一种生物支架材料、3D打印支架及制备方法

本发明涉及生物医药领域中应用的组织修复支架，尤其涉及一种生物支架材料、3d打印支架及制备方法。

背景技术：

1、每年约有几百万手术涉及组织的填充和修复。当前先进的支架设计技术、生物活性因子及细胞培养技术预示组织工程有着成功的前景。作为三要素之一，支架是组织工程的重要组成部分，其核心是能通过模拟细胞外基质（如机械支撑、细胞活性和通过生物化学和机械相互作用产生的蛋白质），为细胞附着和刺激骨组织形成提供模板。在再生修复的早期阶段，细胞附着在植入支架的边缘，逐步向内部增殖迁移矿化，贯通的孔允许营养物质和蛋白分子运输到支架的内部，以促进细胞的进入、血管化以及废物的清除。因此，结构精密设计的组织工程支架可更好地满足性能设计提出的要求。

2、此外，不同支架的材料特性影响着细胞的黏附增殖和分化，多孔材料的孔径大小、孔隙率和连通孔结构等结构因素和材料表面粗糙程度、化学组成、表面的亲疏水性、表面能和表面电荷等因素均影响新生组织的长入。自上世纪70年代，对于多孔生物材料就有大量的研究，其中主要包括陶瓷、聚合物和金属。在材料制备过程中，首先需要模拟骨的贯通多孔结构，以便血管长入达到良好的修复效果。对于多孔材料的制备，主要有静电纺丝技术、粒子致孔法、气体发泡法、冻干法、新兴的3d打印技术等。

3、3d打印技术可以轻松制造复杂结构的物品，并且过程简单，成本低廉；它能使复杂大部件一体化成型，无需组装，节省劳动力和运输成本；其设计空间无限，能突破传统加工的局限，开辟巨大的设计成型空间；3d打印机自动化程度高、所占空间少、制造能力更强；能最大化利用材料，更环保、更节约；它还能将不同颜色、性能的原材料直接融合在一起形成新的材料，使其具有独特的属性或功能；3d技术还具有精确的实体复制能力，可以通过扫描、编辑和复制实体对象，制造出精确的副本或者修复原样。目前，3d打印材料和工艺上的突破，使其具有更高的尺寸精度、更小的规模（如纳米级）和更快的速度。

4、此外，3d打印技术在医学中得到广泛应用。最近，在组织工程中，已经出现复杂结构的生物打印。其中包括自由形式的生物打印，如：highley等人开发了基于超分子组装的生物油墨和用于支撑的水凝胶，它们可以实现迅速的自我修复，利用此技术，可以通过调整参数，实现离散结构的3d打印。目前，也有高分辨率的3d打印技术出现，通过将静电纺丝技术与机器人相结合开发的，能在微观及纳米尺度上进行打印。此外，原位生物打印也发展较为迅速，li等人首先扫描出大段骨缺损的确切形状，然后利用海藻酸钠和水凝胶在原位直接快速打印。如果3d打印的结构可以随着时间（一般为外部刺激，如：酸碱度、温度、电、离子强度、光、磁场、压力、声波等）的变化而改变其形状或结构，我们则称之为4d打印。miao等人基于大豆油环氧化丙烯酸酯开发了一种具有形状记忆特性的材料，他们在18℃时将材料固定成临时形状，在37℃下完全恢复到原始状态。

5、虽然目前大量报道了各种3d打印新方法和新手段，也解决了不少问题，赋予了材料不少功能。但它的第一个绊脚石就是所需材料的限制。虽然高端的工业印刷可以实现部分塑料、金属和陶瓷的打印，但还没有达到成熟的水平，无法支持生活中各种各样的材料。目前，适用于3d打印的材料仅有200余种，且对于耐热性、灵活性、稳定性以及敏感性有着极高的要求。因此，为使3d打印技术应用范围更广，更好地造福人类，开发新的3d打印材料显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明提供了一种生物支架材料、3d打印支架及制备方法，以解决上述现有技术的不足，提供了在常温下呈流体状态，能充当3d打印“墨水”的材料，并且提供了该材料的制备方法，并获得了性能优异的3d打印生物支架。

2、为了实现本发明的目的，拟采用以下技术：

3、一种基于3d打印的生物支架材料，其在室温下为流体状态；

4、且以重量份数计，包括线性聚氨酯、羟基磷灰石、无机纳米填料、药物及溶剂；

5、羟基磷灰石占总质量的0—50wt%；

6、无机纳米填料占总质量的0—30wt%；

7、药物和溶剂的混合物占总质量的0—5wt%；

8、余量为线性聚氨酯；

9、更进一步地以重量份数计线性聚氨酯、羟基磷灰石、无机纳米填料、药物及溶剂的含量如下：

10、羟基磷灰石占总质量的30—45wt%；

11、无机纳米填料占总质量的10—20wt%；

12、药物和溶剂的混合物占总质量的2—5wt%；

13、余量为线性聚氨酯。

14、进一步地，线性聚氨酯由脂肪族二异氰酸酯的硬段材料与含有羟基的二醇类聚合物和/或嵌段共聚物的软段材料共同聚合而成，且线性聚氨酯的分子量为10000—100000，优选为30000—50000。

15、硬段材料中的异氰酸酯基与所述软段材料中的羟基的摩尔比为（2—4）：1；优选为（2—3）：1。

16、所述的硬段材料包括异佛尔酮二异氰酸酯，4,4'—二环己基甲烷二异氰酸酯，赖氨酸二异氰酸酯中的至少一种，优选为异佛尔酮二异氰酸酯。

17、所述的软段成分为分子量为1000—20000的线性二元醇，包括聚己内酯二醇、聚乳酸二醇、聚乙交酯二醇、聚乳酸—羟基乙酸共聚物二醇中的至少一种，优选分子量为2000的聚四氢呋喃醚二醇和/或聚己内酯二醇。

18、进一步地，羟基磷灰石包括普通羟基磷灰石，碳酸型羟基磷灰石、硅酸盐取代的羟基磷灰石。

19、羟基磷灰石为直径10—1000nm的球状；

20、粒径10—1000nm的粒状；

21、直径10—100nm、厚度10—50nm的片状；

22、直径10—100nm、长度10—500nm的棒状中的一种或多种纳米晶体。

23、进一步地，所述的无机纳米填料为粒径小于1000nm的二氧化硅及纳米钛酸钡，且粒径为100—500 nm。

24、进一步地，所述药物为去铁胺。

25、进一步地，所述的溶剂为去离子水、乙醇、三氯甲烷、三氟乙醇、氯仿、二氯甲烷、六氟异丙醇、四氢呋喃、丙酮、n,n—二甲基甲酰胺、n,n—二甲基乙酰胺中的至少一种，优选为乙醇。

26、进一步地，其表观粘度为100—1000pa·s，优选为150—500pa·s。

27、此外，提供了一种基于3d打印的生物支架材料制备方法，用于制备所述的基于3d打印的生物支架材料，包括步骤：

28、步骤a1，硬段材料和软段材料在氮气保护和60—110℃条件下搅拌反应2—6h；

29、步骤a2，加入所述软段材料摩尔质量1：（1—2）的扩链剂和所述软段材料质量的0.01—0.05wt%的催化剂反应1—5h；

30、所述的扩链剂为赖氨酸乙酯二盐酸盐，1,4—丁二醇，乙二醇和1,6—己二醇中的至少一种。所述的催化剂为二月桂酸二丁基锡，辛酸亚锡和氯化亚锡中的至少一种。步骤a3，加入0.1—1ml去离子水并在90—110℃的条件下发泡反应2—24h，并获得发泡聚氨酯；

31、步骤a4，将发泡聚氨酯裁剪为粒状，干燥后投入至溶剂中，以使粒状发泡聚氨酯溶解于溶剂中；

32、步骤a5，对羟基磷灰石和无机纳米填料分别采用硅烷偶联剂在90—110℃下处理2—5h；

33、所述硅烷偶联剂的通式为rsix3，式中r代表氨基、疏基、乙烯基、环氧基、氰基及甲基丙烯酰氧基等基团，x代表能水解的基团，如卤素、烷氧基、酰氧基等；

34、步骤a6，将羟基磷灰石、无机纳米填料加入步骤a4所得的溶液中并通过超声分散；

35、步骤a7，将药物加入至加入步骤a5所得的溶液中，待其溶解获得生物支架制备材料。

36、此外，又提供了一种基于3d打印的生物支架，采用所述的基于3d打印的生物支架材料并采用沉积3d打印的方式制备而成的有序多孔支架。

37、所述的有序多孔支架具有孔径50—1000μm的纵向贯通孔和10—1000μm的横向贯通孔。

38、所述的有序多孔支架材料为密度50—100kg/m3，孔隙率0—90%，压缩强度0.5—5mpa的弹性材料。

39、此外，还提供了一种基于3d打印的生物支架的制备方法，将所述的基于3d打印的生物支架材料加入至3d打印机料筒内，通过3d打印机进行生物支架的制备，制备时，以装有用于置换固化生物支架材料溶剂的容器接收制备而成的支架，且运行参数为：

40、打印模型层高为0.1—1mm，优选为0.2—0.3mm；

41、打印丝直径为0.21—1mm，优选为0.21—0.36mm；

42、打印丝间距为0—1mm，优选为0.4—0.7mm；

43、打印机针头压强为1—5mpa；

44、针头运行速度为0.1—8mm/s，优选为2—3mm/s；

45、浆料仓温度为0—60℃，优选为40—50℃；

46、接收平板温度为-10—50℃，优选为30—40℃；

47、环境温度为10—40℃，优选温度为25℃；

48、相对湿度为20—70%，优选相对湿度为30—50%。

49、3d打印的生物支架材料的丝直径与打印过程中所采用的的针头、打印速度和所施加的气压有直接关系。例如，对于生物支架的打印，采用针尖直径为0.21 mm的针头进行打印，当设置打印速度为4 mm/s，对料筒施加5 mpa的压强时，得到3d打印丝直径为0.2—0.22mm。而设置打印速度为6 mm/s，对料筒施加4 mpa的压强时，得到3d打印丝直径为0.15—0.17 mm。但为保证丝的连续性和打印过程的流畅，对于生物支架材料，需调节相应的打印速度和施加的气压，以保证3d打印丝的直径为针头的0.7—0.9倍。3d打印过程中设置的层高也与3d打印丝直径有直接关系，在打印过程中需保持相邻两层丝之间重合20%—50%。重合的比例越高则意味着所成型的支架孔隙率越低，压缩强度则更高。3d打印丝之间的间距根据3d打印丝直径进行调节，需保证纵向孔径在0.3—1mm之间。

50、上述技术方案的优点在于：

51、本发明所提供的生物支架材料能够充当3d打印时的“墨水”，从而方便进行3d打印操作。本发明所提供的通过3d打印而成的生物支架为有序多孔支架，其具有具有孔径50—1000μm的纵向贯通孔和10—1000μm的横向贯通孔。