[发明专利]一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速成型水凝胶生物支架的方法，更具体地说，本发明涉及一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，属于生物医用高分子材料技术领域。

背景技术

人类由于衰老、事故等原因经常会造成关节软骨的损坏，而软骨作为一种再生能力很弱的组织，其修复是一大难题。目前临床上采用最多方法的是用生物材料进行修复，但这种方法会引起机体的排异反应。随着组织工程技术的发展，以生物支架为载体，结合软骨种子细胞、生长因子，通过体内或体外培养构建软骨组织对受伤组织进行修复是极具前景的修复方法。在这一过程中生物支架具有重要作用，它为细胞、组织的重建提供了必要的三维空间和力学支持。因此，需要生物支架具有良好的力学性能、生物相容性、理想的三维结构。水凝胶是一类高含水但不溶于水，具有三维网络结构的软湿材料，因其具有良好生物相容性、环境敏感性且对环境无害而受到广泛关注。目前，生物支架的制备一般是采用水凝胶，因为聚乙烯醇（PVA）水凝胶具有无毒、机械性能优良、吸水率高和生物相容性好等优点，受到人们最为广泛的关注。但目前对PVA水凝胶生物支架的制备还有一些缺陷——不能方便的调节支架外形和支架内部孔隙，支架的精细度还不够高。且将PVA 水凝胶运用于关节软骨替代材料，其强度仍较低。

中国专利公开号CN101544767A公开了一种生物相容性高强度三维连通多孔PVA水凝胶的制备方法，该方法是以聚乙烯醇为基体材料，利用表面活性剂与可溶性固体颗粒复合致孔，并用超声波清洗的方法制备三维多孔聚乙烯醇水凝胶，该方法虽然能够得到三维通孔的网络结构，但无法实现支架结构与孔洞形状的可控、可调。中国专利公开号CN103120806A公开了一种基于PVA水凝胶生物软骨支架的制备方法，该方法是以羟基磷灰石微球为基体材料，通过3D打印机打印出软骨成型模具来成型含有骨细胞的PVA水凝胶，该方法虽然实现了支架制备的零污染，缩短了制备周期，但利用模具来间接成型PVA水凝胶，无法得到具有复杂结构的生物支架。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用三维快速成型技术制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，该方法首先是以PVA为基质，在该基质中引入无机粉体纳米氧化硅对PVA溶液进行粘度调节后，得到具有触变性能的溶胶，然后将得到的溶胶进行3D打印成型，再将成型样品冷冻-熔融后得到可控精细结构的聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶生物支架。本发明方法工艺简单、成本低廉，且对环境无任何污染。

为了实现本发明的目的，发明人通过大量试验研究和不懈探索，最终获得了如下技术方案：

一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：材料的准备，包括如下子步骤：

子步骤1.1：按质量浓度为8～12%的比例将PVA树脂加入去离子水中搅拌分散均匀后，置于90～95℃恒温水浴中冷凝回流2～3小时，至PVA完全溶解，得到PVA溶液；

子步骤1.2：将子步骤1.1所述得到的PVA溶液于95℃真空干燥箱内脱气30～60分钟，脱气完后，将脱气后的PVA溶液缓慢加入无机粉体纳米氧化硅中，充分搅拌，至无机粉体纳米氧化硅均匀分散在所述PVA溶液中，得到具有触变性能的混合溶胶，所述混合溶胶中无机粉体纳米氧化硅与PVA的质量比为（0.5～1）﹕1；

步骤2：支架的成型：

利用机器人点胶机驱动医用注射器连接精细针管或移液管滴头，通过调节所述点胶机XY轴平台的移动速率、Z轴步进高度、点胶机的挤出体积流率这些技术参数，挤出步骤1中所述制备得到的混合溶胶，3D打印成型得到溶胶支架样品；

步骤3：支架的后处理：

将步骤2所述的溶胶支架样品置于-20～-40℃冷冻室冷冻20～22小时后，取出后室温解冻熔融2～4小时，得到具有可控精细结构的水凝胶支架。

优选地，如上所述的利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其中步骤1中所述无机粉体纳米氧化硅为气相纳米氧化硅（SiO₂），粒径为20～100nm。

优选地，如上所述的利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其中利用平板流变仪检测步骤1所述混合溶胶，其零切粘度为8000～13000Pa·s；所述混合溶胶在注射器针管或移液管滴头加工挤出时的表观粘度为5～30Pa·s。