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一种基于3D打印具有生物活性的多孔人工软骨制备方法

阅读:667发布:2020-05-11

专利汇可以提供一种基于3D打印具有生物活性的多孔人工软骨制备方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 属于3D打印材料技术领域,提供了一种基于3D打印具有 生物 活性的多孔人工软骨制备方法和应用。该方法先将环 氧 丙烯酸 树脂 、聚己内酯(PCL)、羟基 磷灰石 和少量氯化 银 混合,然后加入甘油在超声条件下进行调制,即可制得膏状凝胶软骨材料,将得到的膏状凝胶材料进行3D打印成型,在紫外光条件下养护,即可得到人工软骨。本发明制备的3D打印人工软骨具有良好的 生物相容性 和可塑性以及较高的强度,PLC具有良好的 生物降解 性,可降解成CO2、H2O对人体无害。并且整个制备过程相对简单,适合推广使用。,下面是一种基于3D打印具有生物活性的多孔人工软骨制备方法专利的具体信息内容。

1.一种基于3D打印具有生物活性的多孔人工软骨制备方法,
其特征在于:先将环丙烯酸树脂、聚己内酯(PCL)、氯化、羟基磷灰石混合进行激光烧结制成多孔材料,然后加入甘油在超声条件下进行调制,即可制得膏状凝胶软骨材料,将得到的膏状凝胶材料进行3D打印成型,在紫外光条件下进行养护,即可得到人工软骨,其具体制备步骤如下:
(1)将环氧丙烯酸树脂40%,聚己内酯(PCL)32%,羟基磷灰石25%,氯化银3%,并在干燥条件下进行研磨,得到混合粉末;
(2)将混合粉末进行激光烧结,得到多孔材料;
(3)将步骤(2)中的多孔材料与甘油按比例2:1在超声条件下进行混合调制,得到适用于3D打印的膏状凝胶软骨材料。
2.根据权利要求1所述: 步骤(1)所述环氧丙烯酸树脂是目前应用最广泛、用量最大的光固化低聚物,其光固化速度在各类低聚物中是最快的,而且其固化后的涂膜具有硬度高、光泽度好、耐腐蚀性能、耐热性及电化学性优异等特点,并且原料来源广,价格低廉,合成工艺简单。
3.根据权利要求1所述:步骤(1)所述聚己内酯(PCL)为白色固体粉末,无毒,易溶于有机溶剂,且具有良好的生物相容性生物降解性。
4.根据权利要求1所述:步骤(1)所述羟基磷灰石为多孔粉末,是人体骨骼组织主要成分,为六方晶系或单斜晶系,粒径为300~800μm,磷比为1  .6~1  .7,比重为3.05~
3.18g/cm3。
5.根据权利要求1所述:步骤(1)所述银离子是人体组织内的微量元素之一,具有杀菌功能。
6.根据权利要求1所述:步骤(1)所述精细研磨后的混合粉末的粒径为150~350nm。
7.根据权利要求1所述:多孔材料与甘油混合后调制时间为100~300min,调制时搅拌速度为300~500r/min。
8.根据权利要求1所述:多孔材料与甘油混合后调制时超声条件为:25~80KHz,25~40℃。
9.一种用于3D打印具有生物活性的多孔人工软骨材料的应用方法:先将凝胶材料进行 
3D打印成型,然后在波长为200nm~360nm的紫外光条件下进行养护,即可制得软骨组织。
10.应将打印出来的软骨样品放在波长为200nm~360nm的紫外光条件下进行养护,养护温度为25~35℃,养护时间为3~7h。

说明书全文

一种基于3D打印具有生物活性的多孔人工软骨制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于3D打印材料和生物材料领域,提供了一种基于3D打印具有生物活性的多孔人工软骨制备方法和应用。

背景技术

[0002] 3D打印(3DP)即快速成型技术的一种,又称增材制造,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术;3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件;该技术在汽车、航空航天、牙科和医疗产业以及其他领域都有所应用。
[0003] 我国是人口大国,因外伤、肿瘤或关节疾病等造成软骨损伤的人数远远超过美国,因此对关节软骨的损伤进行修复建,恢复关节面完整性,重建关节功能,防止关节退变,始终是医学界亟待解决的难题之一。
[0004] 由于理想的软骨材料应具有生物相容性和表面活性、骨传导性和骨诱导性、合适的孔径和孔隙率以及机械强度和可塑性,因此聚己内酯(PCL)、羟基磷灰石和凝胶材料等是较为理想的原料,但此类功能材料难以依靠热熔粘接成型,给3D打印成型造成了极大地困扰。因此对3D打印软骨的原料及工艺的研究越来越受到人们的重视。

发明内容

[0005] 本发明针对人工软骨难以成形的情况提出了一种基于3D打印具有生物活性的多孔人工软骨制备方法。
[0006] 本发明构思如下:对环丙烯酸树脂、聚己内酯羟基磷灰石和氯化在干燥条件下混合研磨,在利用激光烧结技术制成多孔材料,然后通过甘油调制,形成膏状适合用于3D打印的软骨材料。使用时利用3D打印机挤出膏状物层层堆积形成雏形软骨组织,然后将雏形软骨组织放在波长为200nm~360nm的紫外光条件下进行养护,通过光固化树脂环氧丙烯酸树脂的光固化作用形成具有良好强度的软骨组织。
[0007] 为实现本发明目的,用环氧丙烯酸树脂、聚己内酯羟基磷灰石与氯化银在干燥条件下研磨混合,再利用激光烧结技术制成多孔材料,然后将多孔材料加入甘油在超声条件下进行搅拌调制,获得膏状凝胶材料,制备步骤如下:1)将环氧丙烯酸树脂40%,聚己内酯(PCL)32%,羟基磷灰石25%,氯化银3%在干燥条件下进行研磨,得到混合粉末;
2)将步骤(1)中的混合粉末进行激光烧结制成多孔材料;
3)将步骤(2)中的多孔材料与甘油按比例2:1在超声条件下进行混合调制,得到适用于
3D打印的膏状凝胶软骨材料。
[0008] 步骤(1)研磨时干燥条件为温度60~95℃。
[0009] 步骤(1)所述精细研磨后的混合粉末的粒径为150~350nm。
[0010] 多孔材料与甘油混合后调制时间为100~300min,调制时搅拌速度为300~500r/min。
[0011] 激光烧结后多孔材料孔径为0.005μm ~10μm。
[0012] 多孔材料与甘油混合后调制时超声条件为:25~80KHz,25~40℃。
[0013] 一种基于3D打印人工软骨的凝胶材料的应用方法,先将凝胶材料进行3D打印成型,然后在波长为200nm~360nm的紫外光条件下进行养护,即可制得软骨组织,具体的应用过程为;(1)将凝胶材料加入3D打印机的进料口,通过喷头挤出膏状物并层层堆积形成雏形软骨组织;
(2)将雏形软骨组织放在波长为200nm~360nm的紫外光条件下进行养护,通过光固化树脂的固化作用,形成具有良好强度的软骨组织。
[0014] 所述3D打印机的喷头直径为0.1~0.5mm,XY轴打印精度为0.01~0.02mm,Z轴打印精度为 0.001~0.003mm,层高精度为0.05~0.07mm,打印线速度为25~60mm/s。
[0015] 所述紫外光波长为200nm~360nm,养护温度为25~35℃,养护时间为3~7h。
[0016] 将本发明的方法制备的3D打印软骨凝胶材料,通过在打印成形后利用光固化树脂在紫外光照射条件下的固化,有效避免了难以依靠热熔粘接成型的缺点以及粘接材料对生物材料的影响,为3D打印在医疗领域的应用开拓了较佳的材料。
[0017] 本发明提供一种基于3D打印具有生物活性的人工软骨制备方法,其突出的特点和优异的效果在于:本发明制备的凝胶材料有效避免了难以依靠热熔粘接成型的缺点以及粘接材料对生物材料的影响,可塑性好,具有杀菌功能,并且具有良好的生物相容性,对人体无害;3D打印的人工软骨强度更高,更加稳定,制作过程简单。

具体实施方式

[0018] 以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。若未特别指明,实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
[0019] 实例1凝胶材料的制备:
将4kg环氧丙烯酸树脂、3.2kg聚己内酯混合、2.5kg羟基磷灰石与0.3kg氯化银,在70℃下用精细研磨机进行研磨,研磨得到粒径为150~350nm的混合粉末;然后取3kg的混合粉末,进行激光烧结,再通过加入1.5kg的甘油在超声条件下进行调制,制成适合用于3D打印的膏状凝胶软骨材料,调制过程中,超声条件为:60KHz,30℃,调制时间为120min,调制时搅拌速度为350r/min;
人工软骨成型过程:
将凝胶材料加入3D打印机的进料口,3D打印机的喷头直径为0.2mm,XY轴打印精度为
0.02mm,Z轴打印精度为0.002mm,层高精度为0.005mm,打印线速度为35mm/s,通过喷头挤出膏状物并层层堆积形成雏形软骨组织,然后将雏形软骨组织放在波长为270nm的紫外光条件下进行养护中,在环境温度为30℃养护6h,通过光固化树脂的固化,形成具有良好强度的软骨组织。
[0020] 实例2:凝胶材料的制备:
将3kg环氧丙烯酸树脂、2.4kg聚己内酯、1.8kg羟基磷灰石与0.2kg混合,在75℃下用精细研磨机进行研磨,研磨得到粒径为150~350nm的混合粉末;然后取3kg的混合粉末,进行激光烧结,再通过加入1.5kg的甘油在超声条件下进行调制,制成适合用于3D打印的膏状凝胶软骨材料,调制过程中,超声条件为:70KHz,25℃,调制时间为100min,调制时搅拌速度为
400r/min;
人工软骨成型过程:
将凝胶材料加入3D打印机的进料口,3D打印机的喷头直径为0.1mm,XY轴打印精度为
0.01mm,Z轴打印精度为0.003mm,层高精度为0.006mm,打印线速度为45mm/s,通过喷头挤出膏状物并层层堆积形成雏形软骨组织,然后将雏形软骨组织放在波长为300nm的紫外光条件下进行养护中,在环境温度为30℃养护5h,通过光固化树脂的固化,形成具有良好强度的软骨组织。
[0021] 实例3:凝胶材料的制备:
将4.5kg环氧丙烯酸树脂、36kg聚己内酯、2.8kg羟基磷灰石与0.3kg氯化银混合,在80℃下用精细研磨机进行研磨,研磨得到粒径为150~350nm的混合粉末;然后取3kg的混合材料进行激光烧结,再通过加入1.5kg的甘油在超声条件下进行调制,制成适合用于3D打印的膏状凝胶软骨材料,调制过程中,超声条件为:80KHz,30℃,调制时间为200min,调制时搅拌速度为400r/min;
人工软骨成型过程:
将凝胶材料加入3D打印机的进料口,3D打印机的喷头直径为0.3mm,XY轴打印精度为
0.01mm,Z轴打印精度为0.003mm,层高精度为0.007mm,打印线速度为45mm/s,通过喷头挤出膏状物并层层堆积形成雏形软骨组织,然后将雏形软骨组织放在波长为320nm的紫外光条件下进行养护中,在环境温度为27℃养护7h,通过光固化树脂的固化,形成具有良好强度的软骨组织。
[0022] 实例4:凝胶材料的制备:
将4.8kg环氧丙烯酸树脂、38kg聚己内酯、3kg羟基磷灰石与0.35kg氯化银混合,在65℃下用精细研磨机进行研磨,研磨得到粒径为150~350nm的混合粉末;然后取3kg的混合粉末进行激光烧结,再通过加入1.5kg的甘油在超声条件下进行调制,制成适合用于3D打印的膏状凝胶软骨材料,调制过程中,超声条件为:40KHz,30℃,调制时间为270min,调制时搅拌速度为400r/min;
人工软骨成型过程:
将凝胶材料加入3D打印机的进料口,3D打印机的喷头直径为0.4mm,XY轴打印精度为
0.02mm,Z轴打印精度为0.002mm,层高精度为0.007mm,打印线速度为50mm/s,通过喷头挤出膏状物并层层堆积形成雏形软骨组织,然后将雏形软骨组织放在波长为360nm的紫外光条件下进行养护中,在环境温度为30℃养护7h,通过光固化树脂的固化,形成具有良好强度的软骨组织。
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