增材制造医用陶瓷浆料及其制成的医疗用品

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造医用陶瓷浆料和采用增材制造 医用陶瓷浆料制成的医疗用品，特别是医疗用骨支架。

背景技术

利用生物陶瓷进行骨修复是当前的一个研究热点。生物陶瓷具有良好的离子释放性能 和刺激骨细胞增殖的特点，能够避免金属植入物、自体骨移植带来的松动、额外损伤等问 题。骨水泥植入物的制备主要取决于医生的临床经验，并且植入物模型通过手动捏合制造。 植入物具有差的模制精度和低的制造效率，并且可能需要在需要高形状精度的区域进行二 次调整，二次调整可能导致手术时间延长甚至二次创伤。

所以采用挤出式增材制造技术能够保护材料理化性质且无机械撞击或有毒化学物质， 能够最大程度保护打印材料的生物相容性的优点，但是现有的人造骨材料增材制备的过程 中，由于陶瓷浆液的稳定性不佳，易产生团聚现象，导致增材制备的材料的结构性能不佳， 均匀度较差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明提供一种增材制造医用陶瓷浆料，该增材制造医用陶瓷浆料的结构 均匀，力学性能优异。

本发明还提供一种医疗用品，例如骨支架，该骨支架相容性高，精确度高，具有优异 的力学性能和生物学。

根据本发明第一方面实施例的增材制造医用陶瓷浆料，由包括以下重量份的物质组 成：35～40份硅胶、45～60份改性羟基磷灰石、6～8份羟丙基甲基纤维素和55～60份去离子水；所述改性羟基磷灰石为经氨基酸改性的多孔羟基磷灰石颗粒。

根据本发明实施例的增材制造医用陶瓷浆料，通过多孔结构的羟基磷灰石颗粒为原 料，一方面，多孔结构的羟基磷灰石颗粒可以在降解过程中均匀且稳定地沉积，有利于骨 细胞的吸附、增殖、分化，另一方面，均匀的多孔结构的骨材料复合实际使用的骨材料的结构性能，多孔结构优化了人造骨的力学性能，同时本申请采用氨基酸进行改性处理，由于氨基酸是人体所需的材料，具有pH响应性，在等电点上下分别带不同的电荷，同时其 在一定条件下可以作为某些蛋白和酶的特异性吸附剂，有利于满足人造骨在现实环境的需求，通过包覆氨基酸对羟基磷灰石进行改性，改善其表面性能，使改性后的羟基磷灰石带上了亲水基团，从而增强了其在水溶液中的稳定性和分散性，从而提高了在实际增材制造过程中的结构强度和力学性能。

根据本发明实施例的增材制造医用陶瓷浆料还可以具有以下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述改性羟基磷灰石采用以下方案制成：(1)按质量比1:8～10，将氨基酸添加至磷酸缓冲液中，制备得改性液；(2)将纳米羟基磷灰石添加至 磷酸缓冲液中，搅拌混合并置于55℃下保温静置24h，过滤，干燥得改性羟基磷灰石。

根据本发明的一个实施例，所述氨基酸为丝氨酸、亮氨酸和赖氨酸中的一种或多种。

根据本发明的一个实施例，所述增材制造医用陶瓷浆料还包括3～5重量份的磺化丝素 蛋白，所述磺化丝素蛋白穿插吸附在多孔羟基磷灰石颗粒内部。

根据本发明的一个实施例，所述多孔羟基磷灰石颗粒孔隙率为75～80％。

根据本发明的一个实施例，所述磺化丝素蛋白穿插步骤包括：

(1)按质量比1:6～8，将磺化丝素蛋白添加至去离子水中，搅拌混合并置于200～300W 下超声分散10～15min，得改性分散液；

(2)按质量比1：8～12，将改性羟基磷灰石添加至改性分散液中，搅拌混合并置于-20℃ 下冷冻处理3～5h，静置3～5h后，冷冻干燥并研磨过200目筛，即可完成磺化丝素蛋白穿插处理。

根据本发明第二方面实施例的骨支架，由上述任一项所述的增材制造医用陶瓷浆料制 备而成，具体制备步骤包括：S1、按配方，将硅胶、改性羟基磷灰石、羟丙基甲基纤维、去离子水和磺化丝素蛋白，搅拌混合并调节固含量，收集得基体浆液；S2、将基体浆液置 于增材制造装置中，增材打印后自然晾干，收集得坯料；S3、将坯料置于加热装置中，升 温加热并保温煅烧，静置冷却至室温，即可制备得所述骨支架。

根据本发明的一个实施例，步骤S1所述的基体浆液固含量为60～80％。

根据本发明的一个实施例，步骤S2所述的增材打印的打印气压为0.2MPa、基板移动 速度为10mm/s。

根据本发明的一个实施例，步骤S3所述的保温煅烧温度为340～350℃。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能 理解为对本发明的限制。

下面具体描述根据本发明实施例的增材制造医用陶瓷浆料及其制备方法。

首先，根据本发明实施例的增材制造医用陶瓷浆料，由包括以下重量份的物质组成： 35～40份硅胶、45～60份改性羟基磷灰石、6～8份羟丙基甲基纤维素和55～60份去离子 水；所述改性羟基磷灰石为经氨基酸改性的多孔羟基磷灰石颗粒。

由此，根据本发明实施例的增材制造医用陶瓷浆料，通过多孔结构的羟基磷灰石颗粒 为原料，一方面，多孔结构的羟基磷灰石颗粒可以在降解过程中均匀且稳定地沉积，有利 于骨细胞的吸附、增殖、分化，另一方面，均匀的多孔结构的骨材料复合实际使用的骨材 料的结构性能，多孔结构优化了人造骨的力学性能，同时本申请采用氨基酸进行改性处理， 由于氨基酸是人体所需的材料，具有pH响应性，在等电点上下分别带不同的电荷，同时其在一定条件下可以作为某些蛋白和酶的特异性吸附剂，有利于满足人造骨在现实环境的需求，通过包覆氨基酸对羟基磷灰石进行改性，改善其表面性能，使改性后的羟基磷灰石带上了亲水基团，从而增强了其在水溶液中的稳定性和分散性，从而提高了在实际增材制造过程中的结构强度和力学性能。

根据本发明的一个实施例，所述改性羟基磷灰石采用以下方案制成：(1)按质量比1:8～10，将氨基酸添加至磷酸缓冲液中，制备得改性液；(2)将纳米羟基磷灰石添加至 磷酸缓冲液中，搅拌混合并置于55℃下保温静置24h，过滤，干燥得改性羟基磷灰石。

通过采用上述技术方案，本申请技术方案优化了氨基酸包覆改性羟基磷灰石材料的制 备步骤，通过一步法改性的技术方案，一方面，降低了羟基磷灰石材料之间的相互作用， 改善了团聚的现象，并且改性后的羟基磷灰石带上了亲水基团，从而增强了其在水溶液中 的稳定性和分散性，同时方案整体简单便捷，提高了制备效率。

在本发明的一些具体实施方式中，所述氨基酸为丝氨酸、亮氨酸和赖氨酸中的一种或 多种。

本申请通过优化了氨基酸的种类，由于丝氨酸在人体内显正电性，对特定蛋白等有着 特异性吸附，改善了吸附性能，亮氨酸能有效修复肌肉，控制血糖，并给身体组织提供能 量，同时赖氨酸可以调节人体代谢平衡，赖氨酸为合成肉碱提供结构组分，而肉碱会促使 细胞中脂肪酸的合成，从而进一步提高了改性后的羟基磷灰石材料与人体的相容性。

进一步地，所述增材制造医用陶瓷浆料还包括3～5重量份的磺化丝素蛋白，所述磺 化丝素蛋白穿插吸附在多孔羟基磷灰石颗粒内部。

通过采用上述技术方案，由于本申请在增材制造医用陶瓷浆料孔隙内部负载磺化的丝 素蛋白，一方面，丝素蛋白的有效填充，改善了传统羟基磷灰石的力学强度不佳的问题， 同时磺化改性的羟基磷灰石中的磺化丝素蛋白能够促进人骨髓间质干细胞的粘附和扩散， 而且可以有效的运输生物活性因子，羟基磷灰石由于其具有较好的生物相容性和成骨诱导 性，两者有机结合，进一步改善了骨支架材料的力学强度和人体相容性。

在本发明的一些具体实施方式中，所述多孔羟基磷灰石颗粒孔隙率为75～80％。

本申请技术方案优化了载体的结构，优化了其孔隙率，一方面，优化后的支架材料表 面积高，能进一步提高支架的水解性能，另一方面，多孔隙的结构，能负载更多的丝素蛋白，从而优化其力学强度和结构性能。

根据本发明的一个实施例，所述磺化丝素蛋白穿插步骤包括：

(1)按质量比1:6～8，将磺化丝素蛋白添加至去离子水中，搅拌混合并置于200～300W下超声分散10～15min，得改性分散液；

(2)按质量比1：8～12，将改性羟基磷灰石添加至改性分散液中，搅拌混合并置于-20℃下冷冻处理3～5h，静置3～5h后，冷冻干燥并研磨过200目筛，即可完成磺化丝素 蛋白穿插处理。

本申请技术方案通过冷冻干燥将磺化丝素蛋白穿插至羟基磷灰石颗粒内部，通过冷冻 负载，优化负载的效率的同时，改善负载的质量，提高了支架材料的力学性能和强度。

第二方面，本申请提供一种骨支架，所述的增材制造医用陶瓷浆料制备而成，具体制 备步骤包括：

S1、按配方，将硅胶、改性羟基磷灰石、羟丙基甲基纤维、去离子水和磺化丝素蛋白， 搅拌混合并调节固含量，收集得基体浆液；

S2、将基体浆液置于增材制造装置中，增材打印后自然晾干，收集得坯料；

S3、将坯料置于加热装置中，升温加热并保温煅烧，静置冷却至室温，即可制备得所 述骨支架。

本申请通过增材制备的方法制备骨支架材料，增材制备的方法简单且效率较高，通过 快速的基础固化后，形成精度较高的骨支架材料，同时，本申请采用优化后的陶瓷浆料为 原料制备骨支架，进一步改善了骨支架材料的力学强度和性能。

根据本发明的一个实施例，步骤S1所述的基体浆液固含量为60～80％。

在本申请技术方案中，通过优化基体浆液的固含量，防止其固含量过低，导致增材制 备的材料性能不佳，不能成型，也有效防止了增材制备过程中，由于固含量过高导致增材 挤出时打印性能不佳的缺陷。

在本发明的一些具体实施方式中，步骤S2所述的增材打印的打印气压为0.2MPa、基 板移动速度为10mm/s。

进一步地，步骤S3所述的保温煅烧温度为340～350℃。

在本申请技术方案中，通过低温固化烧结的方案，能有效修复骨支架陶瓷内部缺陷， 增强内部结构致密度，增强骨支架陶瓷的细胞吸附效果。

总而言之，本申请的骨支架通过增材制造的方法制备而成，并且采用上述陶瓷浆料作 为原料，陶瓷浆料通过多孔结构的羟基磷灰石颗粒为原料，一方面，多孔结构的羟基磷灰 石颗粒可以在降解过程中均匀且稳定地沉积，有利于骨细胞的吸附、增殖、分化，另一方 面，均匀的多孔结构的骨材料复合实际使用的骨材料的结构性能，多孔结构优化了人造骨 的力学性能，同时本申请采用氨基酸进行改性处理，由于氨基酸是人体所需的材料，具有 pH响应性，在等电点上下分别带不同的电荷，同时其在一定条件下可以作为某些蛋白和酶 的特异性吸附剂，有利于满足人造骨在现实环境的需求，通过包覆氨基酸对羟基磷灰石进 行改性，改善其表面性能，使改性后的羟基磷灰石带上了亲水基团，从而增强了其在水溶 液中的稳定性和分散性，从而提高了在实际增材制造过程中的结构强度和力学性能。

同时，本申请在增材制造医用陶瓷浆料孔隙内部负载磺化的丝素蛋白，一方面，丝素 蛋白的有效填充，改善了传统羟基磷灰石的力学强度不佳的问题，同时磺化改性的羟基磷 灰石中的磺化丝素蛋白能够促进人骨髓间质干细胞的粘附和扩散，而且可以有效的运输生 物活性因子，羟基磷灰石由于其具有较好的生物相容性和成骨诱导性，两者有机结合，进 一步改善了骨支架材料的力学强度和人体相容性；

另外，本申请通过增材制备的方法制备骨支架材料，增材制备的方法简单且效率较高， 通过快速的基础固化后，形成精度较高的骨支架材料，同时，本申请采用优化后的陶瓷浆 料为原料制备骨支架，进一步改善了骨支架材料的力学强度和性能。

下面结合具体实施例对本发明实施例的增材制造医用陶瓷浆料及其制备方法进行详 细说明。

制备例

改性羟基磷灰石制备

制备例1

将100g丝氨酸添加至800～1000g磷酸缓冲液中，制备得改性液，将500g纳米羟基磷灰石添加至磷酸缓冲液中，搅拌混合并置于55℃下保温静置24h，过滤，干燥得改性羟 基磷灰石1。

制备例2

将100g亮氨酸添加至900g磷酸缓冲液中，制备得改性液，将500g纳米羟基磷灰石添加至磷酸缓冲液中，搅拌混合并置于55℃下保温静置24h，过滤，干燥得改性羟基磷灰 石2。

制备例3

将100g赖氨酸添加至1000g磷酸缓冲液中，制备得改性液，将500g纳米羟基磷灰石添加至磷酸缓冲液中，搅拌混合并置于55℃下保温静置24h，过滤，干燥得改性羟基磷灰 石3。

实施例

实施例1

称量35kg硅胶、45kg改性羟基磷灰石1、6kg羟丙基甲基纤维素、55kg去离子水和3kg的磺化丝素蛋白，先将磺化丝素蛋白添加至6kg去离子水中，搅拌混合并置于200W下 超声分散10min，得改性分散液，再将改性羟基磷灰石添加至8kg改性分散液中，搅拌混 合并置于-20℃下冷冻处理3h，静置3h后，冷冻干燥并研磨过200目筛，即可完成磺化丝 素蛋白穿插处理的改性颗粒；

将改性颗粒、硅胶、羟丙基甲基纤维素和剩余去离子水混合并置于增材制造装置中， 调节固含量为60％后，增材打印并自然晾干，收集得坯料，调节增材打印的打印气压为0.2MPa、基板移动速度为10mm/s，将坯料置于加热装置中，升温加热至340℃并保温煅烧，静置冷却至室温，即可制备得所述骨支架。

实施例2

称量37kg硅胶、52kg改性羟基磷灰石2、7kg羟丙基甲基纤维素、57kg去离子水和4kg的磺化丝素蛋白，先将磺化丝素蛋白添加至7kg去离子水中，搅拌混合并置于250W下 超声分散12min，得改性分散液，再将改性羟基磷灰石添加至10kg改性分散液中，搅拌混 合并置于-20℃下冷冻处理4h，静置4h后，冷冻干燥并研磨过200目筛，即可完成磺化丝 素蛋白穿插处理的改性颗粒；

将改性颗粒、硅胶、羟丙基甲基纤维素和剩余去离子水混合并置于增材制造装置中， 调节固含量为70％后，增材打印并自然晾干，收集得坯料，调节增材打印的打印气压为0.2MPa、基板移动速度为10mm/s，将坯料置于加热装置中，升温加热至345℃并保温煅烧，静置冷却至室温，即可制备得所述骨支架。

实施例3

称量40kg硅胶、60kg改性羟基磷灰石3、8kg羟丙基甲基纤维素、60kg去离子水和5kg的磺化丝素蛋白，先将磺化丝素蛋白添加至8kg去离子水中，搅拌混合并置于300W下 超声分散15min，得改性分散液，再将改性羟基磷灰石添加至12kg改性分散液中，搅拌混 合并置于-20℃下冷冻处理5h，静置5h后，冷冻干燥并研磨过200目筛，即可完成磺化丝 素蛋白穿插处理的改性颗粒；

将改性颗粒、硅胶、羟丙基甲基纤维素和剩余去离子水混合并置于增材制造装置中， 调节固含量为80％后，增材打印并自然晾干，收集得坯料，调节增材打印的打印气压为0.2MPa、基板移动速度为10mm/s，将坯料置于加热装置中，升温加热至350℃并保温煅烧，静置冷却至室温，即可制备得所述骨支架。

对比例

对比例1：一种骨支架，与实施例1的区别在于，对比例1中未添加磺化丝素蛋白，其余制备条件和组分配比均与实施例1相同。

对比例2：一种骨支架，与实施例1的区别在于，对比例2中采用未改性羟基磷灰石代替改性羟基磷灰石，其余制备条件和组分配比均与实施例1相同。

对比例3：一种骨支架，与实施例1的区别在于，对比例3中采用硅烷偶联剂KH550改性羟基磷灰石代替实施例1中的改性羟基磷灰石，其余制备条件和组分配比均与实施例1相同。

对比例4

一种骨支架，与实施例1的区别在于，对比例4将基体浆料添加至模具中，经固化后制备而成，其余制备条件和组分配比均与实施例1相同。

性能检测试验

将实施例1-3、对比例1-4制备的骨支架进行性能测试。

抗压强度：使用万能力学试验机(UTM6104，三思纵横，中国)以0.5mm/min的加 载速度测量试样的抗压强度。

体外降解率：经过水合反应后的骨水泥材料浸泡在磷酸盐缓冲液(PBS，pH＝7.4，37℃) 中进行体外降解性能测试。将在37℃和99％相对湿度下放置72小时后的直径为6mm，高 度12mm的样件称重并浸泡在PBS中(溶液体积与样品质量的比例：200mL/g)为3，7和 28天。

实验结果如下表：

表1：实施例1-3、对比例1-4的骨支架性能实验对比

由表1可以看出，实施例1-3制备的增材制造医用陶瓷浆料具有良好的力学强度和降 解性能，说明本申请技术方案通过多孔结构的羟基磷灰石颗粒为原料，一方面，多孔结构 的羟基磷灰石颗粒可以在降解过程中均匀且稳定地沉积，有利于骨细胞的吸附、增殖、分 化，另一方面，均匀的多孔结构的骨材料复合实际使用的骨材料的结构性能，多孔结构优 化了人造骨的力学性能，同时本申请采用氨基酸进行改性处理，由于氨基酸是人体所需的 材料，具有pH响应性，在等电点上下分别带不同的电荷，同时其在一定条件下可以作为某些蛋白和酶的特异性吸附剂，有利于满足人造骨在现实环境的需求，通过包覆氨基酸对羟基磷灰石进行改性，改善其表面性能，使改性后的羟基磷灰石带上了亲水基团，从而增强了其在水溶液中的稳定性和分散性，从而提高了在实际增材制造过程中的结构强度和力学性能。

将对比例1和实施例1进行性能对比，对比例1中技术方案制备的涂料的力学性能和 降解性能显著降低，说明本申请技术方案将磺化丝素蛋白穿插至羟基磷灰石颗粒内部，通 过冷冻负载，优化负载的效率的同时，改善负载的质量，提高了支架材料的力学性能和强 度；

将实施例1和对比例2～3进行性能对比，对比例2中技术方案制备的力学性能和降解性能显著降低，说明本申请技术方案采用氨基酸进行改性处理，由于氨基酸是人体所需的材料，具有pH响应性，在等电点上下分别带不同的电荷，同时其在一定条件下可以作 为某些蛋白和酶的特异性吸附剂，有利于满足人造骨在现实环境的需求，通过包覆氨基酸 对羟基磷灰石进行改性，改善其表面性能，使改性后的羟基磷灰石带上了亲水基团，从而 增强了其在水溶液中的稳定性和分散性，从而提高了在实际增材制造过程中的结构强度和力学性能；

最后，将实施例1和对比例4进行性能对比，对比例4中技术方案制备的骨支架的力学性能和降解性能显著降低，说明本申请技术方案通过增材制备的方案制备骨支架材料，由于增材制备的方案中，制备简单且效率较高，通过快速的基础固化后，形成精度较高的骨支架材料，同时本申请技术方案采用优化后的陶瓷浆料为原料进行制备，进一步改善了骨支架材料的力学强度和性能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离 本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发 明的范围由权利要求及其等同物限定。