一種生物基骨骼工程復材與3D列印膠條及其製品的製作方法

2023-04-25 00:40:16

本發明屬於工程材料的製備領域，涉及一種生物基質高分子復材及其製品的製造方法，具體為一種生物基骨骼工程復材與3d列印膠條及其製品。

背景技術：

由於全世界醫療技術提升及人口快速老化，導致人工骨頭與植入物需求比例越來越高，組織工程學也因此漸漸開始受到重視，由此可見生醫產業在未來的重要性，根據英國dra統計醫療用骨材之總產值已超過120億美金，隨著國內外醫療材料產品發展趨勢的演變，人們對醫療質量越來越重視，未來醫療用骨材產品的需求將會大幅成長。組織工程的概念就是以人工製成的天然或合成器官或組織來取代、修復人體受損處，目前組織工程的做法是由人體取出目標細胞後，在體外培養直到細胞成長到足夠的量，再將細胞種入人工支架上形成特定形狀的組織或器官，最後將人工組織移植到人體受損處，使其修復、恢復原本的功能。

早期治療骨折或骨缺損的內植材料是金屬(如鋼釘、鋼骨架)，在骨骼癒合後必須再次取出，使病人有再次疼痛的傷害，增加手術病菌感染率，金屬內值材料可能導致骨質變差、骨萎縮而影響骨癒合後的機械強度，或對周圍組織產生刺激而造成溶骨的情形。

聚乳酸為生物無毒性並可被人體細胞組織吸收，其優良的物理機械性能，可應用人造骨折內固定材料材料，聚乳酸有非常高的力學性能，在歐美國家已被用來替代不鏽鋼釘、鋼架，作為新型的骨科、牙科內固定材料如骨釘、骨板，其可被人體吸收代謝的特性使病人免於第二次開刀之痛苦。

魚鱗是由一層鈣質組成的堅韌外骨骼，約佔魚體總重的1-5％，其中最主要的成分為氫氧基磷灰石和膠原蛋白，還有一些少量羥脯胺酸和微量金屬元素，其也含有豐富的蛋白質、多種維生素,並且也含鐵、鋅、鎂、鈣和多種人體必需的微量元素,以及膠質，但卻通常被當作廢棄物丟掉，無疑是浪費資源，其魚鱗本身的主要成份，和骨骼成份極為類似，有鑑於聚乳酸高分子並無修復骨骼的功能。

技術實現要素：

本發明基於以上技術問題，提供一種生物基骨骼工程復材與3d列印膠條及其製品。本生物基質復材可使廢棄物回收再利用，以達到節能減碳的目的，減少資源浪費，更可以解決廢棄物堆積、發臭的問題。

本發明的具體技術方案如下：

一種生物基骨骼工程復材，其包括以下質量百分含量的原料：

魚鱗粉或魚鱗凝膠0.1-50％，聚乳酸50-99.9％，總質量百分含量為100％。

該生物基骨骼工程復材還包括以下組分中的任意一種或幾種的組合，兼容劑、潤滑劑、增韌劑和增塑劑；以(魚鱗粉或魚鱗凝膠)和聚乳酸的總質量計，兼容劑的添加量為0.1-20％；潤滑劑的添加量為0.1-4％；增韌劑的添加量為0.1-20％；塑化劑的添加量為0.3-12％。

所述的兼容劑包括高分子型兼容劑或低分子型兼容劑；其中高分子型兼容劑包括非反應型兼容劑或反應性兼容劑；低分子型兼容劑選自環狀酸酐型、一般酸酐型、羧酸型、環氧型、羥基型、環氧型反應型、鈦酸酯型、矽烷型、惡唑啉型、醯亞胺型和異氰酸酯型中的任意一種或幾種的混合物，醯亞胺型為改性聚丙烯酸酯。若採用高分子型兼容劑，添加量為0.5-20％；若採用低分子型兼容劑，添加量為0.1-3.5％。

所述的增塑劑選自檸檬酸酯類、環氧類、偏苯三酸酯類、均苯四酸四辛酯(topm)、二甘醇二苯甲酸酯(dedb)和二丙二醇二苯甲酸酯(dpgdb)中的一種或幾種的混合物，其中，檸檬酸酯類包括檸檬酸三丁酯(tbc)或乙醯檸檬酸三丁酯(atbc)，環氧類為環氧大豆油。

所述的增韌劑包括高分子增韌劑和低分子增韌劑，其中，高分子增韌劑選自生物可分解高分子及其它可生物可分解高分子；生物可分解高分子包括聚酯內酯(plc)、聚丁二酸丁二醇酯(pbs)、聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯(pbat)、聚-β-羥丁酸(phb)、聚3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯(phbv)；低分子增韌劑選自dupontbiomaxstrong，basfadr4370f或其它廠家生產的用於pla增韌添加劑。若採用低分子型增韌劑，添加量為0.01-2％，若採用高分子型增韌劑，添加量為0.5-20％。

一種生物基骨骼工程復材的製備方法，其包括以下步驟：

1)將魚鱗經清洗、除去雜質後烘乾或鍛燒，並粉碎研磨成粉體，或以溶劑法溶解後製備成魚鱗凝膠；所述魚鱗粉的粒徑為5nm-10μm。

2)以混合機具將魚鱗粉或魚鱗凝膠作為添加劑或填充物與聚乳酸進行融熔摻混加工，或以溶劑溶解溼式摻混加工製備出生物基骨骼工程復材，或製備為3d列印膠條。

所述生物基骨骼工程復材的製備方法還包括步驟3)以成型設備(注塑機、三d列印設備)，製成骨骼工程應用產品(骨釘、骨板、骨支架，及其它骨骼工程與牙齒工程應用產品)。所述的成型設備為注塑機或三d列印設備。

所述的摻混加工為融熔摻混加工，其融熔摻混加工的混合機具溫度為150-220℃，摻混加工的混合機具螺杆轉速為20-1000rpm。

所述的摻混加工為溶劑溶解溼式摻混加工，溶劑溼式摻混加工的混合機具溫度為20-150℃，溶劑溼式摻混加工的混合機具螺杆轉速為10-2000rpm，溶劑為氯仿、四氯化碳、二氯甲烷、滷三氯甲烷、四氫呋喃、1,4-二氧六環和丙酮中的任意兩種或兩種以上的混合溶劑。

本發明的積極效果體現在：

(一)根據本方法製備得到的生物基骨骼工程復材及其製品，不僅對環境無害，並且可將廢棄物回收，環保。

(二)成本低廉，能響應國家所推動的環保節能和減碳政策，故本發明具有其節能減碳價值。

(三)本申請添加魚鱗粉或魚鱗凝膠為填充材，其特色為在體內可被生物分解，有良好生物兼容性，此外由於魚鱗主要成份和骨骼、牙齒成份相似，可以修復被破壞的骨、牙組織，如此一來除了可解決傳統植入物金屬材料需要二次開刀取出的問題，也可以協助骨、牙組織的成長和修復。

附圖說明

圖1為本發明中採用魚鱗製備成魚鱗粉與聚乳酸利用融熔摻混加工方法製備生物基骨骼工程復材的流程示意圖。

圖2為本發明中採用魚鱗製備成魚鱗凝膠與聚乳酸利用融熔摻混加工方法製備生物基骨骼工程復材的流程示意圖。

圖3為本發明中採用魚鱗製備成魚鱗粉與聚乳酸利用溶劑溼式摻混製備方法製備生物基骨骼工程復材的流程示意圖。

圖4為本發明中採用魚鱗製備成魚鱗凝膠與聚乳酸利用溶劑溼式摻混製備方法製備生物基骨骼工程復材的流程示意圖。

圖5為恆溫溫度於110℃的結晶速率圖。

其中，魚鱗(1)、生物基材粉體(2)、生物基材凝膠(21)、聚乳酸(3)、生物基質復材(4)、骨骼工程應用產品(5)、溶劑(6)、清洗、除去雜質(100)、烘乾或鍛燒(200)、溶解(210)、研磨(300)、融熔摻混(400)、溶劑溼式摻混(410)、加工成型(500)。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合具體實施方式對本發明作進一步的詳細描述，但不應將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於下述實施例。在不脫離本發明上述技術思想情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發明的範圍內。

本申請文件中，％如無特殊說明，均表示以魚鱗粉和pla的總質量計，其所佔的wt％；或以魚鱗鱗膠和pla的總質量計，其所佔的wt％。

對比例1：

如圖1所示，一種生物基骨骼工程復材的製備方法，包括以下步驟：

(1)將魚鱗片，經清洗、除去雜質後烘乾並粉碎研磨成形成魚鱗粉，該魚鱗粉的粒徑為10μm；

(2)將製備好的魚鱗粉末與pla置於80℃的溫度下進行真空烘箱乾燥，然後將魚鱗粉按不同比例與pla分別進行摻混，利用混合機械，將該魚鱗粉及聚乳酸按比例進行融熔摻混加工方法製備出生物基質復材，其中，該混合機具溫度為180℃～190℃，且該混合機具中螺杆轉速係為150rpm；

按照以上步驟，採用不同的處理方式，分別得到不同的復材樣品，標記為復材1、復材2、復材3，復材4，復材5和復材6。具體處理方法為：

處理1，魚鱗粉的添加量為5％，餘量為pla。

處理2，魚鱗粉的添加量為10％，餘量為pla。

處理3，魚鱗粉的添加量為20％，餘量為pla。

處理4，魚鱗粉的添加量為30％，餘量為pla。

處理5，魚鱗粉的添加量為40％，餘量為pla。

處理6，魚鱗粉的添加量為50％，餘量為pla。

將製備得到的材料以拉伸試驗機測試其機械性質，其結果列於表一左欄所示。

試驗1：進一步考察兼容劑的作用。

具體方法為：方法和參數均採用對比例1的方式進行，但是在第(2)步進行融熔摻混加工的時候，加入佔物質(魚鱗粉和pla總質量)質量百分含量1wt％的低分子的兼容劑(矽烷偶聯劑)，使其一起進行融熔摻混加工，分別製備得到復材1′-6′，將製備得到的材料以拉伸試驗機測試其機械性質，其結果列於表一中間欄所示。

進一步的，將添加1wt％低分子的兼容劑(矽烷偶聯劑)換為20wt％的高分子兼容劑(馬來酸酐接枝聚乳酸pla-g-mah)，分別製備得到復材1″-6″，將製備得到的材料以拉伸試驗機測試其機械性質，其結果列於表一右欄所示。

表一

如表一所示，當魚鱗粉的添加量越多時，不含兼容劑者的機械性質較差，但添加兼容劑後，機械性質可明顯改善。

進一步的，將由以上方法製備得到的復材樣品熱壓成膜後，進行wistar大鼠成骨細胞在材料表面的黏附實驗，分別將復材3′，復材3″、復材6′和復材6″的復材接種成骨細胞，接種後的第3天取樣並用mtt法測試。其所得成骨細胞在增殖後的od值數據如表二。

表二

從表二中可以得知，由以上方法製備得到的復材，其成骨細胞的增殖數較純pla為高，這是由於魚鱗粉中的成份和骨骼相似，有助於骨細胞的成長。

實施例1：

一種生物基骨骼工程復材的製備方法，包括以下步驟：

(1)將魚鱗片，經清洗、除去雜質後以氫氧化鈉水溶液浸泡24小時，將魚鱗再次清洗乾淨(使ph值到接近中性)，於850℃的條件下高溫鍛燒，將鍛燒後的魚鱗磨碎至小於18萬mesh(0.1μm)以下。

(2)生物基骨骼工程復材的製備

將製備好的魚鱗粉與pla置於80℃真空烘箱乾燥，然後魚鱗粉末(0.1μm以下)依不同比例(0.1％、0.5％、1％、5％、10％、20％、30％、40％)摻混入至然後將魚鱗粉與pla進行摻混，加工溫度為180-200℃，混練加工分別得到樣品標記為復材7、復材8、復材9，復材10，復材11、復材12、復材13和復材14。將製備得到的材料進行機械性質測試，測試結果分別如表三所示：

試驗2：進一步考察兼容劑的作用。

具體方法為：①方法和參數均採用實施例1的方式進行，但是在第(2)步進行融熔摻混加工的時候，加入佔物質(魚鱗粉和pla總質量)質量百分含量1wt％的低分子的兼容劑(矽烷偶聯劑)，使其一起進行融熔摻混加工，分別得到復材7′-14′，將製備得到的材料以拉伸試驗機測試其機械性質，其結果列於表三所示。

②將添加1wt％低分子的兼容劑(矽烷偶聯劑)換為15wt％的高分子兼容劑(馬來酸酐接枝聚乳酸pla-g-mah)，分別製備得到復材7″-14″。將製備得到的材料以拉伸試驗機測試其機械性質，其結果列於表三所示。

表三

如表三所示，兼容劑的添加量對機械性能的改善具有幫助，尤其是當魚鱗粉的添加量越多時，不含兼容劑者的機械性質較差，但添加兼容劑後，機械性質可明顯改善。

如圖5中所示，為恆溫溫度於110℃的結晶速率圖，純pla的結晶速率非常慢，即使經過3分鐘，pla尚未開始結晶，當添加魚鱗粉後(樣品12)，其結晶速率大幅提升至，2分多鐘後即完成結晶。另外，由圖中亦可發現當添加兼容劑後(樣品12′與樣品12″),其結晶速率比未添加兼容劑更快。

進一步的，生物基骨骼工程復材的3d製品應用：

將以上方法製備得到的復材12′、復材14′、復材12″和復材14″分別經混練機具擠出後用牽引機牽伸，製成用於3d列印的膠條12′、膠條14′、膠條12″和膠條14″。

進一步的，另取復材12′、復材14′、復材12″和復材14″分別經混練機具擠出後用牽引機牽伸，在製成用於3d列印的膠條的過程中，向其中加入佔魚鱗粉和pla總質量2％的潤滑劑(石蠟)，18％的增韌劑pbat和3％的增塑劑atbc，一起摻混入加工，加工溫度為180-200℃，分別經混練機具擠出後用牽引機牽伸，製成用於3d列印的膠條，分別得到膠條15′、膠條16′、膠條15″和膠條16″。將此膠條熱壓成膜後，進行wistar大鼠成骨細胞在材料表面的黏附實驗，分別於接種後的第3天取樣用mtt法測試。其所得成骨細胞在增殖後的od值數據如表四：

表四

從表四中可以得知，和表二的趨勢一樣，當復材中的魚鱗粉含量增加，其成骨細胞的增殖數也愈高。此外可以發現，同樣魚鱗粉含量20％，膠條12′、膠條15′比復材3的成骨細胞增殖數也愈高，這是由於膠條12′、膠條15′中的魚鱗粉的粒徑較小，其魚鱗粉的比表面積要比復材3復材中的魚鱗粉要大許多。從表四可知，兼容劑添加對成骨細胞影響不大(因為低毒性)，但是都比純pla都要好。

實施例3：

一種生物基骨骼工程復材的製備方法，包括以下步驟：

(一)魚鱗粉的製備

魚鱗的選擇→經清洗乾淨→除去雜質後→以氫氧化鈉水溶液浸泡24小時→將魚鱗再次清洗乾淨(使ph值到接近中性)→於850℃的條件下高溫鍛燒。

→然後將鍛燒後的魚鱗研磨控制小於180萬mesh(0.01μm)以下。

(二)生物基骨骼工程復材的製備

將製備好的魚鱗粉與pla置於80℃真空烘箱乾燥，水分含量為200ppm以下，然後將魚鱗粉末(0.01μm以下)依不同比例0.1％至10％(0.1％、0.5％、1％、5％、10％)摻混入與pla進行摻混，總質量百分含量為100％。在摻混的同時，額外添加佔魚鱗粉與pla總質量1％的塑化劑(atbc)，分別得復材17-21。

進一步考察低分子兼容劑的影響，即採用以上方法和步驟，僅改變在摻混的過程中，另外添加佔魚鱗粉和pla總質量0.5％的低分子的兼容劑(矽烷偶聯劑)，得復材17′-21′。

再考察高分子兼容劑的影響：即採用以上方法和步驟，僅改變在摻混的過程中，另外添加佔魚鱗粉和pla總質量5％的高分子兼容劑(pla-g-mah)，得復材17″-21″。

以上實驗摻混加工溫度均為175-195℃,之後將組成物以相同的製程處理。所得到的材料進行機械性質測試，測試結果分別如表五中欄與右欄所示。

表五

(三)生物基骨骼工程復材的3d製品應用

分別將採用以上方法製備得到的復材樣品18(0.5％)和復材樣品21(10％)進一步經混練機具擠出後用牽引機牽伸，分別製成用於3d列印的膠條18和21。

另外，將復材樣品18(0.5％)和復材樣品21(10％)，分別添加2.5％的潤滑劑，0.2％的低分子增韌劑(dupontbiomaxstrong)，11％的塑化劑(atbc)，摻混加工溫度為165-185℃，分別製備得到膠條22和23。將此膠條熱壓成膜後，進行wistar大鼠成骨細胞在材料表面的黏附實驗，分別於接種後的第3天取樣用mtt法測試。其所得成骨細胞在增殖後的od值數據如表六

表六

從表六中可以得知其成果細胞增長的趨勢，和表二、表四一樣，當復材中的魚鱗粉含量增加，其成骨細胞的成長數量也愈高。並且從表中可以發現，其復材21，膠條23中魚鱗粉含量雖然只有10％，其細胞的增長數和復材12、復材15中魚鱗粉含量20％的相近，這是由於製備膠條前的復材21、復材23中的魚鱗粉的粒徑更小，因此其復材21、復材23中魚鱗粉的比表面積要比復材12、復材15中的魚鱗粉要更大。

實施例4：

(一)魚鱗凝膠的製備

魚鱗的選擇→經清洗乾淨→除去雜質後→以檸檬酸水溶液(濃度為0.5m)浸泡24-48小時→此時魚鱗凝膠化→將懸浮雜質撈除後備用。

(二)生物基骨骼工程復材的製備

先將9gpla與1g高分子兼容劑(pla-g-mah)以100g氯仿溶解成pla溶液，然後將魚鱗凝膠按不同比例(0.1％、0.5％、5％、10％)與pla進行摻混，經溼式混練加工製備，分別得到復材24-27，混煉溫度為120-150℃。將所得到的復材進行機械性質測試，測試結果如表七。

表七

進行wistar大鼠成骨細胞在材料表面的黏附實驗，將復材25與27分別於接種後的第3天取樣用mtt法測試。其所得成骨細胞在增殖後的od值數據如表八

表八

從表八中可以得知，當復材中的魚鱗粉含量增加，其成骨細胞的成長數量也較高。但其樣品27復材成骨細胞增長數量卻比樣品21、23更小。這是凝膠化後的魚鱗中的某些成份被些微的破壞而導致。

實施例5：

(一)魚鱗粉的製備

魚鱗的選擇→經清洗乾淨→除去雜質後→以氫氧化鈉水溶液(1.5wt％)浸泡24小時→將魚鱗再次清洗乾淨(使ph值到接近中性)→高溫鍛燒(850℃)→然後將鍛燒後的魚鱗研磨，使粒徑小於180萬mesh(0.01μm)。

(二)生物基骨骼工程複合薄膜的製備

將製備好的魚鱗粉與pla置於80℃真空烘箱乾燥，然後將pla以及10wt％的高分子兼容劑(pla-g-mah)都以氯仿溶解成pla溶液，然後魚鱗粉依不同比例0.5％至10％摻混入至pla溶液，在室溫下進行攪拌，形成組成物。之後將組成物以相同的製程處理。所得到的材料進行機械性質測試，測試結果分別如表一右欄所示。

然後以刮刀製成溼式膜，然後放置於105℃烘箱製備成緻密薄膜，亦可將溼式膜置於水中24小時製備成多孔薄膜。所得到的緻密薄膜材料進行機械性質測試，測試結果如表九。

表九

進行wistar大鼠成骨細胞在材料表面的黏附實驗，將樣品25與27分別於接種後的第3天取樣用mtt法測試。其所得成骨細胞在增殖後的od值數據如表十

表十

從表八及表十中可以得知當復材中的魚鱗粉含量增加，其成骨細胞的成長數量也較高。其樣品32復材(10％)成骨細胞增長數量和樣品21、23復材(10％)相近。這是由於其三種樣品中的魚鱗粉末的粒徑相同。