一种3D打印无机骨水泥骨组织工程支架及其制备方法

本发明涉及3d打印骨修复材料领域，具体地说涉及一种3d打印辅助构建骨水泥骨组织工程支架。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、3d打印已广泛应用于骨科领域，如打印骨科术前病变模型、个性化假体和植入物、外固定支具、组织工程支架等，可满足特殊疾病和患者的需求，降低骨修复的治疗成本，提升治疗成功率。无机骨水泥(如磷酸钙骨水泥、硅酸钙骨水泥)由于具备良好的自固化性、可任意塑形、生物相容性以及骨诱导性(或骨激发性)，在临床上得到了广泛的应用。因无机骨水泥浆体具有流变性，可从3d打印喷嘴挤出，以堆积方式叠加，固化后形成立体构件，可实现3d打印。但无机骨水泥浆体是一种非牛顿流体，属于塑型流体，当流动的剪切力处于较小的范围变动时，流体材料一般不会发生流动，只有达到一定值时才会发生流动。因此，无机骨水泥的直接3d打印，即打印结构等于最终模型，需要研发便于无机骨水泥打印的装置和设备。例如，为防止无机骨水泥浆体在3d打印中出现相分离、堵塞等问题，发明了压电碰头(授权公告号：cn112720779b)等。此外，无机骨水泥浆体的直接3d打印还存在打印精度较低、层与层间粘结性较差，打印的骨组织工程支架存在孔结构造型可控程度低，孔径范围调节小等缺点。

3、针对无机骨水泥直接3d打印构建骨组织工程支架存在的问题，可采用3d打印辅助构建骨组织工程支架。中国专利cn 108478879 a公布了一种多孔磷酸钙/天然高分子复合支架及其制备方法与应用，其采用大量有机溶剂(如二氯甲烷)溶解去除3d打印辅助构建的模具，得到多孔磷酸钙/天然高分子复合支架。但有机溶剂溶解过程中极易造成溶胀，破坏复合支架结构，造成结构破损；有机溶剂还会溶解天然高分子，破坏支架结构；有机溶剂有毒，残留将导致骨组织工程支架生物相容性差，无法满足临床需求。中国专利cn113233887a公布了一种可控多孔磷酸钙支架及其制备方法，其采用高温烧结去除辅助有机支架，得到的磷酸钙陶瓷支架。但煅烧造成不可控的收缩，外形和内尺寸稳定性极差，很难满足个性化需求；煅烧中有机支架的不完全燃烧造成结碳等问题，植入体内后不易降解。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种3d打印无机骨水泥骨组织工程支架及其制备方法，该方法适合于磷酸钙、硅酸钙、磷酸镁等多种骨水泥，设备简单，操作方便，成本低，不使用任何有机溶解。构建的无机骨水泥骨组织工程支架的内部孔道结构和外形可以实现个性化构建，设计即所得，内部孔道结构贯通，结构强度高，有利于细胞和组织生长。克服现有技术中无机骨水泥浆料直接3d打印成型出现滤压、相分离、堵塞等问题，避免了为提高无机骨水泥浆体3d打印性能增加打印辅助装置。本方法制备过程工艺简单，可靠性强，制备效率高。可实现孔道结构和外形的精确调控，满足个性化需求，提高了无机骨水泥骨组织工程支架的力学性能、精度，降低了无机骨水泥骨组织工程支架构建成本。本发明的无机骨水泥骨组织工程支架的制备材料简单、无细胞毒性。克服了直接3d打印无机骨水泥因层层叠加打印产生的不利问题，并且具有可控的外形和内部多孔结构。本发明通过两步热处理的方式彻底清除热塑性高分子，避免热塑性高分子溶解膨胀、直接分解膨胀等导致支架结构破坏问题，也避免的高温煅烧结碳问题。本发明构建的骨组织工程支架经过水热的高温和高压处理，对骨组织工程支架进行了灭菌处理，可直接用于临床或保存，使用方便。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种3d打印无机骨水泥骨组织工程支架的制备方法，包括如下步骤：

3、(1)在熔融沉积3d打印机平台上，以热塑性高分子材料为原料，打印无机骨水泥骨组织工程支架的内模具、外模具；

4、(2)将调和液与无机骨水泥粉体拌合，形成均一的无机骨水泥浆体，并注入到骨组织工程支架模具中固化；

5、(3)固化后，先拆除外模具，采用热融法初步去除内模具；

6、(4)再采用水热法彻底清除残余内模具；

7、(5)取出后，清洗、干燥，得到3d打印无机骨水泥骨组织工程支架。

8、一种3d打印无机骨水泥骨组织工程支架及其制备方法，首先根据需求，设计无机骨水泥骨组织工程支架的内模具和外模具；在熔融沉积3d打印机平台上，以热塑性高分子材料为原料，打印无机骨水泥骨组织工程支架的内模具、外模具；将调和液与无机骨水泥粉体按液/固比为0.25～0.60ml/g拌合后，形成均一的无机骨水泥浆体，将无机骨水泥浆体注入到骨组织工程支架模具中，40～80℃下快速固化；固化1.0～6.0小时后，先拆除外模具，再置入150～200℃炉子中，保温0.5～4.0小时，初步去除内模具；将初步去除内模具的无机骨水泥骨组织工程支架置入水热反应釜中，140～220℃下，反应1.0～8.0小时，彻底清除内模具。取出后，清洗，40～80℃下，干燥1.0～4.0小时，得到3d打印无机骨水泥骨组织工程支架，支架内间隙大于0.2mm，无机水泥骨组织工程支架内柱体宽度不低于0.5mm。

9、进一步地，热塑性高分子材料为聚乳酸(pla)、聚乙烯(pe)、聚乙烯醇(pva)等中的一种或任意组合。

10、进一步地，无机骨水泥类型分为磷酸钙骨水泥、硅酸钙骨水泥、磷酸镁骨水泥中的一种或任意组合；无机骨水泥组成分为粉体和固化液；无机骨水泥粉体为磷酸三钙、磷酸四钙、无定型磷酸钙、磷酸三镁、磷酸氢镁、氧化镁、硅酸三钙、硅酸二钙、碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体中的一种或任意组合；调和液为水、氯化钠水溶液、氯化钙水溶液、氯化镁水溶液中的一种或任意组合；液/固比为0.25～0.60ml/g。

11、进一步地，无机骨水泥骨组织工程支架模具分为内模具和外模具，内模具为无机骨水泥骨组织工程支架的内部孔道结构，外模具为无机骨水泥骨组织工程支架外表模型，并设有骨水泥浆体的注入口。

12、优选地，所述支架模具在熔融沉积3d打印机平台上构建。

13、优选地，所述的热塑性高分子材料还具有低熔点、生物相容性较好的性能。

14、优选地，所述的无机骨水泥为磷酸钙骨水泥或硅酸钙骨水泥，调和液为水。

15、进一步地，初步去除内模具为置入150～200℃炉子中，保温0.5～4.0小时。

16、进一步地，彻底清除内模具置入水热反应釜中，140～220℃下，保持1.0～8.0小时。

17、优选地，分两步法去除热塑性高分子，先加热初步去除内模具，再置入水热法彻底清除内模具。

18、采用上述的技术方案，所述3d打印无机骨水泥骨组织工程支架内间隙大于0.2mm，无机骨水泥骨组织工程支架内柱体宽度不低于0.5mm。

19、本发明所获得的有益效果：

20、1.本发明是将无机骨水泥浆体注入到3d打印成型的热塑性高分子模具中成型，并通过两步热处理的方式彻底清除热塑性高分子，最终得到无机骨水泥骨组织工程支架，可以有效的控制支架的孔结构，如孔尺寸、孔形状、孔的连通性等，克服了无机骨水泥直接打印成支架的难点和缺点，设备投入少，制备流程简单，易操作，可靠性强。通过调控内模具的结构参数，可以对无机骨水泥骨组织工程支架的孔道结构进行个性化定制。

21、2.本发明通过两步热处理的方式彻底清除热塑性高分子，避免热塑性高分子溶解膨胀、直接分解膨胀等导致支架结构破坏问题，也避免的高温煅烧结碳问题。与高温煅烧法去除模具得到磷酸钙陶瓷支架相比，本方法构建的支架无收缩行为，外形和内尺寸稳定，设计即所得。此外，采用磷酸钙骨水泥制备的支架最终的产物为羟基磷灰石[ca10(po4)6(oh)2]，与骨的主要无机成分相同，生物相容性更优异。

22、3.本发明的方法操作简单，速度快，可制备出不同类型、不同组成无机骨水泥骨组织工程支架，如磷酸钙骨水泥、硅酸钙骨水泥、磷酸镁骨水泥，还可以磷酸钙、硅酸钙、磷酸钙等多种粉体复合的无机骨水泥。

23、4.本发明构建的支架具有多种可控孔道结构，有利于植入体内后支架与骨组织之间的物质交换、血管和骨组织的长入。

24、5.本发明构建的骨组织工程支架结构力学性能稳定，并可以设计不同的力学结构。

25、6.本发明构建的骨组织工程支架经过水热的高温和高压处理，对骨组织工程支架进行了灭菌处理，可直接用于临床或保存，使用方便。

26、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，以下以最佳实施例并配合附图进行详细说明。