一种复合3D打印生物材料墨水及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物材料墨水技术领域，具体涉及一种复合3D打印生物材料墨水及其制备方法和应用。

背景技术

由于骨再生受损，修复由骨折、创伤和外科切除导致的临界尺寸骨缺损仍然具有挑战性。临界尺寸骨缺损是患者一生中都不会自主愈合的骨缺损。

在组织工程中，由于3D打印支架的可调微结构和机械性能，使3D打印技术制造的骨支架已被证明是治疗临界尺寸骨缺损的有效方法。理想的骨组织工程支架在制备成型后，能够获得与支架设计相符的结构和形状。因此，研究一种可打印的生物材料墨水是支架成功制备的前提条件。生物材料墨水目前被定义为含有生物活性成分或分子的可打印生物材料。一个合格的生物材料墨水，需要具有三个方面的要求，涉及可打印性、机械性能和降解行为、生物相容性这三个方面。可打印性指的是材料能够在时间上稳定挤出和空间维度上精准可控成型的性能，该性能直接关系到3D打印产品是否能取得期望的结构与尺寸精度。机械性能要求打印成型后的生物材料墨水力学性能够强，以支持打印支架的形貌结构，植入后营养物质的灌输和降解。生物相容性要求生物材料墨水无毒副作用，适合细胞黏附、生长以及增殖。

目前聚乙二醇400和普朗尼克F127在单独作为生物材料墨水使用时，需要二次交联，且强度无法达到硬骨组织的需求；例如普朗尼克F127在单独作为生物材料墨水使用时，只能用于软骨组织，强度无法达到硬骨组织的需求；进而提升效果将普朗尼克F127在与其他材料复合使用，复合使用时为了满足材料要求，通常普朗尼克F127作为牺牲材料使用，并且在打印后进行去除。聚乙二醇400与其他材料复合使用，复合使用时为了满足材料要求，通常聚乙二醇400作为提高材料延展性使用。

并且传统的人工骨在单独使用于3D打印制备支架之后，通常要经过高温烧结获得强度和孔隙，或者要通过预先溶解在有机溶剂中，才能够顺利进行打印，这样会影响打印过程中添加的生物活性分子或者药物的效用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合3D打印生物材料墨水及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种复合3D打印生物材料墨水，复合3D打印生物材料墨水按重量百分比计，12-18％聚乙二醇400、28-22％普朗尼克F127溶液，余量为自固化人工骨颗粒；其中，所述自固化人工骨颗粒为硅酸二钙、硅酸三钙和磷酸二氢钙一种或多种。

所述聚乙二醇400的分子量为400；所述普朗尼克F127分子量为12.6kDa。

所述普朗尼克F127溶液为普朗尼克F127的水溶液，质量分数为17-20％。

所述自固化人工骨颗粒要通过球磨机细化，并通过400目筛网过筛。

进一步的说，按上述比例，向自固化人工骨颗粒中按比例依次加入聚乙二醇400和普朗尼克F127溶液，充分混合后获得适用于3D打印生物材料的膏状物。

所述每次物质加入时将物料充分混合后再加入另一种物料。

一种所述的复合3D打印生物材料墨水的应用，所述复合3D打印生物材料墨水在3D打印中制备打印生物材料中的应用。

所述复合3D打印生物材料墨水在3D打印中所用打印针头的直径为0.41-0.6mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明中将聚乙二醇400添加到生物材料墨水中，其与普朗尼克F127在本发明中具有协同作用，和原始使用效果不同，在本发明中作用为分散剂和缓凝剂，分散自固化人工骨颗粒，以降低自固化人工骨的粘度，防止打印过程中出现的堵头现象，便于3D打印过程中生物材料墨水流畅地挤出，保证了生物材料墨水良好的可打印性能。

(2)本发明中将普朗尼克F127添加到生物材料墨水中，其与聚乙二醇400在本发明中具有协同作用，和原始使用效果不同，在本发明中作用为粘结剂，在3D打印过程中可以粘合未反应的自固化人工骨颗粒，使挤出的生物材料墨水具有足够的初始强度保持形状的完整性，保证了打印支架良好的机械性能和降解行为。

(3)本发明中将自固化人工骨添加到生物材料墨水中，避免了高温烧结过程中生物活性分子的失效，且其具有良好的生物相容性。

附图说明

图1为对比例3的打印效果图；

图2为实施例1，实施例2，实施例3和实施例4的打印效果图；

图3为实施例2和实施例5的打印效果图；

图4为实施例5不同孔径的打印头的打印效果图；

图5为实施例2，实施例5和对比例1中依靠本发明制造出的复合3D打印生物材料墨水的固化时间；

图6为实施例2和对比例1中依靠本发明制造出的复合3D打印生物材料墨水的抗压强度；

图7为实施例2和对比例1中依靠本发明制造出的复合3D打印生物材料墨水的孔隙率；

图8为实施例2和对比例1中依靠本发明制造出的复合3D打印生物材料墨水的结晶度；

图9为依靠本实施例2中制造出的复合3D打印生物材料墨水SEM图；

图10为依靠本实施例2中制造出的复合3D打印生物材料墨水体外降解变化；

图11为依靠本实施例2中制造出的复合3D打印生物材料墨水体外细胞相容性。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明生物材料墨水各物质搭配在一起具有协同作用效果，聚乙二醇400在该发明中作为一种分散剂和缓凝剂，延缓自固化人工骨的水化进程，分散水化过程中产生的大颗粒，防止打印过程中堵头现象的发生；普朗尼克F127作为粘合剂，将颗粒粘合在一起，防止打印过程中出现坍塌现象的发生，提供打印丝线最初的强度，使本发明的生物材料墨水在3D打印之初就可以维持与程序设计相符的三维结构。

实施例1

本实施例用于说明复合3D打印生物材料墨水及其制备方法

将17g的普朗尼克F127粉末加入到83g的去离子水中充分混合，置于4℃过夜，获得均匀的普朗尼克F127水溶液。将1.5g的硅酸二钙和1.5g的硅酸三钙充分混合，球磨细化，400目筛网过筛。复合3D打印生物材料墨水的制备，首先将硅酸二钙和硅酸三钙充分混合均匀后，加入聚乙二醇400，充分混合均匀，再加入普朗尼克F127水溶液，再次混合均匀。

上述体系中各物质百分比为，12％聚乙二醇400、28％普朗尼克F127水溶液，余量为硅酸二钙和硅酸三钙，其中，硅酸二钙和硅酸三钙质量比为1:1。

实施例2

本实施例用于说明复合3D打印生物材料墨水及其制备方法

将17g的普朗尼克F127粉末加入到83g的去离子水中充分混合，置于4℃过夜，获得均匀的普朗尼克F127水溶液。

自固化人工骨颗粒为将1.5g的硅酸二钙和1.5g的硅酸三钙充分混合，球磨细化，过400目筛网过筛。

复合3D打印生物材料墨水的制备，首先将硅酸二钙和硅酸三钙充分混合均匀后，加入聚乙二醇400，充分混合均匀，再加入普朗尼克F127水溶液，再次混合均匀，将混合物记为Cas/PF/PEG。

上述体系中各物质百分比为，14％聚乙二醇400、26％普朗尼克F127水溶液，余量为硅酸二钙和硅酸三钙，其中，硅酸二钙和硅酸三钙质量比为1:1。

实施例3

本实施例用于说明复合3D打印生物材料墨水及其制备方法

将17g的普朗尼克F127粉末加入到83g的去离子水中充分混合，置于4℃过夜，获得均匀的普朗尼克F127水溶液。将1.5g的硅酸二钙和1.5g的硅酸三钙充分混合，球磨细化，400目筛网过筛。复合3D打印生物材料墨水的制备，首先将硅酸二钙和硅酸三钙充分混合均匀后，加入聚乙二醇400，充分混合均匀，再加入普朗尼克F127水溶液，再次混合均匀。

上述体系中各物质百分比为，16％聚乙二醇400、24％普朗尼克F127水溶液，余量为硅酸二钙和硅酸三钙，其中，硅酸二钙和硅酸三钙质量比为1:1。

实施例4

本实施例用于说明复合3D打印生物材料墨水及其制备方法

将17g的普朗尼克F127粉末加入到83g的去离子水中充分混合，置于4℃过夜，获得均匀的普朗尼克F127水溶液。将1.5g的硅酸二钙和1.5g的硅酸三钙充分混合，球磨细化，400目筛网过筛。复合3D打印生物材料墨水的制备，首先将硅酸二钙和硅酸三钙充分混合均匀后，加入聚乙二醇400，充分混合均匀，再加入普朗尼克F127水溶液，再次混合均匀。

上述体系中各物质百分比为，18％聚乙二醇400、22％普朗尼克F127水溶液，余量为硅酸二钙和硅酸三钙，其中，硅酸二钙和硅酸三钙质量比为1:1。

实施例5

本实施例用于说明复合3D打印生物材料墨水及其制备方法

将20g的普朗尼克F127粉末加入到80g的去离子水中充分混合，置于4℃过夜，获得均匀的普朗尼克F127水溶液。

自固化人工骨颗粒为将1.3g的硅酸二钙，1.3g的硅酸三钙和0.4g的磷酸二氢钙充分混合，球磨细化，通过400目筛网过筛。复合3D打印生物材料墨水的制备，首先将硅酸二钙，硅酸三钙和磷酸二氢钙充分混合均匀，加入聚乙二醇400，充分混合均匀，再加入普朗尼克F127水溶液，再次混合均匀，将混合物记为Cps/PF/PEG。

上述体系中各物质百分比为，14％聚乙二醇400、26％普朗尼克F127水溶液，余量为硅酸二钙，硅酸三钙和磷酸二氢钙，其中，硅酸二钙，硅酸三钙和磷酸二氢钙的用量关系按照上述自固化人工骨颗粒制备过程的记载配置。

对比例1

将17g的普朗尼克F127粉末加入到83g的去离子水中充分混合，置于4℃过夜，获得均匀的普朗尼克F127水溶液。将1.5g的硅酸二钙和1.5g的硅酸三钙充分混合，球磨细化，400目筛网过筛。将1.3g的普朗尼克F127水溶液与上述记载硅酸二钙和硅酸三钙充分混合均匀，将混合物记为Cas/PF。

对比例2

将1.5g的硅酸二钙和1.5g的硅酸三钙充分混合，球磨细化，400目筛网过筛。将0.7g的PEG400加入与上述记载硅酸二钙和硅酸三钙充分混合均匀，将混合物记为Cas/PEG。

对比例3

将17g的普朗尼克F127粉末加入到83g的去离子水中充分混合，置于4℃过夜，获得均匀的普朗尼克F127水溶液。将1.5g的硅酸二钙和1.5g的硅酸三钙充分混合，球磨细化，400目筛网过筛。复合3D打印生物材料墨水的制备，首先将硅酸二钙和硅酸三钙充分混合均匀后，加入聚乙二醇600，充分混合均匀，再加入普朗尼克F127水溶液，再次混合均匀。

上述体系中各物质百分比为，18％聚乙二醇600、22％普朗尼克F127水溶液，余量为硅酸二钙和硅酸三钙，其中，硅酸二钙和硅酸三钙质量比为1:1。

对上述各实施例和对比例制备的材料进行效果检测：

效果例1

测试对比例1的复合生物材料的可打印性能。

将对比例1制备的复合生物材料载入打印料筒，打印支架，打印针头内径为0.41mm或0.60mm，结果发现，浆料不具备流动性，无法将其从打印针头中挤出。说明对比例1中单独将普朗尼克F127与自固化人工骨复合的复合生物材料，不具备可打印性能。

效果例2

测试对比例2的复合生物材料的可打印性能。

将对比例2制备的复合生物材料载入打印料筒，打印支架，打印针头内径为0.41mm或0.60mm，结果发现，浆料不具备流动性，无法将其从打印针头中挤出，且浆料在长达20天的时间无法固化，无法测试其他性能。说明对比例2中单独将聚乙二醇400与自固化人工骨复合的复合生物材料，不具备可打印性能。

效果例3

测试对比例3的复合生物材料的可打印性能。

将对比例3制备的复合生物材料载入打印料筒，打印支架，打印针头内径为0.41mm，结果如图1所示，打印出材料丝线出丝不均匀，同时孔隙不明显，无法打印完整的支架，结构不符合设计需要。说明对比例3中使用的复合生物材料，不具备可打印性能。

测试对实施例1、2、3和4的复合3D打印生物材料墨水的可打印性能。

将实施例1、2、3和4制备的复合3D打印生物材料墨水载入打印料筒，打印6mm×10mm×10mm的立方体，打印针头内径为0.41mm，结果如图2所示，表面孔隙清晰可见，说明本发明的实施例1、2、3和4的复合3D打印生物材料墨水具备可打印性能。

效果例4

测试实施例2和实施例5的复合3D打印生物材料墨水的可打印性能。

将实施例2和实施例5制备的复合3D打印生物材料墨水载入打印料筒，分别打印6mm×10mm×10mm的立方体和8mm×8mm的圆柱，打印针头内径为0.41mm，结果如图3所示，表面孔隙清晰可见。说明本发明的实施例2和实施例5的复合3D打印生物材料墨水具备可打印性能。

效果例5

测试实施例5不同孔径的打印头的打印效果图。

将实施例5制备的复合3D打印生物材料墨水载入打印料筒，打印6mm×10mm×10mm的立方体，打印针头内径为0.41-0.60mm，结果如图4所示，表面孔隙清晰可见。说明本发明的复合3D打印生物材料墨水可以应用于仿生大孔复合支架的构建。

效果例6

测试本发明制备的复合3D打印生物材料墨水的固化时间。

使用维卡装置，根据ASTM C187-98标准评估实施例2，实施例5和对比例1的固化时间，其结果如图5所示。将实施例2和实施例5所得复合3D打印生物材料墨水和对比例1分别置于直径为17mm,高为2mm的模具中，将其放置于温度37℃，100％湿度恒温恒湿孵育箱内。从图4中可以看出实施例2和实施例5制备的复合3D打印生物材料墨水表现出较长的固化时间，说明实施例2和实施例5制备的复合3D打印生物材料墨水具有较长的可打印时间。

效果例7

测试本发明制备的复合3D打印生物材料墨水的抗压强度和孔隙率。

使用通用试验机以1mm/min的加载速率评估实施例2和对比例1的抗压强度，其结果如图6所示。将实施例2所得复合3D打印生物材料墨水和对比例1分别置于直径为6mm，高为12mm的模具中，将其放置于温度37℃，100％湿度恒温恒湿孵育箱内7天，取出后37℃烘干4小时进行测量。从图6和图7中可以看出，与对比例1相比，实施例2制备的复合3D打印生物材料墨水表现出更高的抗压强度和更低的孔隙率，说明实施例2制备的复合3D打印生物材料墨水具有良好的支撑性能，可以在打印后维持良好的结构和形状。

效果例8

测试本发明制备的复合3D打印生物材料墨水的结晶度。

测试本发明制备的复合3D打印生物材料墨水水化产物的结晶度，其结果如图8所示。将实施例2所得复合3D打印生物材料墨水和对比例1分别置于直径为6mm，高为12mm的模具中，将其放置于温度37℃，100％湿度恒温恒湿孵育箱内7天，取出后37℃烘干4小时，充分研磨细化和分散，进行测量。从图8中可以看出，与对比例1相比实施例2制备的复合3D打印生物材料墨水XRD图谱中表现出未完全水化的硅酸三钙和更多的氢氧化钙，进一步从水化产物说明实施例4制备的复合3D打印生物材料墨水具有较长的可打印时间。

效果例9

本效果例研究了实施例2制备的复合3D打印生物材料墨水制备的打印支架的SEM图。

将实施例2所得复合3D打印生物材料墨水制备的6mm×10mm×10mm的立方体支架放置于温度37℃，100％湿度恒温恒湿孵育箱内7天，取出后37℃烘干4小时，进行测量。结果如图9所示，表面孔隙清晰可见，孔径大小为750μm～820μm。说明本发明的复合3D打印生物材料墨水可以应用于仿生大孔复合支架的构建。

效果例10

本效果例研究了实施例2制备的复合3D打印生物材料墨水制备的打印支架的体外降解变化。

将实施例2所得复合3D打印生物材料墨水制备的6mm×10mm×10mm的立方体支架放置于温度37℃，100％湿度恒温恒湿孵育箱内7天，取出后37℃烘干4小时，放在pH＝7.4的Tris-HCl缓冲液中，分别放置1、3、5、7、10、14、21和28天，记录pH和质量损失变化。结果如图10所示，pH随时间增加而增加，质量随时间增加而减少。说明本发明的复合3D打印生物材料墨水构建的大孔复合支架具有良好的体外降解速率和稳定的降解环境。

效果例11

本效果例研究了复合3D打印生物材料墨水的细胞相容性。

将实施例2所得复合3D打印生物材料墨水制备的6mm×10mm×10mm的立方体支架放置于温度37℃，100％湿度恒温恒湿孵育箱内7天，取出后37℃烘干4小时，放在DMEM中，浸泡3天，加入体积分数10％的胎牛血清和0.2％的双抗，配制成浸提液培养基。将成骨细胞与浸提液培养基分别共同培养1天和3天，将普通培养基培养的细胞作为标准参照。结果如图11所示，复合3D打印生物材料墨水配制的培养基更利于细胞的生长。说明本发明的复合3D打印生物材料墨水具有良好的体外细胞相容性。

最后所应当说明的是，以上实施例用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。