本發(fā)明屬于組織工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種3D打印的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料及制備方法與應(yīng)用和基于其的骨組織工程支架。

背景技術(shù)：

我國(guó)每年由于交通事故、自然災(zāi)害、疾病等導(dǎo)致骨缺損的患者多達(dá)300到400萬(wàn)人次，骨組織缺損給患者的日常生活帶來(lái)巨大的不便。骨移植是解決骨缺損問(wèn)題最有效的方法之一，目前臨床已可以利用自體骨、同種異體骨和異種骨移植等方式治療骨缺損。但是這些治療方法都存在明顯的缺陷。自體骨移植是目前骨缺損修復(fù)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，不僅無(wú)免疫排斥反應(yīng)，而且在功能和結(jié)構(gòu)上都能完全替代原組織，但是存在供區(qū)疼痛、來(lái)源有限、尺寸和形狀受限制等缺陷。同種異體骨和異種骨移植雖然來(lái)源廣泛，但是有致病性，免疫排斥反應(yīng)、制備成本高、存儲(chǔ)困難等缺點(diǎn)。隨著骨組織工程概念的提出，骨修復(fù)支架作為骨組織工程的研究熱點(diǎn)，為骨缺損修復(fù)帶來(lái)了新的希望。根據(jù)骨缺損修復(fù)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，理想的骨組織工程支架除了應(yīng)該具有良好的生物相容性、可降解性外，還需要具有與骨缺損部位相匹配的外形、三維連通多孔結(jié)構(gòu)以及一定的生物力學(xué)性能。傳統(tǒng)制備三維多孔骨組織工程支架的方法有很多，比如相分離法、冷凍干燥法、粒子瀝濾法等，傳統(tǒng)方法都各有優(yōu)點(diǎn)，但均為手工制備，缺乏對(duì)孔洞結(jié)構(gòu)的精確控制，重復(fù)性差，難以制造具有復(fù)雜外形的支架。

3D打印技術(shù)，又稱(chēng)3D快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)，是20世紀(jì)80年代后期，逐漸興起的一項(xiàng)新興制造技術(shù)，集光/機(jī)/電、計(jì)算機(jī)、數(shù)控及新材料于一體，3D打印是指在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)物體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型或計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)等數(shù)據(jù)，通過(guò)材料的精確三維堆積，快速制造任意復(fù)雜形狀三維物體的新型數(shù)字化成型技術(shù)。目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工武器、汽車(chē)工業(yè)、電子、生物醫(yī)學(xué)、食品、建筑、教育、首飾、游戲、日用品等眾多領(lǐng)域，目前發(fā)展迅猛。其中在組織工程上的應(yīng)用尤為引人矚目。利用3D打印技術(shù)則可以根據(jù)不同患者的CT、磁共振成像(MRI)等成像數(shù)據(jù)，快速制造個(gè)性化的組織工程支架材料，還可以利用CAD技術(shù)設(shè)計(jì)任意形狀，任意孔道結(jié)構(gòu)的三維支架，甚至可以攜帶細(xì)胞對(duì)組織缺損部位進(jìn)行原位細(xì)胞打印。

疏水性聚酯材料-聚己內(nèi)酯具有優(yōu)異的生物相容性和生物可降解性，已經(jīng)獲得FDA認(rèn)證可以用于臨床，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于骨組織工程支架的研究，另外，聚己內(nèi)酯的加工成型性能相當(dāng)優(yōu)異，因?yàn)榫奂簝?nèi)酯不但具有良好的力學(xué)性能而且熔點(diǎn)較低，這就使得聚己內(nèi)酯可以很容易的被加工成設(shè)計(jì)的形狀，但是，多年的研究表明，聚己內(nèi)酯表面缺少細(xì)胞進(jìn)行識(shí)別的位點(diǎn)、降解速率慢，疏水性，因此，聚己內(nèi)酯較少單獨(dú)用于組織工程支架的制備；牡蠣殼是天然形成的含有豐富氨基酸和微量金屬元素的礦物質(zhì)鹽，其無(wú)機(jī)鹽堆積的形式與骨沉積非常相似，因此，牡蠣殼具有低免疫原性、良好的生物相容性、可降解性、骨傳導(dǎo)性以及成骨性能。與其他無(wú)機(jī)材料相比，牡蠣殼來(lái)源豐富、成本低廉、加工簡(jiǎn)易且具有與人骨組織相近的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性。同時(shí)，牡蠣殼粉與聚己內(nèi)酯的結(jié)合可以大大提高支架的骨誘導(dǎo)能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種3D打印的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料。

本發(fā)明另一目的在于提供一種上述聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉骨組織工程支架材料的制備方法。

本發(fā)明再一目的在于提供上述聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料在3D打印中的應(yīng)用。

本發(fā)明再一目的在于提供一種基于上述聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料的骨組織工程支架，其具有優(yōu)良力學(xué)性能和生物相容性。

本發(fā)明的目的通過(guò)下述方案實(shí)現(xiàn)：

一種3D打印的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料，包括質(zhì)量比為95:5～80:20的聚己內(nèi)酯和牡蠣殼粉。

所述聚己內(nèi)酯的分子量為6～8萬(wàn)，熔點(diǎn)60～65℃。

所述的牡蠣殼粉為具有片層狀結(jié)構(gòu)的粉狀物。

所述牡蠣殼粉的粒徑優(yōu)選為50～75μm。

所述的牡蠣殼粉可通過(guò)將牡蠣殼進(jìn)行粉碎加工獲得。

進(jìn)一步地，所述的牡蠣殼粉可通過(guò)以下方法制備得到：將牡蠣殼用氫氧化鈉溶液浸泡，超聲清洗，烘干得到粗處理的牡蠣殼；放入球磨機(jī)研磨，得到粗制牡蠣殼粉；加入水配成漿并剪切研磨，過(guò)濾烘干，再次球磨機(jī)研磨，過(guò)篩，得到精制的牡蠣殼粉。

所用的氫氧化鈉溶液濃度優(yōu)選為5wt％。

所述浸泡的時(shí)間優(yōu)選為48小時(shí)或以上。

所述超聲清洗的時(shí)間優(yōu)選為10～20min。

所述烘干的溫度優(yōu)選為100℃。

所用的球磨機(jī)優(yōu)選為行星球磨機(jī)。

所述球磨機(jī)研磨的時(shí)間優(yōu)選為12～24h。

所述剪切研磨優(yōu)選使用高速如何剪切機(jī)研磨。

所述剪切研磨的時(shí)間優(yōu)選為8h。

所述的過(guò)篩優(yōu)選為過(guò)200～300目篩。

更進(jìn)一步地，所述的牡蠣殼粉可通過(guò)以下方法制備得到：將牡蠣殼中的粘附物和殘余肉質(zhì)去除，清洗干凈后，用5wt％的氫氧化鈉溶液浸泡48小時(shí)或以上，用超聲波去除表面的角質(zhì)層和棱柱層，放在烘箱烘干得到粗處理的牡蠣殼；將粗處理的牡蠣殼放入行星球磨機(jī)中研磨，得到粗制牡蠣殼粉；用水配成漿后用高速乳化剪切機(jī)研磨，過(guò)濾，烘干，再用行星球磨機(jī)研磨，研磨后將粉末過(guò)200～300目篩，得到精制的牡蠣殼粉。

本發(fā)明還提供一種所述3D打印的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料的制備方法，通過(guò)將聚己內(nèi)酯和牡蠣殼粉按比例混合，加入擠出機(jī)中擠出造粒得到。

所述擠出的溫度優(yōu)選為80～120℃，模頭的溫度優(yōu)選為80～95℃。

所述擠出后優(yōu)選采用前段水冷、后段風(fēng)冷的方式對(duì)擠出線材進(jìn)行冷卻定型，水溫為室溫。

所述擠出機(jī)優(yōu)選為雙螺桿擠出機(jī)。

本發(fā)明的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料可應(yīng)用于3D打印中，具體為將本發(fā)明的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料加入到3D打印線條專(zhuān)用擠出機(jī)中，擠出，得到3D打印線材；再利用3D打印線材按照設(shè)計(jì)的支架模型進(jìn)行打印，得到復(fù)合支架。

本發(fā)明還提供一種基于上述聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料的骨組織工程支架。具體為：將本發(fā)明的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料加入到3D打印線條專(zhuān)用擠出機(jī)中，擠出，得到3D打印線材；再利用3D打印線材按照設(shè)計(jì)的骨組織工程支架模型進(jìn)行打印，得到骨組織工程支架。

所述擠出得到的線材直徑優(yōu)選控制為1.75±0.2mm。

所述模型優(yōu)選通過(guò)Solidworks軟件設(shè)計(jì)得到。

所述的模型優(yōu)選為三維多孔骨組織工程支架模型。

本發(fā)明的基于上述聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料的骨組織工程支架具有優(yōu)良力學(xué)性能和生物相容性，其結(jié)構(gòu)為以聚己內(nèi)酯為主體材料，具有成骨活性的牡蠣殼粉為增強(qiáng)相，具有較高的孔隙率和三維多孔連通的孔洞結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料采用具有良好力學(xué)性能及優(yōu)異加工成型性的聚己內(nèi)酯和具有成骨活性的牡蠣殼粉復(fù)合得到。將其應(yīng)用于3D打印中，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)骨缺損修復(fù)患者的需求，結(jié)合先進(jìn)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，不僅能建立適合不同患者，不同骨缺損部位，不同骨組織工程要求的三維支架模型，可控的孔道結(jié)構(gòu)和個(gè)性化設(shè)計(jì)的外形能很好的為骨組織的再生提供良好的支架環(huán)境，可以最大限度的模擬骨缺損修復(fù)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)快速精確制造，具有生產(chǎn)周期短，重復(fù)性好，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

(1)本發(fā)明將具有良好生物相容性、粒徑合適、具有高比表面積和成骨活性的生物填料牡蠣殼粉，與生物可降解性材料聚己內(nèi)酯復(fù)合，改善了聚己內(nèi)酯材料的生物活性，使復(fù)合支架具有良好的成骨活性，適合用于骨缺損修復(fù)治療。

(2)本發(fā)明采用3D打印技術(shù)制備聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合材料骨組織工程支架，通過(guò)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)骨缺損修復(fù)患者的需求，結(jié)合先進(jìn)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，建立適合不同患者，不同骨缺損部位，不同骨組織工程要求的三維支架模型，可控的孔道結(jié)構(gòu)和個(gè)性化設(shè)計(jì)的外形能很好的為骨組織的再生提供良好的支架環(huán)境，可以最大限度的模擬骨缺損修復(fù)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)快速精確制造，具有生產(chǎn)周期短，重復(fù)性好，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。3D打印還可以通過(guò)設(shè)置不同的打印參數(shù)(打印溫度、擠料速度、打印速度、打印頭直徑等)準(zhǔn)確控制支架的外形，孔徑，孔隙率，有利于細(xì)胞的粘附、增殖和分化，提高復(fù)合支架的生物活性和成骨效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明制備的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合多孔支架設(shè)計(jì)圖。

圖2為本發(fā)明制備的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合多孔支架的實(shí)物圖。

圖3為本發(fā)明制備的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合多孔支架掃描電鏡圖。

圖4為本發(fā)明制備的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合多孔支架斷面掃描電鏡圖。

圖5為本發(fā)明制備的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉打印線材實(shí)物圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

下列實(shí)施例中使用的材料均可從商業(yè)渠道獲得。

牡蠣殼粉的制備方法如下：稱(chēng)取一定量的電白牡蠣殼，去除粘附物和殘余肉質(zhì)，清洗干凈后，用5wt％的氫氧化鈉溶液浸泡48小時(shí)，然后用超聲波震蕩10～20分鐘，去除表面的角質(zhì)層和棱柱層，放在100℃烘箱烘干得到粗處理的牡蠣殼。將粗處理的牡蠣殼放入行星球磨機(jī)中研磨24小時(shí)(以氧化鋯為球磨介質(zhì)，球料比為6:1，轉(zhuǎn)速設(shè)置為100rpm)，得到粗制牡蠣殼粉。將獲得的粗制牡蠣殼粉用蒸餾水按0.5Kg/L的比例配成漿后用高速乳化剪切機(jī)(轉(zhuǎn)速2500rpm)研磨8小時(shí)。最后將漿液過(guò)濾，烘干，再用行星球磨機(jī)研磨12小時(shí)(以氧化鋯為球磨介質(zhì)，球料比為6:1，轉(zhuǎn)速設(shè)置為100rpm)，研磨后將粉末過(guò)200～300目篩，未能過(guò)篩的重復(fù)研磨過(guò)篩，得到精制牡蠣殼粉。

實(shí)施例1

一種3D打印技術(shù)制備聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合三維多孔骨組織工程支架，包括以下步驟：

1)將聚己內(nèi)酯(分子量為6～8萬(wàn)，熔點(diǎn)60～65℃)和牡蠣殼粉在40℃的干燥箱內(nèi)干燥24小時(shí)，備用。

2)稱(chēng)取190g聚己內(nèi)酯顆粒和10g牡蠣殼粉，機(jī)械混合均勻后，加入到雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)料筒內(nèi)，以40rpm/min的喂料速度投料到雙螺桿擠出機(jī)中擠出，雙螺桿擠出機(jī)參數(shù)設(shè)置為：一區(qū)：75℃，二區(qū)：90℃，三區(qū)：110℃，四區(qū)：90℃，五區(qū)：80℃，擠出速度：90rpm/min。

3)采用前段水冷后段風(fēng)冷的方式對(duì)擠出樣條進(jìn)行冷卻定型，水溫為室溫。

4)對(duì)上述擠出樣條進(jìn)行造粒，造好的粒料充分烘干備用。

5)將粒料投放到3D打印線材專(zhuān)用擠出機(jī)加工成細(xì)絲，擠出溫度為80℃，得到直徑為1.75±0.2mm的3D打印線材，如圖5所示。

6)用Solidworks軟件設(shè)計(jì)三維多孔骨組織工程支架模型，如圖1所示。

7)將步驟5)得到的打印線材經(jīng)由3D打印機(jī)打印出計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)步驟6)的復(fù)合支架，3D打印機(jī)打印參數(shù)設(shè)置如下：打印溫度：110℃，熱床溫度：37℃，擠出頭移動(dòng)速度：50rpm/min，擠出速度：120rpm/min。得到含有5％牡蠣殼粉的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合三維多孔骨組織工程支架，如圖2～4所示。

實(shí)施例2

一種3D打印技術(shù)制備聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合三維多孔骨組織工程支架，包括以下步驟：

1)將聚己內(nèi)酯(分子量為6～8萬(wàn)，熔點(diǎn)60～65℃)和牡蠣殼粉在40℃的干燥箱內(nèi)干燥24小時(shí)，備用。

2)稱(chēng)取160g聚己內(nèi)酯顆粒和40g牡蠣殼粉，機(jī)械混合均勻后，加入到雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)料筒內(nèi)，以40rpm/min的喂料速度投料到雙螺桿擠出機(jī)中擠出，雙螺桿擠出機(jī)參數(shù)設(shè)置為：一區(qū)：75℃，二區(qū)：90℃，三區(qū)：110℃，四區(qū)：90℃，五區(qū)：80℃，擠出速度：90rpm/min。

3)采用前段水冷后段風(fēng)冷的方式對(duì)擠出樣條進(jìn)行冷卻定型，水溫為室溫。

4)對(duì)上述擠出樣條進(jìn)行造粒，造好的粒料充分烘干備用。

5)將粒料投放到3D打印線材專(zhuān)用擠出機(jī)加工成細(xì)絲，擠出溫度為80℃，得到直徑為1.75±0.2mm的3D打印線材。

6)用Solidworks軟件設(shè)計(jì)三維多孔骨組織工程支架模型，如附圖1所示。

7)將步驟5)得到的打印線材經(jīng)由3D打印機(jī)打印出計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的復(fù)合支架，3D打印機(jī)打印參數(shù)設(shè)置如下：打印溫度：110℃，熱床溫度：37℃，擠出頭移動(dòng)速度：50rpm/min，擠出速度：120rpm/min。得到含有20％牡蠣殼粉的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合三維多孔骨組織工程支架。

實(shí)施例3

一種3D打印技術(shù)制備聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合三維多孔骨組織工程支架，包括以下步驟：

1)將聚己內(nèi)酯(分子量為6～8萬(wàn)，熔點(diǎn)60～65℃)和牡蠣殼粉在40℃的干燥箱內(nèi)干燥24小時(shí)，備用。

2)稱(chēng)取170g聚己內(nèi)酯顆粒和30g牡蠣殼粉，機(jī)械混合均勻后，加入到雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)料筒內(nèi)，以40rpm/min的喂料速度投料到雙螺桿擠出機(jī)中擠出，雙螺桿擠出機(jī)參數(shù)設(shè)置為：一區(qū)：75℃，二區(qū)：90℃，三區(qū)：110℃，四區(qū)：90℃，五區(qū)：80℃，擠出速度：90rpm/min。

3)采用前段水冷后段風(fēng)冷的方式對(duì)擠出樣條進(jìn)行冷卻定型，水溫為室溫。

4)對(duì)上述擠出樣條進(jìn)行造粒，造好的粒料充分烘干備用。

5)將粒料投放到3D打印線材專(zhuān)用擠出機(jī)加工成細(xì)絲，擠出溫度為80℃，得到直徑為1.75±0.2mm的3D打印線材。

6)用Solidworks軟件設(shè)計(jì)三維多孔骨組織工程支架模型，如附圖1所示。

7)將步驟5)得到的打印線材經(jīng)由3D打印機(jī)打印出計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的復(fù)合支架，3D打印機(jī)打印參數(shù)設(shè)置如下：打印溫度：110℃，熱床溫度：37℃，擠出頭移動(dòng)速度：50rpm/min，擠出速度：120rpm/min。得到含有15％牡蠣殼粉的聚己內(nèi)酯/牡蠣殼粉復(fù)合三維多孔骨組織工程支架。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。