将过筛后的双相磷酸钙粉体、分散剂、粘接剂溶于去离子水中，配成浆料，其中双相磷酸钙粉体占浆料10～30％vt、分散剂占0.5～0.15％vt，粘接剂2～6％vt。

(2)灌注浆料和冷冻冷冻干燥：

将配好的bcp浆料注入个性化骨支架材料制备装置的模具中，调节壳体中心铜管冷源冷冻温度为-30℃～-10℃，保持1～5小时；浆料彻底冻结后脱出外模，抽出冷源铜管，后置于冷冻干燥机中，在真空压力小于20pa条件下干燥12～24小时后取出；

(3)烧结：

随后将支架放入管式电阻炉中，以1～3℃/min速度升温至500～650℃，保温1～5小时，将粘接剂烧除，随后以3～8℃/min速度升温至1100～1350℃，保温2～5小时后随炉冷却至室温得到个性化磷酸钙仿生骨组织支架，支架包括中心通道层和以中心通道层为中心呈放射状排布的外围结构，所述外围结构包括依次层叠排布的板层片，所述板层片之间具有间隙，如图2所示。所得支架的理想结构图如3b所示，但图2中的实际结构图如3a所示，这是因为在实际过程中，温度场的作用下形成异向冰峰；虽然图3a并非完全放射状结构，但间隙之间依旧相互连通且与外界相通，解决了以往外部致密内部多孔结构中出现营养物质难以由外向内输送而导致成骨不完全的问题。

实施例1

1.配置体积分数为15％的bcp(ha：β-tcp为3:7)浆料：

称取15g纳米级bcp(粒径为1000nm)、35g纳米级β-tcp(粒径为5000nm)、0.5gmgo置入球磨罐中，在转速为30r/min下球磨24h，过筛得到50g双相磷酸钙粉末备用；将50g双相磷酸钙粉末置于球磨罐中，加入40％vt聚丙烯酸铵1ml、10％vt聚乙烯醇5ml、91ml去离子水以30r/min球磨24h充分混合，得到体积分数为15％的bcp浆料，其中双相磷酸钙粉体占浆料15％vt、分散剂占0.9％vt，粘接剂占4％vt。

2.浆料冷冻及干燥：

将球磨好的浆料注入个性化模具中，将冷源温度设置为-15℃，控制环境温度为1～4℃，冷冻2h，冷冻完全后将样品脱出外模，抽出冷源铜管，修整外形，置入冷冻干燥机中，在真空压力小于20pa条件下干燥24h后取出。

3.样品烧结

将干燥后的样品置于氧化铝烧结方舟中，盖以氧化铝粉末，放入管式电阻炉中，以1℃/min速度升温至550℃，保温3小时，将粘接剂烧除，随后以5℃/min速度升温至1250℃，保温3小时后随炉冷却至室温得到个性化磷酸钙仿生骨组织支架；所述个性化磷酸钙仿生骨组织支架的中间为贯通支架的大孔，外周由内向外呈放射状排列，放射状排布呈板层状梯度，板层状之间具有间隙，表现为多孔结构。

如图2所示，通过扫描电子显微镜观察，材料的间隙率为65～70％，间隙呈板层状，间隙的短径(板间)为50～75μm，间隙的长径与板层片的长度一致，压缩强度为1.37～3.15mp。

实施例2：

1.配置体积分数为20％的bcp(ha：β-tcp为2:8)浆料：

称取10g纳米级bcp(粒径为1000nm)、40g纳米级β-tcp(粒径为5000nm)、0.5gmgo置入球磨罐中，在转速为30r/min下球磨24h，过筛得到50g双相磷酸钙粉末备用；将50g双相磷酸钙粉末置于球磨罐中，加入61.3ml去离子水、40％vt聚丙烯酸铵1ml、10％vt聚乙烯醇2.5ml以30r/min球磨24h充分混合，得到体积分数为20％的bcp浆料，其中双相磷酸钙粉体占浆料30％vt、分散剂占1.2％vt，粘接剂占3％vt。

2.浆料冷冻及干燥

将球磨好的浆料注入个性化模具中，将冷源温度设置为-20℃，控制环境温度为1～4℃，冷冻2h，冷冻完全后将样品脱出外模，抽出冷源铜管，修整外形，置入冷冻干燥机中，在真空压力小于20pa条件下干燥24h后取出。

3.样品烧结

将干燥后的样品置于氧化铝烧结方舟中，盖以氧化铝粉末，放入管式电阻炉中，以1℃/min速度升温至500℃，保温3小时，将粘接剂烧除，随后以5℃/min速度升温至1250℃，保温3小时后随炉冷却至室温得到个性化磷酸钙仿生骨组织支架；所述个性化磷酸钙仿生骨组织支架的中间为贯通支架的大孔，外周由内向外呈放射状排列，放射状排布呈板层状梯度，板层状之间具有间隙，表现为多孔结构。

实施例3：

1.配置体积分数为25％的bcp(ha：β-tcp为4:6)浆料：

称取20g纳米级bcp(粒径为5000nm)、30g纳米级β-tcp(粒径为1000nm)、0.5gmgo置入球磨罐中，在转速为30r/min下球磨12h，过筛得到50g双相磷酸钙粉末备用；将50g双相磷酸钙粉末置于球磨罐中，加入48ml去离子水、40％vt聚丙烯酸铵0.8ml、10％vt聚乙烯醇3.5ml以30r/min球磨24h充分混合，得到质量分数为25％的bcp浆料，其中双相磷酸钙粉体占浆料25％vt、分散剂占1.2％vt，粘接剂占5.4％vt。

2.浆料冷冻及干燥

将球磨好的浆料注入个性化模具中，将冷源温度设置为-25℃，控制环境温度为1～4℃，冷冻2h，冷冻完全后将样品脱出外模，抽出冷源铜管，修整外形，置入冷冻干燥机中，在真空压力小于20pa条件下干燥12h后取出。

3.样品烧结

将干燥后的样品置于氧化铝烧结方舟中，盖以氧化铝粉末，放入管式电阻炉中，以1℃/min速度升温至650℃，保温1小时，将粘接剂烧除，随后以8℃/min速度升温至1100℃，保温5小时后随炉冷却至室温得到个性化磷酸钙仿生骨组织支架；所述个性化磷酸钙仿生骨组织支架的中间为贯通支架的大孔，外周由内向外呈放射状排列，放射状排布呈板层状梯度，板层状之间具有间隙，表现为多孔结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。