一种3D打印无机骨水泥骨组织工程支架及其制备方法

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

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：

(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；

(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；

(3)固化后，先拆除外模具，采用热融法初步去除内模具；

(4)再采用水热法彻底清除残余内模具；

(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。

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。

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。

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。

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。

优选地，所述支架模具在熔融沉积3D打印机平台上构建。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本发明所获得的有益效果：

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。

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[Ca

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。

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。

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。

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。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能更清楚了解本申请的技术手段，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。

附图说明

图1无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架与内模具的Micro CT图片

图2无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架的Micro CT图片(a.立体图；b.X-Y切面；c.Y-Z切面；d.Z-X切面)

图3无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架实物图(a.立体图；b.顶面；c.侧面)

图4无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)骨组织工程支架实物图(a.立体图；b.顶面；c.侧面)

图5处理过程中无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)骨组织工程支架内部的SEM照片(a.80℃固化5.0小时、b.180℃保温2.0小时、c.180℃水热4.0小时)

图6圆柱形无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)骨组织工程支架实物图(a.立体图；b.顶面；c.侧面)

图7异形结构无机骨水泥骨组织工程支架实物图(a.实物图1；b.实物图1；c.实物图1顶面；d.实物图1顶面)

图8无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程植入骨组织3周(a)和6周(b)后的形态学照片

具体实施方案

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

以聚乳酸(PLA)丝材(Φ1.75mm)为耗料，采用熔融沉积3D打印机(如创想三维Ender-5s)打印无机骨水泥骨组织工程支架的内模具和外模具，其中外模具尺寸为20×20×30mm，内模具间隙为1.5×1.5×1.5mm，丝宽为1.0mm。选用磷酸三钙和磷酸四钙为无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)粉体，以水为无机骨水泥固化液，按液/固比为0.40ml/g将粉体和水拌合，并注入3D打印模具中。80℃固化1.0小时后，置入180℃炉子中，保温1.0小时。再置入水热反应釜中，140℃保温2.0小时，取出后60℃干燥2.0小时，得到3D打印无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架。

过程中，对无机骨水泥注入3D打印模具固化后进行了Micro CT扫描分析，结果如图1所示，可见无机骨水泥(白色)的流动性能保障其有效的填充到内模具的间隙(1.5×1.5×1.5mm)中，内模具即为无机骨水泥骨组织工程支架的孔道结构，孔道宽度为内模具的丝宽(1.0mm)。

由于骨水泥和内模具紧密贴合(图1)，如果实施中直接采用溶剂(如丙酮)溶解去除内模具，内模具高分子吸收溶剂后会迅速膨胀，导致结构破坏。

如果实施中直接高温煅烧法去除内模具，内模具高分子不完全燃烧易造成结碳，支架尺寸也会显著收缩等，还将产生内应力。

如果直接采用水热法去除内模具，内模具高分子也会因迅速热分解，体积膨胀，破坏结构，导致结构瓦解。因此，本发明创新采用了更加有效的两步法(热融法和水热法)分阶段去除内模具(热塑性高分子)。

实施例2：

以聚乙烯(PE)丝材(Φ1.75mm)为耗料，采用熔融沉积3D打印机(如极光尔沃A6)打印无机骨水泥骨组织工程支架的内模具和外模具，其中外模具尺寸为5×15×20mm，内模具间隙为1.5×1.5×1.5mm，丝宽为1.0mm。选用磷酸三钙、磷酸四钙为无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)粉体，以水为无机骨水泥固化液，按液/固比为0.35ml/g将粉体和水拌合，并注入3D打印模具中。80℃固化2.0小时后，置入180℃炉子中，保温2.0小时。再置入水热反应釜中，140℃保温6.0小时，取出后60℃干燥2.0小时，得到3D打印无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架。期间，80℃固化2.0小时后，置入180℃炉子中，保温2.0小时，即热熔法处理，热塑性高分子从骨水泥支架中自然流出，但支架内依然残留部分热塑性高分子。再置入水热反应釜中，140℃保温6.0小时，即水热法处理，残余的热塑性高分子(聚乙烯，PE)在高温高压的作用下分别为水和二氧化碳，完全被去除。

过程中，对无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架进行了Micro CT扫描分析，结果如图2所示，图2a为3D立体图，图2b、c和d为三个方向的截面图。热塑性高分子去除整个过程无毒无残留，可以完全被去除，无机骨水泥骨组织工程支架保持孔道宽度为内模具的丝宽(1.0mm)，无机骨水泥骨组织工程支架的构造柱和孔道结构分别为模具的孔道和结构。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[Ca

由于骨水泥和内模具紧密贴合(如图1所示)，期间如果80℃固化2.0小时后，置入水热反应釜中，140℃保温6.0小时，即先用水热法处理。由于热塑性高分子高温高压下分解为水和二氧化碳，而体系中骨水泥和内模具紧密贴合，没有空间，将膨胀破坏支架的结构，得不到完整的支架。表明本方法中的步骤需严格规范操作，本发明创新的两步法(热融法和水热法)分阶段去除内模具(热塑性高分子)更加有效。

实施例3：

以聚乙烯(PE)丝材(Φ1.75mm)为耗料，采用熔融沉积3D打印机打印无机骨水泥骨组织工程支架的内模具和外模具，其中外模具尺寸为12×14×22mm，内模具间隙为1.5×1.5×1.5mm，丝宽为1.0mm选用磷酸三钙、磷酸四钙为无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)粉体，以水为无机骨水泥固化液，按液/固比为0.40ml/g将粉体和水拌合，并注入3D打印模具中。60℃固化3.0小时后，置入190℃炉子中，保温1.0小时。再置入水热反应釜中，180℃保温4.0小时，取出后60℃干燥2.0小时，得到3D打印无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架。

其实物照片如图3所示，无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架结构完整，内部结构清晰，结构尺寸稳定。图3c中还可以看到热塑性高分子3D打印过程中的层状结构。结合实施例1和2，表明无机骨水泥骨组织工程支架的外形尺寸可控。直接3D打印骨水泥支架层与层间的水泥固化有先后，导致层与层存再明显界面，层间粘结较弱，断裂往往发生在层与层之间。本方法构架的无机骨水泥骨组织工程支架为一体化成型，无层间界面，结构的力学稳定性强。

实施例4：

以聚乳酸(PLA)丝材(Φ1.75mm)为耗料，采用熔融沉积3D打印机打印无机骨水泥骨组织工程支架的内模具和外模具，其中外模具尺寸为12×20×27mm，内模具间隙为1.8×1.8×1.8mm，丝宽为0.7mm选用硅酸三钙为无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)粉体，以水为无机骨水泥固化液，按液/固比为0.30ml/g将粉体和水拌合，并注入3D打印模具中。80℃固化5.0小时后，置入190℃炉子中，保温1.0小时。再置入水热反应釜中，200℃保温4.0小时，取出后60℃干燥2.0小时，得到3D打印无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)骨组织工程支架。

其实物照片如图4所示，无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)骨组织工程支架结构完整，内部结构清晰，结构尺寸稳定，由截面为1.8×1.8mm的骨水泥构造柱构造而成，内部孔道宽度为内模具的丝宽，缩小至0.7mm。图4c中还可以看到热塑性高分子3D打印过程中的层状结构。

结合实施例1、2和3，表明无机骨水泥骨组织工程支架的外形尺寸和内部孔道均可控，该方法还适用于多种类型无机骨水泥，如磷酸钙骨水泥和硅酸钙骨水泥。

实施例5：

以聚乳酸(PLA)丝材(Φ1.75mm)为耗料，采用熔融沉积3D打印机打印无机骨水泥骨组织工程支架的内模具和外模具，其中外模具尺寸为30×30×40mm，内模具间隙为1.8×1.8×1.8mm，丝宽为0.7mm选用硅酸三钙为无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)粉体，以水为无机骨水泥固化液，按液/固比为0.40ml/g将粉体和水拌合，并注入3D打印模具中。80℃固化5.0小时后，置入180℃炉子中，保温2.0小时。再置入水热反应釜中，180℃保温4.0小时，取出后60℃干燥2.0小时，得到3D打印无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)骨组织工程支架。

过程中对80℃固化5.0小时、180℃保温2.0小时、180℃水热4.0小时后的无机骨水泥骨组织工程支架的显微结构进行观察，结果如图5所示。从图中可以看出，无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)粉体颗粒通过水化后形成的硅酸钙凝胶纤维粘结(图5a)，是其形成强度的根本原因。虽然无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)骨组织工程支架经过80℃固化5.0小时(图5a)、180℃保温2.0小时(图5b)、180℃水热4.0小时(图5c)等多重处理，尤其是加热180℃保温2.0小时初步去除内模具(热塑性高分子)，由于温度适中、时间短，并未造成无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)骨组织工程支架内部水化产物(氢氧化钙和水化硅酸钙凝胶)的彻底脱水和结构变化。无机骨水泥骨组织工程支架经历多个不同温度处理后，其内部的显微组成和结构并没有发生显著变化。因此，此方法制备无机骨水泥骨组织工程支架除尺寸和宏观结构具有稳定性外，其内部的显微结构也具有较强的稳定性。

实施例6：

以聚乳酸(PLA)丝材(Φ1.75mm)为耗料，采用熔融沉积3D打印机打印无机骨水泥骨组织工程支架的内模具和外模具，其中外模具尺寸为Φ28×30mm，内模具间隙为1.5×1.5×1.5mm，丝宽为1.0mm选用硅酸二钙为无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)粉体，以水为无机骨水泥固化液，按液/固比为0.35ml/g将粉体和水拌合，并注入3D打印模具中。80℃固化5.0小时后，置入180℃炉子中，保温1.0小时。再置入水热反应釜中，170℃保温4.0小时，取出后60℃干燥2.0小时，得到3D打印无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)骨组织工程支架(图6a)，该支架为圆柱体，从顶面(图6b)和侧面(图6c)能清晰的看出其结构，无机骨水泥骨组织工程支架的构造柱截面尺寸为1.5×1.5mm，间隙为1.0mm，圆柱侧面的孔道结构从中轴线(CL)向边缘结构完整，不存在堵塞等现象。结合上述实施例，表明该方法可以构造不同尺寸、外形、内部孔道结构的无机骨水泥骨组织工程支架。

实施例7：

以聚乙烯醇(PVA)丝材(Φ1.75mm)为耗料，采用熔融沉积3D打印机打印无机骨水泥骨组织工程支架的内模具和外模具，其一外模具尺寸为18×28×20mm，内模具间隙为1.5×1.5×1.5mm，丝宽为2.0mm；其二外模具尺寸为20×34×18mm，内为Φ7.2mm圆柱，内为边长为2.0mm六边形。选用硅酸三钙为无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)粉体，以水为无机骨水泥固化液，按液/固比为0.30ml/g将粉体和水拌合，并注入3D打印模具中。80℃固化4.0小时后，置入190℃炉子中，保温1.0小时。再置入水热反应釜中，180℃保温4.0小时，取出后60℃干燥2.0小时，得到2种3D打印无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)骨组织工程支架(图7a和b)，支架的上表面结构如图7c和d所示，表明该方法可以根据需求构造不结构更加复杂的无机骨水泥骨组织工程支架。

实施例8：

以聚乳酸(PLA)丝材(Φ1.75mm)为耗料，采用熔融沉积3D打印机打印无机骨水泥骨组织工程支架的内模具和外模具，外模具均为20×20×20mm。选用硅酸三钙为无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)粉体，以水为无机骨水泥固化液，按液/固比为0.25ml/g将粉体和水拌合，并注入3D打印模具中。80℃固化4.0小时后，置入190℃炉子中，保温1.0小时。再置入水热反应釜中，180℃保温4.0小时，取出后60℃干燥2.0小时，得到3D打印无机骨水泥(硅酸钙骨水泥)骨组织工程支架(如表1所示)，每组6个试样，采用力学试验机测试其抗压强度，结果表明支架空隙率为50％的支架的强度为26±3MPa，能满足骨科临床应用中的支撑作用，支架具有较好的力学性能。表1还表明支架的强度、空隙率等可以通过设计支架结构来调整，以期达到应用需求。

表1不同尺寸支架的抗压强度和空隙率表

实施例9：

以聚乙烯醇(PVA)丝材(Φ1.75mm)为耗料，采用熔融沉积3D打印机打印无机骨水泥骨组织工程支架的内模具和外模具，外模具尺寸为Φ24mm×30mm，内模具间隙为1.5×1.5×1.5mm，丝宽为0.5mm。选用磷酸三钙、无定型磷酸钙为无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)粉体，以水为无机骨水泥固化液，按液/固比为0.50ml/g将粉体和水拌合，并注入3D打印模具中。80℃固化5.0小时后，置入180℃炉子中，保温3.0小时。再置入水热反应釜中，200℃保温4.0小时，取出后60℃干燥2.0小时，得到3D打印无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架，并置入实验动物骨组织了，其组织学形态照片如图8所示。植入3周后(图8a)，无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架外和孔道内均被骨组织(白色箭头)填充，随着无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架的降解，孔道变大，为细胞及组织长入腾出空间。植入6周后(图8b)，发现无机骨水泥(磷酸钙骨水泥)骨组织工程支架的进一步降解，孔道更大，成骨量显著增加，表明无机骨水泥骨组织工程支架具有优异的成骨性能。