一种用于骨修复的3D打印材料、骨修复材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及3D打印领域，特别是一种骨修复的3D打印材料、骨修复材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着人口老龄化的加重，因创伤、肿瘤、感染等造成的骨缺损患者逐年增加。超过临界标准的骨缺损通常难以修复，很容易导致骨修复延迟甚至骨不愈合。临界骨缺损的临床治疗是整形外科中最具挑战性的课题之一，需要植入生物材料进行修复。然而受伤、疾病或外伤引起的大规模骨损伤往往缺乏自我修复能力，尽管自体移植和同种异体移植已在临床上得到批准并显示令人满意的治疗效果，但在临床上也往往会出现供体部位的发病、免疫以及炎症反应。3D打印组织工程骨支架具有高保真度、复杂多孔结构、优秀的生物相容性，可以快速精准的满足患者需求，越来越多的研究者开始使用3D打印技术进行骨组织修复。

因鉴于此，特提出此发明。

发明内容

为了解决现有的技术问题，本发明提供了一种基于类淀粉样蛋白质的3D打印材料，通过该种打印材料配合特定的3D打印方法可按需制备不同形状且生物相容性优秀的骨修复材料，该种骨修复材料具备良好的机械性能，同时具备优异的骨修复能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

首先，本发明提供了一种用于骨修复的3D打印材料，所述3D打印材料包括蛋白质原料和还原剂，且所述蛋白质原料的浓度为30-250mg/mL，所述还原剂的浓度为1-100mg/mL。

优选或可选地，所述蛋白质原料为溶菌酶或牛血清白蛋白。

优选或可选地，所述还原剂为三(2-羧乙基)膦盐酸盐、半胱氨酸、谷胱甘肽中的任意一种。

优选或可选地，所述3D打印材料的pH为1-4。

优选或可选地，所述3D打印材料的使用温度为37-100℃。

另一方面，本发明还提供了一种采用上述的用于骨修复的3D打印材料制备骨修复材料的方法，按下述步骤依次进行：

(1)将3D打印材料预热至使用温度后，灌注3D打印机的挤压器内；

(2)将3D打印材料通过3D打印机打印为3D打印模型

(3)将3D打印模型置于交联剂内浸泡，取出即得骨修复材料。

优选或可选地，步骤(2)中，打印的气压为0.1-1.0MPa,打印速度为0.1-100mm/s，打印使用的针头直径为0.2-0.5mm。

优选或可选地，步骤(3)中使用的角连接为磷酸盐、无水氯化钙、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺、戊二醛或京尼平中的任意一种。

优选或可选地，所述交联剂的浓度为0.1-10％(w/w)。

优选或可选地，步骤(3)中浸泡的时间为0-12小时

第三方面，本发明还提供了一种骨修复材料，采用上述的方法制备而成。

以及上述的骨修复材料在骨修复领域的应用。

有益效果

本发明提供了一种基于类淀粉样蛋白质的3D打印材料，该种打印材料在3D打印并浸泡于交联剂之后可制得机械性能良好的骨修复材料，上述方法制得的骨修复材料具有良好的生物相容性和骨修复能力，同时因其采用3D打印的方法制备，形状可以按需定制。

附图说明

图1为本发明效果实施例1提供的未交联的立方体网格图片；

图2为本发明效果实施例2提供的立方体网格图片；

图3为本发明效果实施例3提供的骨修复材料的交联前后的力学性能测试结果图；

图4为效果实施例4-9提供的骨修复材料在不同时间的修复效果CT图；

图5为效果实施例4-9提供的骨修复材料在不同时间的骨修复体积结果图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合说明书附图和较佳实验例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为80mg/mL的溶菌酶水溶液和50Mm pH＝1的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温3小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为长宽均为3cm，厚度为0.5cm，格数为12×12的网格状结构。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于10mg/mL的氯化钙溶液中浸泡2h，取出即得骨修复材料产品。

实施例2

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为100mg/mL的溶菌酶水溶液和50mM pH＝3的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温2小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为长宽均为4cm，厚度为0.5cm，格数为12×12的网格状结构。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于30mg/mL的氯化钙溶液中浸泡2h，取出即得骨修复材料产品。

实施例3

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为120mg/mL的溶菌酶水溶液和50mM pH＝2的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温2小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径3cm，厚度为0.5cm的圆柱体网格状结构。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于10×PBS缓冲液中浸泡2h，取出即得骨修复材料产品。

实施例4

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为120mg/mL的溶菌酶水溶液和40mM pH＝1的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温2小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.41mm的枪头，以0.15MPa的压力、13mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径4cm，厚度为0.5cm的圆柱体网格状结构。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于1％京尼平水溶液中浸泡2h，取出即得骨修复材料产品。

实施例5

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为120mg/mL的溶菌酶水溶液和40mg/mL pH＝4的谷胱甘肽水溶液等体积混合后，在60℃下保温5小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.41mm的枪头，以0.15MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径4cm，厚度为0.5cm的圆柱体网格状结构。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于2％戊二醛水溶液中浸泡2h，取出即得骨修复材料产品。

实施例6

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为100mg/mL的溶菌酶水溶液和30mg/mL pH＝4的谷胱甘肽水溶液等体积混合后，在60℃下保温5小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.41mm的枪头，以0.15MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径4cm，厚度为0.5cm的圆柱体网格状结构。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于5％戊二醛水溶液中浸泡4h，取出即得骨修复材料产品。

实施例7

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为100mg/mL的溶菌酶水溶液和50mg/mL pH＝4的半胱氨酸水溶液等体积混合后，在50℃下保温8小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.2MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为长宽为5cm，厚度为0.5cm，12×12的方形网格状结构。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于5％戊二醛水溶液中浸泡4h，取出即得骨修复材料产品。

实施例8

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为160mg/mL的溶菌酶水溶液和100mg/mL pH＝4的半胱氨酸水溶液等体积混合后，在50℃下保温8小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.2MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径4cm，厚度为8cm的圆柱体网格状结构。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于0.1％京尼平水溶液中浸泡12h，取出即得骨修复材料产品。

实施例9

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将牛血清白蛋白用PBS缓冲液配置成浓度为80mg/mL的溶液，并和50mM pH＝2的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在37℃下保温6小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.4MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径4cm，厚度为8cm的圆柱体网格状结构。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于0.1％戊二醛溶液中浸泡6h，取出即得骨修复材料产品。

效果实施例

效果实施例1

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为180mg/mL的溶菌酶水溶液和50Mm pH＝1的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温3小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为长宽5cm，厚度为0.5cm，12×12的方形网格状结构。

打印完成后如附图1，将打印出的3D打印模型置于培养皿中，取出即得骨修复材料产品。

效果实施例2

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为180mg/mL的溶菌酶水溶液和50Mm pH＝1的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温3小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为长宽5cm，厚度为0.5cm，12×12的方形网格状结构。

打印完成后如附图2，将打印出的3D打印模型置于1％戊二醛溶液中浸泡2h，取出即得骨修复材料产品。

效果实施例3

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为180mg/mL的溶菌酶水溶液和50Mm pH＝2的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温3小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型类似哑铃状或狗骨头状尺寸两端长宽1cm×1cm，中间长宽为1cm×0.5cm。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于1％戊二醛溶液中浸泡2h，取出即得骨修复材料产品。

用胶带粘住样品长度方向的两端，再夹持于试验机夹头。传感器量程为100N，设定拉升速度为5mm/min，跨距为15-20mm。此测试均在室温下进行，每组样品测试三次，取平均值，计算误差带，记录拉伸力，截面积，计算拉伸强度。

如附图3测试得出，未交联的3D打印骨修复材料的拉伸强度为0.117MPa,用1％戊二醛溶液中浸泡2h后的3D打印骨修复材料的拉伸强度可达1.02Mpa,因此通过交联可以使支架获得相较于未交联支架而言更好的拉伸强度。

效果实施例4

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为180mg/mL的溶菌酶水溶液和50Mm pH＝1的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温3小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径为5mm,厚度为40mm，4层圆形网格状。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于1％氯化钙溶液中浸泡6h，取出即得骨修复材料产品。

所有动物实验均遵循天津市南开医院动物试验伦理委员会批准。3只雄性SD大鼠(8周龄，230-250g)，左侧为空白对照组，右侧为交联支架填充组。大鼠麻醉后制备双侧直径5mm缺损，右侧放入打印的支架材料，最后分层缝合各层组织。在1个月后分别取出完整颅骨，浸泡在4％多聚甲醛溶液中，进行固定，随后进行micro-ct扫描，使用ct-vox软件获得重建后3d图像，进一步使用ct-an软件进行定量分析成骨相关指标。随后，将扫描后样本放在EDTA溶液中进行脱钙，大约4周左右，至样本可无阻力穿透为止。后续进一步进行脱水，石蜡包埋，切片，HE及Masson三色染色，观察缺损处周围骨组织的修复情况。

效果实施例5

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为180mg/mL的溶菌酶水溶液和50Mm pH＝1的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温3小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径为5mm,厚度为40mm，4层圆形网格状。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于1％氯化钙溶液中浸泡6h，取出即得骨修复材料产品。

所有动物实验均遵循天津市南开医院动物试验伦理委员会批准。3只雄性SD大鼠(8周龄，230-250g)，左侧为空白对照组，右侧为交联支架填充组。大鼠麻醉后制备双侧直径5mm缺损，右侧放入打印的支架材料，最后分层缝合各层组织。在3个月后分别取出完整颅骨，浸泡在4％多聚甲醛溶液中，进行固定，随后进行micro-ct扫描，使用ct-vox软件获得重建后3d图像，进一步使用ct-an软件进行定量分析成骨相关指标。随后，将扫描后样本放在EDTA溶液中进行脱钙，大约4周左右，至样本可无阻力穿透为止。后续进一步进行脱水，石蜡包埋，切片，HE及Masson三色染色，观察缺损处周围骨组织的修复情况。

效果实施例6

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为180mg/mL的溶菌酶水溶液和50Mm pH＝1的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温3小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径为5mm,厚度为40mm，4层圆形网格状。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于1％氯化钙溶液中浸泡6h，取出即得骨修复材料产品。

所有动物实验均遵循天津市南开医院动物试验伦理委员会批准。3只雄性SD大鼠(8周龄，230-250g)，左侧为空白对照组，右侧为交联支架填充组。大鼠麻醉后制备双侧直径5mm缺损，右侧放入打印的支架材料，最后分层缝合各层组织。在6个月后分别取出完整颅骨，浸泡在4％多聚甲醛溶液中，进行固定，随后进行micro-ct扫描，使用ct-vox软件获得重建后3d图像，进一步使用ct-an软件进行定量分析成骨相关指标。随后，将扫描后样本放在EDTA溶液中进行脱钙，大约4周左右，至样本可无阻力穿透为止。后续进一步进行脱水，石蜡包埋，切片，HE及Masson三色染色，观察缺损处周围骨组织的修复情况。

效果实施例7

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为180mg/mL的溶菌酶水溶液和50Mm pH＝2的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温5小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径为5mm,厚度为40mm，4层圆形网格状。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于10×磷酸盐缓冲液溶液中浸泡4h，取出即得骨修复材料产品。

所有动物实验均遵循天津市南开医院动物试验伦理委员会批准。3只雄性SD大鼠(8周龄，230-250g)，左侧为空白对照组，右侧为交联支架填充组。大鼠麻醉后制备双侧直径5mm缺损，右侧放入打印的支架材料，最后分层缝合各层组织。在1个月后取出完整颅骨，浸泡在4％多聚甲醛溶液中，进行固定，随后进行micro-ct扫描，使用ct-vox软件获得重建后3d图像，进一步使用ct-an软件进行定量分析成骨相关指标。随后，将扫描后样本放在EDTA溶液中进行脱钙，大约4周左右，至样本可无阻力穿透为止。后续进一步进行脱水，石蜡包埋，切片，HE及Masson三色染色，观察缺损处周围骨组织的修复情况。

效果实施例8

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为180mg/mL的溶菌酶水溶液和50Mm pH＝2的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温5小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径为5mm,厚度为40mm，4层圆形网格状。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于10×磷酸盐缓冲液溶液中浸泡4h，取出即得骨修复材料产品。

所有动物实验均遵循天津市南开医院动物试验伦理委员会批准。3只雄性SD大鼠(8周龄，230-250g)，左侧为空白对照组，右侧为交联支架填充组。大鼠麻醉后制备双侧直径5mm缺损，右侧放入打印的支架材料，最后分层缝合各层组织。在3个月后取出完整颅骨，浸泡在4％多聚甲醛溶液中，进行固定，随后进行micro-ct扫描，使用ct-vox软件获得重建后3d图像，进一步使用ct-an软件进行定量分析成骨相关指标。随后，将扫描后样本放在EDTA溶液中进行脱钙，大约4周左右，至样本可无阻力穿透为止。后续进一步进行脱水，石蜡包埋，切片，HE及Masson三色染色，观察缺损处周围骨组织的修复情况。

效果实施例9

本实施例提供了一种骨修复材料。

该骨修复材料按下述方法制备而成：

将浓度为180mg/mL的溶菌酶水溶液和50Mm pH＝2的三(2-羧乙基)膦盐酸盐水溶液等体积混合后，在50℃下保温5小时，灌注3D打印机的挤压器中；

选择直径0.25mm的枪头，以0.12MPa的压力、12mm/s的速度打印3D打印模型，本实施例中，3D打印模型为直径为5mm,厚度为40mm，4层圆形网格状。

打印完成后，将打印出的3D打印模型置于10×磷酸盐缓冲液溶液中浸泡4h，取出即得骨修复材料产品。

所有动物实验均遵循天津市南开医院动物试验伦理委员会批准。3只雄性SD大鼠(8周龄，230-250g)，左侧为空白对照组，右侧为交联支架填充组。大鼠麻醉后制备双侧直径5mm缺损，右侧放入打印的支架材料，最后分层缝合各层组织。在6个月后取出完整颅骨，浸泡在4％多聚甲醛溶液中，进行固定，随后进行micro-ct扫描，使用ct-vox软件获得重建后3d图像，进一步使用ct-an软件进行定量分析成骨相关指标。随后，将扫描后样本放在EDTA溶液中进行脱钙，大约4周左右，至样本可无阻力穿透为止。后续进一步进行脱水，石蜡包埋，切片，HE及Masson三色染色，观察缺损处周围骨组织的修复情况。

通过附图4和5中的CT和骨体积统计结果表明，1个月后Blank组骨体积分数为9％，CaCl

综上所述，在1、3和6个月的CT结果表明，PBS组和CaCl

由此可见，本发明提供的基于类淀粉样蛋白质的3D打印材料，具有良好的生物相容性和骨修复能力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。