一種3D列印有機無機複合醫用材料及其製備方法、列印方法與流程

2023-12-06 00:17:06 2

本發明涉及複合材料領域，尤其涉及一種3D列印有機無機複合醫用材料及其製備方法、列印方法。

背景技術：

3D列印技術是一種特殊的列印技術，它以模型的空間數據為基礎，以金屬或粉末等可粘合材料，通過層層列印堆疊起來，最終「列印」出和電腦中模型一樣比例的立體模型。3D列印技術最早出現於上世紀80年代末，在2010年以後開始逐漸成熟並迅速風靡全球，而進入中國市場後也因其方便潮流的特色而迅速受到廣大消費者的歡迎。從普通的卡通人物、沙盤等模型或藝術品，到列印汽車、飛機等交通工具，甚至使用人體細胞列印出正常的肝臟組織，3D列印的身影出現在任何我們可以想像的地方。

而近幾年使用醫用納米材料進行3D列印的研究和產業化也逐漸收到廣大科研工作者的青睞。骨修復材料就是其中最具發展前景的一個應用領域。顧名思義，骨修復材料是在輔助人體骨骼重建和修復過程中引入的骨骼模具，通過在人體中植入骨修復材料，可以幫助人們更好的重建骨骼形態和結構，在顱骨、腿骨、椎骨等臨床病症中的應用十分廣泛。傳統的骨修復材料一般以醫用級肽金屬製成肽網和鈦釘來促進骨骼修復，手術過程比較痛苦，修復效果也不盡人意，會留下後遺症。

隨著納米技術的發展，現在科研工作者嘗試著使用納米骨修復材料為原料，同時依照以患者的個人需求設計出最合適的模型，最後用3D印表機列印出特定形貌的醫用級骨修復材料，從而滿足對患者個性化治療的目的。用於3D印表機的醫用級骨修復複合材料要求具有較好的力學性能以及生物相容性。然而，目前適合的醫用級骨修復材料依然還很少見。

技術實現要素：

本發明的目的之一是提供一種3D列印有機無機複合醫用材料。本發明的複合材料具有優異的生物相容性以及可降解性能，並且可以流暢的進行3D列印，結構多樣化的骨組織支架，可很好的應用於醫用級骨修復3D列印中。

為達上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種3D列印有機無機複合醫用材料，原料按重量百分比主要含有以下組分：羥基磷灰石(HAp)40-95％，例如為42％、47％、51％、56％、59％、63％、67％、70％、74％、78％、81％、84％、88％、93％等，聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)5-60％，例如為6％、9％、12％、16％、19％、22％、24％、29％、33％、37％、42％、47％、51％、56％、59％等，上述兩種原料的質量百分比之和≤100％。

作為優選，原料按重量百分比主要含有以下組分：羥基磷灰石(HAp)60-90％，聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)10-40％，上述兩種原料的質量百分比之和≤100％。

本發明提供的材料可在常溫列印，對於列印的環境要求不高，同時複合材料具有較好的力學性能以及生物相容性。本發明提供的材料可用於骨缺損修復，藥物載體，基礎醫學研究等方面。

本發明提供的材料既解決了HAp複合材料在常溫下的使用，又保持了複合材料在常溫下的性能。

本發明的目的之一還在於提供本發明所述的複合醫用材料的製備方法，包括如下步驟：

(1)將聚乳酸-羥基乙酸共聚物加入到羥基磷灰石的CHCl3懸濁液中混合；

(2)將步驟(1)所得混合液加熱使CHCl3快速蒸發即得所述複合醫用材料。

作為優選，步驟(1)中羥基磷灰石與聚乳酸-羥基乙酸共聚物的質量比為0.5-20:1，例如為0.8:1、1.3:1、1.8:1、2.5:1、4:1、6:1、8:1、11:1、14:1、17:1等，優選為1.5～9:1。

作為優選，步驟(1)中羥基磷灰石的CHCl3懸濁液中羥基磷灰石的質量濃度為2～25％，例如為4％、8％、12％、16％、19％、22％、24％等。

作為優選，步驟(1)中羥基磷灰石的CHCl3懸濁液的配製方法為：將羥基磷灰石加入到三氯甲烷中，在18～30℃，例如為20℃、23℃、26℃、29℃等下攪拌混合。

優選地，所述攪拌使用恆溫磁力攪拌器進行。

優選地，所述攪拌混合的時間為5min以上，例如為8min、12min、16min、20min、25min、32min、38min、45min等，優選為10～30min。

優選地，所述攪拌時的轉速為300～800rpm。

作為優選，步驟(1)中將聚乳酸-羥基乙酸共聚物加入到羥基磷灰石的CHCl3懸濁液中混合通過攪拌進行。

優選地，在18～30℃，例如為20℃、23℃、26℃、29℃等下攪拌30min以上，例如為38min、42min、46min、50min、55min、62min、68min、75min、90min、120min、150min、175min、200min等，優選為60～180min，使聚乳酸-羥基乙酸共聚物充分溶解。

作為優選，步驟(2)中加熱時繼續攪拌，優選攪拌的時間為30min以上，例如為38min、42min、46min、50min、55min、62min、68min、75min、90min、120min、150min、175min、200min等，更優選為60～180min。

優選地，所述加熱的溫度為40℃以上，例如為43℃、46℃、49℃、55℃、62℃、70℃、75℃、80℃等，優選為40-80℃，更優選為60℃。

作為優選，本發明的製備方法包括以下步驟：

(1)分別稱取質量比為9:1～6:4的羥基磷灰石和聚乳酸-羥基乙酸共聚物；

(2)將羥基磷灰石加入到三氯甲烷中，在18～30℃下置於恆溫磁力攪拌器中攪拌混合10～30min，攪拌轉速為300～800rpm；

(3)將聚乳酸-羥基乙酸共聚物加入到上述羥基磷灰石的CHCl3懸濁液中，在18～30℃下繼續磁力攪拌60～180min，使聚乳酸-羥基乙酸共聚物充分溶解；

(4)將恆溫磁力攪拌器溫度調節為40-80℃，繼續磁力攪拌60～180min，使CHCl3快速蒸發即得所述的複合醫用材料。

使用時將所得的羥基磷灰石與聚乳酸-羥基乙酸共聚物複合漿料裝進針管中，加上針頭，置於3D印表機中按照設定的列印程序即可進行列印。

使用本發明的複合醫用材料進行列印的過程如下：

(1)打開操作軟體，開啟印表機，連接電腦；

(2)開啟印表機，將列印材料裝上印表機，並安裝列印頭；

(3)在軟體上導入列印模型；

(4)調整列印平臺，使印表機處於可列印狀態；

(5)調整列印參數；

(6)點擊開始按鈕，開始列印。

在機械製造領域快速成型技術(Rapid Prototyping，RP)發展迅速，其應用領域也逐漸擴展到組織工程三維多孔支架的製備上來。本發明提供的快速成型列印方法可同時完成致孔和外形的成型，一步得到具有一定外形的三維多孔支架。快速成型技術採用離散/堆積成型原理。

優選地，所述列印頭口徑為160μm-600μm。

優選地，所述列印時的參數為：速度為2-20m/min，優選為3.36-14.4m/min，壓力為20-90psi。

本發明的複合材料具有常溫列印，降低列印噴頭的堵塞機率，改善了單一羥基磷灰石材料的脆性大的缺點，提高了材料的韌性，聚乳酸的加入改善了材料的降解性能，能夠更好的列印出複雜的三維結構，拓展了3D列印材料的應用範圍，可很好的應用於3D列印中。此外，本發明提供的複合醫用材料具有優異的生物相容性以及可降解性能，並且可以流暢的進行3D列印，構多樣化的骨組織支架。

具體實施方式

為更好地說明本發明，便於理解本發明的技術方案，本發明的典型但非限制性的實施例如下：

實施例1

一種3D列印有機無機複合醫用材料，原料按重量百分比含有以下組分：

羥基磷灰石95％

聚乳酸-羥基乙酸共聚物5％

通過如下方法製備：

(1)分別稱取質量為19g、1g的羥基磷灰石和聚乳酸-羥基乙酸共聚物；

(2)將羥基磷灰石加入到150mL的三氯甲烷中，在30℃下置於恆溫磁力攪拌器中攪拌混合10min，攪拌轉速為300rpm；

(3)將聚乳酸-羥基乙酸共聚物加入到上述羥基磷灰石的CHCl3懸濁液中，在18℃下繼續磁力攪拌180min，使聚乳酸-羥基乙酸共聚物充分溶解；

(4)將恆溫磁力攪拌器溫度調節為60℃，繼續磁力攪拌180min，使CHCl3快速蒸發即得所述的複合醫用材料。

實施例2

一種3D列印有機無機複合醫用材料，原料按重量百分比含有以下組分：

羥基磷灰石40％

聚乳酸-羥基乙酸共聚物60％

通過如下方法製備：

(1)分別稱取質量為4g、6g的羥基磷灰石和聚乳酸-羥基乙酸共聚物；

(2)將羥基磷灰石加入到60mL的三氯甲烷中，在18℃下置於恆溫磁力攪拌器中攪拌混合30min，攪拌轉速為800rpm；

(3)將聚乳酸-羥基乙酸共聚物加入到上述羥基磷灰石的CHCl3懸濁液中，在30℃下繼續磁力攪拌60min，使聚乳酸-羥基乙酸共聚物充分溶解；

(4)將恆溫磁力攪拌器溫度調節為40℃，繼續磁力攪拌40min，使CHCl3快速蒸發即得所述的複合醫用材料。

實施例3

一種3D列印有機無機複合醫用材料，原料按重量百分比主要含有以下組分：

羥基磷灰石60％

聚乳酸-羥基乙酸共聚物40％

通過如下方法製備：

(1)分別稱取質量為6g、4g的羥基磷灰石和聚乳酸-羥基乙酸共聚物；

(2)將羥基磷灰石加入到60mL的三氯甲烷中，在20℃下置於恆溫磁力攪拌器中攪拌混合5min，攪拌轉速為500rpm；

(3)將聚乳酸-羥基乙酸共聚物加入到上述羥基磷灰石的CHCl3懸濁液中，在25℃下繼續磁力攪拌30min，使聚乳酸-羥基乙酸共聚物充分溶解；

(4)將恆溫磁力攪拌器溫度調節為70℃，繼續磁力攪拌100min，使CHCl3快速蒸發即得所述的複合醫用材料。

實施例4

一種3D列印有機無機複合醫用材料，原料按重量百分比含有以下組分：

羥基磷灰石70％

聚乳酸-羥基乙酸共聚物30％

通過如下方法製備：

(1)分別稱取質量為7g、3g的羥基磷灰石和聚乳酸-羥基乙酸共聚物；

(2)將羥基磷灰石加入到60mL的三氯甲烷中，在25℃下置於恆溫磁力攪拌器中攪拌混合20min，攪拌轉速為400rpm；

(3)將聚乳酸-羥基乙酸共聚物加入到上述羥基磷灰石的CHCl3懸濁液中，在25℃下繼續磁力攪拌120min，使聚乳酸-羥基乙酸共聚物充分溶解；

(4)將恆溫磁力攪拌器溫度調節為65℃，繼續磁力攪拌120min，使CHCl3快速蒸發即得所述的複合醫用材料。

對比例1

稱取羥基磷灰石2g，聚乳酸-羥基乙酸共聚物8g，將材料按照實施例1的方法製備成樣品，進行性能測試。

下表1為實施例1-4及對比例1所得材料性能參數：

表1

從表1中可以看出，本發明實施例製得的材料相比於不在本發明範圍內的製得材料列印效果更好，列印時的力學性能更優異。

申請人聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細方法，但本發明並不局限於上述詳細方法，即不意味著本發明必須依賴上述詳細方法才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護範圍和公開範圍之內。