一种3D打印掺锶羟基磷灰石复合支架及其制备方法与流程

本发明属于生物材料及组织工程，涉及一种3d打印人工骨修复支架及其制备方法。

背景技术：

1、由于肿瘤、外伤、感染等问题引起的骨缺损仍然是临床诊疗中的一个挑战，目前自体骨移植是骨修复的金标准，但由于天然骨来源有限，阻碍了其广泛应用。因此，骨组织工程(bone tissue engineering，bte)的发展有望通过提供人工制备的骨修复支架维持缺损空间、促进新骨生成而达到修复骨缺损的效果。由于磷酸钙与天然骨具有相同的钙、磷元素，近年来，磷酸钙生物陶瓷支架凭借良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性，在骨再生中得到了广泛的应用。然而，力学强度和生物活性的不足仍制约着磷酸钙陶瓷支架达到最佳的临床修复效果。研究表明，支架的结构特征对其力学性能起着至关重要的作用，而在支架中添加活性成分可以提高其生物学性能。因此，通过改进磷酸钙支架的三维结构并引入功能成分有望提高其机械强度和成骨性能，缩短骨缺损愈合时间。

2、近年来，三周期最小表面(triply periodic minimal surface，tpms)结构因其具有良好的力学和生物学性能而受到越来越多的关注。tpms是一种仿生的双曲面结构，与哺乳动物骨小梁的结构非常类似。tpms结构表面平均曲率为零，因此应力分布均匀，避免了应力屏蔽造成的损伤。gyroid型tpms结构因其孔径可控、孔道连通、比表面积大、力学支撑性好等特点，成为生物医学中最常用的结构。另外，tpms结构可以促进细胞的增殖和附着，并极大地促进骨再生和新生血管的形成，研究表明零曲率表面诱导了细胞核的变形和细胞骨架的重组，进而激活了与新骨形成相关的蛋白激酶(mapk)信号通路。因此，设计tpms结构的支架有助于提高压缩强度，并进一步提高成骨能力。

3、此外，在磷酸钙陶瓷中加入金属离子、蛋白质、细胞外基质等功能性成分也可以提高其在骨修复中的生物活性。近年来，许多可生物降解的金属离子，包括镁、锌、锶等，在骨形成和新生血管中展示出良好的效果。锶是维持骨生理功能所必需的微量元素，还具有促进成骨分化和抑制破骨细胞吸收的双重作用，是一种极具潜力的生物活性添加元素。有研究表明，掺锶氮化碳纳米片通过fak/rhoa信号通路调节细胞内张力，可以促进大鼠颅骨缺损的骨修复。此外，骨组织作为一种富含血管的组织，锶不仅具有促进成骨的优势，还能促进血管生成，从而对骨再生起到辅助的作用。因此，具有较强血管化骨再生能力的锶有望成为磷酸钙陶瓷支架的最佳生物活性添加剂。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架及其制备方法，兼具良好机械强度和可降解性，并且能促进骨组织再生，缩短骨缺损愈合时间。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架的制备方法，步骤如下：

4、步骤1.制备打印浆料：称取一定量磷酸钙、碳酸锶、二苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(tpo)和炭黑固相粉末，与kos163分散剂、1，6-己二醇二丙烯酸酯(hdda)和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(tmpta)液相成分混合均匀，得到掺锶磷酸钙的打印浆料；

5、步骤2.3d打印：在电脑软件中预先设计好具有tpms结构的支架的三维模型，并导入打印设备，倒入步骤1中的混合浆料，采用数字光处理(dlp)3d打印技术进行打印，获得支架粗产品；

6、步骤3：脱脂和烧结：将步骤2中的支架粗产品清洗、干燥，在马弗炉中逐级升温烧结，最终得到具有tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架。

7、所述步骤1中，所述磷酸钙粉末选自羟基磷灰石、b-磷酸三钙中的一种或两种的混合，其ca/p的摩尔比为1.50～1.67；

8、所述步骤1中，所述固相粉末和液相成分的体积之比为：固相粉末：液相成分＝0.25-0.5：1；

9、所述步骤1中，各原料用量为：碳酸锶粉末为1质量份，磷酸钙粉末为10-25质量份，tpo粉末为0.1～0.4质量份，炭黑粉末为0.03-0.1质量份，tmpta液体为1～2体积份，hdda液体为3-6体积份，kos163液体为0.1-0.4体积份；

10、所述步骤2中，tpms结构为gyroid型，孔径300-600μm，孔隙率为60～80％；

11、所述步骤2中，设定dlp 3d打印参数为：层厚40～60μm，紫外光强度8500～9500μw/cm2，首层固化时间10～15s，剩余层固化时间5～8s；

12、所述步骤3中，升温烧结过程为：以1～2℃/min的速度升温至550℃，保温80～120min，之后以2-4℃/min的速度升温至1250℃，保温80～120min，逐渐降温至室温；

13、一种根据所述制备方法得到的一种tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架，具有gyroid型tpms结构，孔隙率60～80％，锶元素掺入量为2～10mol％。

14、本发明的有益效果是：

15、掺入锶的磷酸钙生物陶瓷支架具有良好的生物相容性，并且可以促进支架内部血管长入、新骨形成，缩短骨缺损愈合时间。

16、本支架具备tpms结构，显著提高压缩强度，避免支架塌陷等问题，可以为骨缺损修复提供足够的空间。

17、本支架具备生物降解性，不需要二次手术取出，大大减少了患者痛苦。

18、本支架采用基于数字光处理的3d打印技术制备，可以根据临床患者缺损区域进行个性化定制，打印速度快，结构精度高，有望实现快速床旁诊疗。

19、本发明的具备tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架在修复骨缺损中具有良好的应用价值和发展前景。

技术特征：

1.一种tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利1所述的一种tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述磷酸钙粉末选自羟基磷灰石、β-磷酸三钙中的一种或两种的混合，其ca/p的摩尔比为1.50~1.67。

3.根据权利1所述的一种tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述固相粉末和液相成分的体积之比为：固相粉末：液相成分=0.25~0.5:1。

4.根据权利1所述的一种tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，各原料用量为：碳酸锶粉末为1质量份，磷酸钙粉末为10~25质量份，tpo粉末为0.1~0.4质量份，炭黑粉末为0.03~0.1质量份，tmpta液体为1~2体积份，hdda液体为3~6体积份，kos163液体为0.1~0.4体积份。

5.根据权利1所述的一种tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，tpms结构为gyroid型，孔径300~600 μm，孔隙率为60~80%。

6.根据权利1所述的一种tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，设定dlp 3d打印参数为：层厚40~60 μm，紫外光强度8500~9500 μw/cm2，首层固化时间10~15 s，剩余层固化时间5~8 s。

7.根据权利1所述的一种tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，升温烧结过程为：以1~2 ℃/min的速度升温至550 ℃，保温80~120 min，之后以2-4 ℃/min的速度升温至1250 ℃，保温80~120 min，逐渐降温至室温。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的制备方法得到的一种tpms结构的掺锶磷酸钙骨修复支架，其特征在于具有gyroid型tpms结构，孔隙率60~80%，锶元素掺入量为2~10 mol%。

技术总结
本发明公开了一种TPMS结构的掺锶磷酸钙骨修复支架及其制备方法。本发明以磷酸钙和碳酸锶为主要固相粉末，以1,6‑己二醇二丙烯酸酯（HDDA）和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）为主要液相成分，均匀混合后获得打印浆料，采用数字光处理（DLP）3D打印技术制备具有极小曲面结构（TPMS）的生物陶瓷骨修复支架。TPMS结构具有沿三个独立方向的光滑连续表面，可以避免局部应力集中，提高支架力学强度；同时锶具有促进成骨、抑制破骨的双重作用，因此掺入锶元素可以提高成骨细胞增殖、分化的能力。本发明制备的掺锶磷酸钙骨修复支架具有TPMS结构，力学强度满足松质骨负重要求，具有良好的生物相容性和促进骨再生的能力，是一种极具潜力的骨组织修复支架。

技术研发人员：单验博
受保护的技术使用者：单验博
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15