光固化3D打印制备而成的骨修复材料支架及其制备方法与流程

光固化3d打印制备而成的骨修复材料支架及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及医用生物材料领域，具体而言，其涉及一种光固化3d打印制备而成的骨修复材料支架及其制备方法。


背景技术：

2.现有的骨修复材料支架通常采用挤出成型的3d打印方式制备出多层中空线材堆叠而成的生物活性陶瓷支架。但是挤出成型的3d打印方式打印速度慢、结构尺寸精度低，不适用于制备精细结构的支架。
3.本领域技术人员也会采用光固化3d打印方式制备支架，但是这样制备得到的支架也会存在相邻线材层之间的连接不够紧密、力学强度差的问题，压力干预时常常导致相邻线材层之间的连接处首先断裂，降低了支架的整体力学强度。
4.此外，在现有的光固化3d打印方式中，由于线材的中空通道中会残留未固化的原材料，清洗不完全会导致内部的中空通道在煅烧后存在堵塞现象，从而破坏中空通道的连通性。因此，如何清洗打印得到的支架也是一个难题。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中的骨修复材料支架及其制备方法中所存在的上述问题，本发明目的在于提供具有改善力学强度的光固化3d打印骨修复材料支架及其制备方法。
6.一方面，本发明提供了一种光固化3d打印制备而成的骨修复材料支架，所述骨修复材料支架由多层平行排列的中空线材堆叠而成，相邻线材层的线材按照不同取向排列，相邻线材层的线材彼此相交形成交界面，围绕所述交界面的至少部分外轮廓设置加强部。
7.在一些实施方式中，所述加强部围绕所述交界面的整个外轮廓设置。
8.在一些实施方式中，所述加强部呈封闭条带状。
9.在一些实施方式中，相邻线材层的线材的交界面与其所在线材的中空通道不相连。
10.在一些实施方式中，所述中空线材呈管状，所述加强部的厚度占所述线材壁厚的25%~75%。
11.在一些实施方式中，所述加强部沿着所述交界面的外轮廓倒圆角设置，所述倒圆角的圆角尺寸占所述线材壁厚的25%~50%。
12.在一些实施方式中，所述支架还包括连通相邻线材层的中空通道的层间连通孔。
13.在一些实施方式中，所述层间连通孔设置在所述加强部围绕的区域，并且，所述层间连通孔沿线材层的纵向设置。
14.在一些实施方式中，所述层间连通孔设置在所述加强部围绕的区域中央。
15.另一方面，本发明提供了一种骨修复材料支架的制备方法，包括：（1）根据预设模型对打印浆料进行光固化3d打印以得到支架坯体；（2）超声清洗并离心甩干所述支架坯体以使支架坯体中的残留浆料含量少于1%；（3）煅烧所述支架坯体以得到骨修复材料支架。
16.本发明相对于现有技术具有如下有益技术效果：本发明采用光固化3d打印的方式制备骨修复材料支架，围绕骨修复支架的相邻中空线材层的交界面设置加强部，因而能够改善支架的结构强度，进一步在加强部进行倒角设置，可进一步改善相邻线材层的交界面附近的力学强度，从而提高支架整体的力学强度。
17.在本发明中，进一步设置连通相邻线材层的中空通道的层间连通孔，能够增加线材层之间的连通性，使得相邻线材层之间和其他不同线材层之间的中空通道能够相互连通，从而实现整个支架的连通性。在打印过程中，由于层间连通孔的存在，浆料可以从层间连通孔往下流出，使线材的中空通道逐层清空，减少打印过程中通道内的浆料残留，打印完成后的支架中空通道内仅残存少量的浆料，从而减少浆料的浪费。
18.并且，增设层间连通孔还能够改善煅烧过程中整个支架材质的均一性。由于相邻线材层的线材相交的区域是打印材料最密集的地方，其中央区域与支架表面距离最远，导致煅烧过程中，该中央区域反应滞后于其它区域。以煅烧碳化过程为例，其它区域完成灰化阶段后，相交处的区域仍然处于碳化阶段，这种不均匀性会引起相交处的区域（尤其中央）产生闭孔，从而导致煅烧后相交处更容易开裂。在相交的区域（例如加强部围绕的区域中央）增设层间连通孔后，可以改善该区域与其他区域的反应均一性，不容易产生闭孔，因此煅烧后的成品也不容易开裂。
19.此外，本发明采用了超声波清洗和离心甩干的联合清洗方式，利用离心力的作用能够简便有效地脱除中空通道内部的残留浆料，从而保证中空通道的连通性。
附图说明
20.图1是根据本发明实施例1的骨修复材料支架的整体结构示意图。
21.图2是图1中相邻线材层以及围绕其交界面外轮廓所设置的加强部的分解示意图。
22.图3是根据本发明实施例2的骨修复材料支架的整体结构示意图。
23.图4是图3的局部剖视图，其中显示了相邻线材层之间的层间连通孔。
24.图5是根据本发明实施例1、对比例1和实施例2的骨修复材料支架的压缩强度对比图。
25.图6是图1中的骨修复材料支架的sem扫描电镜照片。
26.图7是图6中的局部放大图，其中显示了相邻线材层的线材相交区域和加强部。
27.图8是根据本发明对比例1的骨修复材料支架的局部sem扫描电镜照片，其中显示了相邻线材层的线材相交的区域。
28.图9是根据本发明实施例2的骨修复材料支架的局部sem扫描电镜照片，其中显示了相邻线材层之间的层间连通孔。
29.图10是图1中的骨修复材料支架在煅烧过程中取出并切开后拍摄的照片，其中显示了相邻线材层的线材相交区域与其他区域的碳化程度比较。
30.图11是图3中的骨修复材料支架在煅烧过程中取出并切开后拍摄的照片，其中显示了相邻线材层的线材相交区域与其他区域的碳化程度比较。
31.图12是根据本发明实施例1的骨修复材料支架用于新西兰兔皮内刺激反应测试中的注射点示意图，其中，注射点均位于新西兰兔的头部和尾部之间，左上的a区域为极性浸提液的注射点，左下的b区域为非极性浸提液的注射点，右上的c区域为极性溶剂对照组的
注射点，右下的d区域为非极性溶剂对照组的注射点，前述极性浸提液、非极性浸提液和对照组均注射0.2ml液体。
具体实施方式
32.以下结合附图和具体实施方式对本发明的各个方面进行详细阐述。本领域技术人员应当理解，下述的各种示例性实施方式只用于举例说明，对本发明的保护范围不构成任何限定。
33.在本发明的一些实施方式中，骨修复材料支架由多层平行排列的中空线材堆叠而成，相邻线材层的线材按照不同取向排列，即单数层的线材沿第一方向进行排列，双数层的线材沿第二方向进行排列，相邻层的排列取向（第一方向和第二方向）不同（例如可相互垂直，或者呈角度设置）。每根线材均具有中空通道，相邻线材层的线材彼此相交形成交界面。
34.在本发明的具体实施方式中，支架包括加强部，该加强部围绕所述交界面的至少部分外轮廓设置。相邻线材层的线材的交界面与其所在线材的中空通道不相连。
35.在本发明的具体实施方式中，该加强部呈封闭条带状，沿着交界面的外轮廓延伸，该加强部至少围绕交界面外轮廓的一部分，例如，围绕交界面的整个外轮廓设置。
36.在本发明的具体实施方式中，每根线材的尺寸均一致，呈管状，直径为1~2mm，孔径为0.1~1.2mm，壁厚为0.2~0.4mm。相邻线材交界面的凹陷厚度为0.1~0.3mm，占线材壁厚的25%~75%。
37.在本发明的具体实施方式中，加强部沿着交界面的外轮廓倒圆角设置，倒圆角的圆角尺寸为0.1~0.2mm，占线材壁厚的25%~50%。
38.在本发明的具体实施方式中，支架还包括连通相邻线材层的中空通道的层间连通孔。该层间连通孔设置在加强部围绕的区域，避开加强部进行设置，与加强部不连通，并且，层间连通孔沿线材层的纵向设置。在具体的实施方式中，层间连通孔设置在加强部围绕的区域中央。
39.在本发明的具体实施方式中，在相邻线材层的每个线材相交区域均设有至少一个层间连通孔，例如每个线材相交区域可设置2个或多个连通孔。该层间连通孔的直径为所述线材的直径的25%~50%。
40.在本发明的实施方式中，骨修复支架通过光固化3d打印方式制备而成，制备方法包括如下步骤：（1）准备打印浆料。
41.将液体光敏树脂和生物陶瓷粉末按照先加液体再加固体粉末的方式充分混合均匀，以获得混合均匀的、流动性较好的浆料。
42.其中，生物陶瓷粉末的质量分数含量占30%~50%（例如35%~45%），可选自下列生物活性陶瓷的一种或多种：α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、羟基磷灰石等。
43.液体光敏树脂的质量分数含量占50%~70%（例如55%~65%），该光敏树脂为市售的光敏树脂，包括：40~50%w/w的环氧树脂（cas编码61788-97-4）、20~40%w/w的聚合物单体（例如cas编码为13048-33-4的聚合物单体）、2~5%w/w的着色剂和3~5%w/w的引发剂（cas编码947-19-3）。
44.将混合均匀后的浆料进行球磨和过滤，得到打印用浆料。其中，球磨时间为0.1h~
10h，例如0.5h~5h。
45.（2）根据预设模型对打印浆料进行光固化3d打印，以得到支架坯体。
46.使用三维模型设计软件、排版软件设计打印布局，根据设计方案，进行3d建模形成预设模型，形状不限于块状、柱状、颗粒状、楔形、配合cage使用的不规则形状等。在预设模型中，支架包括前文所述的加强部和/或层间连通孔，并且支架底部设置有支撑件。
47.将浆料倒入光固化3d打印机底板上的凹槽内，手动控制刮刀将浆料铺匀。根据预设模型进行打印，选择曝光光强0.5~40mw/cm2，曝光时间0.5~20 s（例如曝光光强为1~20mw/cm2，曝光时间为1~10s），开始打印。完成打印后，沿着支架支撑件和打印平台的位置进行切割、脱模，得到成型后的支架坯体。
48.（3）清洗。
49.在本发明中，采用超声清洗和离心甩干的方式进行联合清洗，以使支架坯体中的残留浆料含量少于1%。
50.超声清洗采用超声波辐射的方式，槽内液体中的微气泡能够在声波的作用下快速变大破裂，破裂时产生的高强度剪切力作用于样品表面及中空通道内部，从而达到清洗去除未固化浆料的目的。
51.同时，进一步的离心甩干步骤利用离心力的作用能够更彻底地去除中空通道内部的残留浆料。
52.清洗液和坯体的比例为 0.5~50ml/g，每次超声清洗时间0.5~3min，超声清洗次数为1~10次，甩干时间为0.5~5min，甩干次数1~5次。
53.（4）煅烧。
54.通过对清洗后的支架坯体进行煅烧以去除树脂，并使生物陶瓷粒子完成晶型的转变，提高粒子间的连接强度。在本发明的实施方式中，煅烧容器为耐高温的氧化铝坩埚，按照以下煅烧程序煅烧：设置温度（℃）升温速率（℃/min）保温时间（h）200~3000.1~101~10350~4500.1~101~10500~6500.1~101~101100~12000.1~101~10100~2000.1~5由此制备得到骨修复材料支架。
55.以下将结合具体实施例对本发明涉及的各个方面进行详细说明：【实施例1】实施例1提供了一种光固化3d打印制备而成的骨修复材料支架。
56.如图1和图2所示，本实施例中的支架由多层平行排列的中空线材堆叠而成，相邻线材层的线材按照不同取向排列，即单数层的线材1沿第一方向平行排列，双数层的线材2沿第二方向平行排列，并且相邻层的排列取向（第一方向和第二方向）相垂直。每根中空线材呈管状，具有中空通道，相邻线材层的线材彼此相交形成交界面，且相邻线材层的线材的交界面与其所在线材的中空通道不相连。
57.本实施例中的支架还包括加强部3，该加强部呈条带状，围绕交界面的整个外轮廓
倒圆角设置，条带的宽度为0.2mm，倒圆角的圆角尺寸为0.1mm，占线材壁厚的33%。
58.在本实施例中，每根线材的尺寸均一致，直径为1.5mm，中空通道的孔径为0.9mm，壁厚为0.3mm。相邻线材相交区域的交界面的厚度为0.2mm，占线材壁厚的66%。
59.本实施例的骨修复材料支架通过光固化3d打印方式制备而成，制备方法包括如下步骤：（1）准备打印浆料：称取55ml液体光敏树脂和45g磷酸三钙粉末，按照先加液体后加固体粉末的顺序将光敏树脂和磷酸三钙粉末依次加入球磨罐中，球磨1h，过滤以得到打印浆料。
60.（2）根据本实施例的支架结构预设模型，随后对打印浆料进行光固化3d打印以得到支架坯体。其中，在预设模型中，设计支架底部的支撑件，并且支架在相邻线材层的交界面外轮廓设置围绕交界面的整个外轮廓的封闭条带状加强部，以进行结构加强。曝光光强为10mw/cm2，曝光时间为1.5s。在完成打印后，沿着支架支撑件和打印平台的位置进行切割、脱模，以得到支架坯体。
61.（3）清洗：对支架坯体进行清洗，先超声清洗5次，每次超声时间为2 min，超声清洗完后进行离心甩干，甩干时间为5min，甩干1次。清洗液和样品的比例为50ml/g。以使支架坯体中的残留浆料含量少于1%。
62.（4）煅烧：将清洗后的样品放入氧化铝坩埚，按照以下煅烧程序进行煅烧：设置温度（℃）升温速率（℃/min）保温时间（h）2501140011500521200132001由此得到骨修复材料支架样品1。
63.【对比例1】在对比例1中，采用与实施例1相同的制备方法制备骨修复材料支架，区别仅在于相邻线材层的交界面周围未设置加强部，由此得到骨修复材料支架对照样品1’。
64.【实施例2】在实施例2中，采用与实施例1相同的制备方法制备骨修复材料支架，区别仅在于：支架还包括连通相邻线材层的中空通道的层间连通孔，由此得到骨修复材料支架样品2。
65.在本实施例中，如图3和图4所示，每一个相邻线材相交的区域均设有1个层间连通孔4，该层间连通孔设置在加强部围绕的区域中央，避开加强部，沿线材层的纵向设置。该连通孔的直径为0.5mm，为线材的直径的33%。
66.以下针对本发明的示例性实施例和对比例中制备得到的支架样品进行强度测试、扫描电镜观察、浆料损失测试和煅烧状态观察。
67.1．强度测试对实施例1的样品1、对比例1的对照样品1’和实施例2的样品2分别进行压缩强度测试。压缩强度使用的设备为济南兰光机电技术有限公司生产的c610m型智能电子拉力试验机，测试的参数设置为以0.5mm/min的加载速度施加负荷。
68.测试结果显示，样品1的压缩强度为5.68mpa，样品1’的压缩强度为2.84mpa，小于样品1的压缩强度，有显著性差异，样品2的压缩强度为6.04mpa，具体见图5。
69.由此可知，在增加设置加强部后，能够大幅度提高支架的力学强度，避免相邻线材在相交区域断裂。
70.同时，在增加设置连通孔后，依然保持支架的力学强度与未增设连通孔无显著性差异。
71.2、扫描电镜观察对实施例1的样品1、对比例1的样品1’以及实施例2的样品2进行扫描电镜观察，主要观察样品1的相邻线材的相交区域、样品1’的相邻线材的相交区域以及样品2的连通孔，sem扫描电镜照片如图6至图9所示。
72.根据图6和图7可以看出，实施例1的样品1的加强部呈条带状且倒圆角设置，能够使相邻线材之间的连接更加牢固；根据图8可以看出，对比例1的对比样品1’未设置加强部，此时，相邻线材之间直接相交，连接容易断裂；根据图9可以看出，实施例2的样品2在相邻线材层的相交区域还设置有避开加强部的层间连通孔。
73.3、浆料损失测试对实施例1和实施例2，在清洗步骤前后分别对支架坯体进行称重，以计算清洗掉的浆料重量，结果如表1所示。
74.表1. 样品1和样品2的浆料损失重量
75.如上表所示，与实施例1的样品1相比，实施例2的样品2在制备过程中具有更小的浆料损失重量，能够减少浆料的浪费。
76.4. 煅烧状态观察分别观察样品1和样品2在煅烧过程中的内部煅烧状态。
77.具体而言，在清洗完支架坯体后，将样品进行煅烧，煅烧过程中，从室温以1℃/min的速度升温到250℃，保温1h，再按照1℃/min 升温到400℃，保温1h，然后以5℃/min升温到500℃，保温20min后自然降温，分别取出样品1和样品2，用手术刀将支架切开观察内部的煅烧状态。
78.内部煅烧状态照片如图10和图11所示，可以看出，在图10中，在样品1的其它区域完成碳化阶段时，相邻线材的相交区域仍然是碳化阶段（颜色深于其他区域），而在图11中，样品2的相邻线材的相交区域与其他区域都处于灰化阶段，颜色均一。
79.由此可见，通过增加设置连通孔，使得样品2在煅烧过程中的均一性更好，因此煅烧后相邻线材相交的区域不容易开裂。
80.以下针对本发明的实施例1中制备得到的骨修复材料支架样品1分别进行小鼠细胞毒性实验和新西兰兔皮内刺激反应实验：1. 小鼠细胞毒性实验将实施例1制备得到的骨修复材料支架样品1双层包装，进行25kgy co-60辐照灭菌。
81.灭菌完成后利用mtt比色法，检测供试品100%、80%、40%、20%浓度浸提液24h内对小鼠成纤维细胞l929细胞相对增殖率的影响，以评价其细胞毒性。
82.同时，空白对照组是含10%胎牛血清的mem培养液，阴性对照组是高密度聚乙烯，阳性对照组是zincdiethyldithiocarbamate。
83.经测试，样品1的细胞活力为96.8%，试验样品浸提液对l929细胞无潜在的毒性影响，具体检测结果见表2。
84.表2.小鼠成纤维细胞l929体外细胞活力%组别吸光度值mean+sd细胞活力%空白对照0.7933
±
0.067100.0阴性对照0.8008
±
0.033100.9阳性对照0.0214
±
0.0022.7100%样品浸提液0.7682
±
0.04596.850%样品浸提液0.7714
±
0.05597.225%样品浸提液0.7804
±
0.01598.412.5%样品浸提液0.7874
±
0.01499.3由此可见，骨修复材料支架样品1基本无细胞毒性。
85.2. 新西兰兔皮内刺激反应实验将样品1用新西兰兔来检测皮内注射引起的皮内刺激反应，根据图12所示的注射点示意图进行注射，以评价样品1的潜在皮内刺激反应。
86.其中，阴性对照极性浸提液为0.9%氯化钠注射液，非极性浸提液为芝麻油，阳性对照中极性对照为十二烷基硫酸钠（溶剂为0.9%氯化钠注射液），非极性对照为十二烷基硫酸钠（溶剂为芝麻油）。
87.具体检测结果见表3。
88.表3. 皮内刺激反应结果观察
89.如上表所示，试验样品组的极性和非极性浸提液皮内反应均未超过对照组，最终记分均为0。
90.由此可见，骨修复材料支架样品对皮内无潜在刺激作用。
91.以上结合具体实施例对本发明进行了具体说明，这些具体实施例仅仅是示例性的，不能以此限定本发明的保护范围，本领域技术人员在不背离本发明的实质和范围的前提下可对本发明进行各种修改、变化或替换。因此，依照本发明所作的各种等同变化仍属于本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种光固化3d打印制备而成的骨修复材料支架，所述骨修复材料支架由多层平行排列的中空线材堆叠而成，相邻线材层的线材按照不同取向排列，其特征在于，相邻线材层的线材彼此相交形成交界面，围绕所述交界面的至少部分外轮廓设置加强部。2.如权利要求1所述的骨修复材料支架，其特征在于，所述加强部围绕所述交界面的整个外轮廓设置。3.如权利要求2所述的骨修复材料支架，其特征在于，所述加强部呈封闭条带状。4.如权利要求1所述的骨修复材料支架，其特征在于，相邻线材层的线材的交界面与其所在线材的中空通道不相连。5.如权利要求1或2所述的骨修复材料支架，其特征在于，所述中空线材呈管状，所述加强部的厚度占所述线材壁厚的25%~75%。6.如权利要求1或2所述的骨修复材料支架，其特征在于，所述加强部沿着所述交界面的外轮廓倒圆角设置，所述倒圆角的圆角尺寸占所述线材壁厚的25%~50%。7.如权利要求1所述的骨修复材料支架，其特征在于，所述支架还包括连通相邻线材层的中空通道的层间连通孔。8.如权利要求7所述的骨修复材料支架，其特征在于，所述层间连通孔设置在所述加强部围绕的区域，并且，所述层间连通孔沿线材层的纵向设置。9.如权利要求7所述的骨修复材料支架，其特征在于，所述层间连通孔设置在所述加强部围绕的区域中央。10.如权利要求1至9中任一项所述的骨修复材料支架的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：（1）根据预设模型对打印浆料进行光固化3d打印以得到支架坯体；（2）超声清洗并离心甩干所述支架坯体以使支架坯体中的残留浆料含量少于1%；（3）煅烧所述支架坯体以得到骨修复材料支架。

技术总结
本发明公开了一种光固化3D打印制备而成的骨修复材料支架，该骨修复材料支架由多层平行排列的中空线材堆叠而成，相邻线材层的线材按照不同取向排列，相邻线材层的线材彼此相交形成交界面，围绕所述交界面的至少部分外轮廓设置加强部。通过设置加强部，改善支架的结构强度，从而提高支架整体的力学强度。从而提高支架整体的力学强度。从而提高支架整体的力学强度。


技术研发人员：尹曼莉 郝颃 戴启军
受保护的技术使用者：中科硅诺（太仓）生物材料科技有限公司
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/8/13