一种用于骨软骨原位再生的双相压电复合支架及其制备方法

本发明涉及组织工程中的3d生物打印领域，具体涉及一种用于骨软骨原位再生的双相压电复合支架及其制备方法。

背景技术：

1、关节软骨损伤是骨科较为常见的一种疾病，临床上关节镜手术检出率达到19.2％。并且随着高速、高能创伤的增加和人口老龄化的加剧，关节软骨损伤患者日益增多。同时，由于关节软骨内无血管和淋巴管、细胞密度低、自我修复能力弱，受到创伤或发生疾病后，往往进展为整个关节骨软骨缺损。若未给予好的干预治疗，骨软骨缺损可能加速整个关节退变，最终发展成为重度骨关节炎，严重影响患者健康和生活质量。临床治疗策略虽能在一定程度上能促进组织修复，但再生组织的质量和长期修复效果并不令人满意。

2、骨软骨支架为细胞的粘附、生长、增殖、新陈代谢形成新组织提供支持。关节软骨作为关节内承重组织，软骨至软骨下骨区域基质结构、细胞组成、力学性能存在明显不同。关节软骨组织工程面临的首要问题就是重建骨与软骨间的功能界面，尽管现有梯度支架采用天然或人工生物材料的复合模拟骨软骨区域构成，但支架长期植入后基质组织、生物力学功能、再生骨组织与宿主骨锚定能力等仍与天然组织存在差距。同时，体内骨、软骨组织再生需要复杂的力学环境和生理微环境，利用压电复合材料有望在细胞生长和组织再生过程中重建生理电微环境。骨软骨组织工程支架的性能不仅与生物材料的特性有关，还与支架结构设计技术和制备工艺密不可分。传统工艺难以模拟天然关节骨软骨组织复杂的多层微观结构。在计算机辅助设计的基础上，3d打印技术可以通过参数设置灵活调控生物材料的选择、沉积速度和成形形貌，与组织工程技术结合为骨软骨缺损治疗提供了一种有前景的方法。

3、尽管现有研究已经能够从一定程度上实现骨软骨异质组织再生，但在生理、形态和生化性能上与天然组织间仍存在差距。而本发明提出的3d打印压电复合材料支架构建组织工程骨软骨有望为解决负荷作用下的细胞生长和组织再生，推进3d打印骨软骨产品临床应用奠定理论和实验基础。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种用于骨软骨原位再生的双相压电复合支架及其制备方法，利用3d打印压电复合材料支架构建组织工程骨软骨，有望为解决负荷作用下的细胞生长和组织再生，为推进3d打印骨软骨产品临床应用提供了有力的依据。

2、为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：

3、一种用于骨软骨原位再生的双相压电复合支架，所述双相压电复合支架由pvdf/ti和pvdf/batio3/蛋白质水凝胶经过3d打印与物理交联方法制备而成，利用机械激励下的压电效应实现骨软骨组织原位再生。

4、上述一种双相压电复合支架的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤(1)、根据ct/mri获取的膝关节图像数据，导入mimics进行膝关节三维模型重建，根据软骨下骨不同区域力学负载的区别，选择tpms中不同种单元构建梯度多孔骨支架，利用s函数实现不同曲面单元的平滑过渡，并将得到的膝关节三维模型与梯度多孔骨支架通过布尔运算得到曲面梯度多孔支架模型；

6、步骤(2)、采用slm钛合金粉体，并制备pvdf/batio3聚合物基压电复合材料粉体，其中batio3占5％～10％；

7、步骤(3)、取质量比为9:1的ti和pvdf/batio3聚合物基球形压电复合材料粉体，球磨混合得到混合粉体，将曲面梯度多孔支架模型切片后导入到slm打印设备打印软件中，控制slm设备打印多孔结构工艺参数，以混合粉体为原材料打印pvdf/batio3/ti多孔支架，打印完成后通过热处理方法对多孔结构进行后处理；

8、步骤(4)、将步骤(3)后处理的pvdf/batio3/ti多孔支架浸没在蛋白质水凝胶溶液中，室温下静置5分钟，待溶液充满支架孔隙并包裹支架，再将自然固化的pvdf/batio3/ti-蛋白质水凝胶在苯酚溶液中充分浸泡，至蛋白质完全变性后，最后再浸泡于4-arm-peg溶液中，使4-arm-peg在水凝胶表面及内部形成二次交联，包裹住水凝胶内的变性蛋白质和支架及pvdf粉体，即得双相压电复合支架。

9、作为改进的是，步骤(1)中，所述膝关节三维模型是基于ct进行三维重建的，将三维数据转换为二维图像，具体的操作步骤如下：

10、首先，进行阈值分割，选择对应的阈值，分离背景和对象；

11、然后，对其进行阈值平滑，将图像前后5个连续帧的阈值进行平均，获得当前图像的阈值，使图像过渡平缓；利用边缘检测，平滑提取图像边缘；运用形态学计算，使边界图像轮廓清晰，并增加图像的连续性，用来填充区域之间凹陷的空白区域；

12、其次，利用滤波器对噪声进行滤波并提高信噪比，去除较大的噪声斑点；

13、最后，将模型保存成stl文件，再利用mimics软件获得准确特异的膝关节三维模型。

14、作为改进的是，步骤(1)中，所述tpms中不同种单元为primitive和gyroid两种单元，并利用s函数进行这两类曲面单元的平滑过渡，两种曲面单元的隐式表达函数及过渡函数可以分别表示为：

15、φp(x,y,z)＝cos(ax)+cos(by)+cos(cz)+d (1)

16、φg(x,y,z)＝cos(ax)sin(by)+cos(by)sin(cz)+cos(cz)sin(ax)+d (2)

17、

18、通过修改对应隐函数表达式参数，控制孔径大小和孔隙率；曲面梯度结构构建完成后，与骨软骨损伤模型进行布尔运算得到曲面梯度多孔支架模型。

19、作为改进的是，步骤(2)中，所述pvdf/batio3复合粉体材料是根据聚合物基球形slm成形需求，先通过固相剪切碾磨装置，将pvdf与5％～10％的batio3材料在25℃的室温下功能化复合和超细粉碎，得到功能性粉体后利用螺杆挤出机将粉体加热至熔融再冷却，经研磨、干燥、过滤后，得到pvdf/batio3聚合物基球形粉体材料。

20、作为改进的是，步骤(4)中，所述的蛋白质水凝胶溶液由300mg/ml的大分子bsa溶液与100mg/ml的4-arm-peg溶液等体积混匀而成，所述4-arm-peg溶液在室温下可发生交联，形成水凝胶骨架并锁住大分子蛋白质。

21、有益效果：

22、(1)本发明双相压电复合支架采用4-arm-peg/bsa蛋白质水凝胶，其强韧性为骨软骨支架的力学性能提供了可靠保障。

23、(2)以软骨组织再生过程中软骨下骨生物力学功能需求出发，构建了基于tpms的曲面梯度多孔支架，提供了关节软骨组织重建所需的力学支撑。

24、(3)以骨/软骨组织再生内源性微电环境特征出发，利用压力或关节负载作用下压电复合材料刺激蛋白吸附和细胞繁殖，促进了骨/软骨细胞和组织再生。

25、(4)以骨软骨代替物长期稳定与骨软骨再生自愈的需求出发，ti与蛋白质水凝胶相互协同构造的支架内部空间为细胞提供了生存环境，压电材料在人体自运动作用下为细胞繁殖再生建立了电微环境，实现了支架的长期稳定与组织的再生修复。

26、(5)本发明中蛋白质水凝胶溶液为功能性蛋白质时，可实现蛋白质水凝胶生物活性功能模块化，为支架的应用拓宽的领域，具有良好的市场前景。