[发明专利]一种三维生物支架及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三维生物支架及其制备方法和应用，属于3D打印材料开发技术和生物医学工程技术领域，具体为通过无模直写三维打印技术构建由溶胶凝胶组成的三维有序多孔结构，并通过进一步的固化成型可获得适用于细胞培养的三维生物支架。采用该方法制备的三维陶瓷支架为三维多孔结构，孔隙率10％‑90％可调，孔径尺寸30μm‑1mm可调，为方形孔结构，孔与孔之间三维贯通，该方法获得的生物支架具有良好的生物相容性，可用于骨细胞的培养以及骨组织的修复。

技术领域

本发明涉及3D打印材料开发技术领域和生物医学工程技术领域，具体涉及一种三维生物支架及其制备方法和应用。

背景技术

每年因交通事故和生产安全事故导致众多的创伤骨折，加上骨肿瘤、股骨头缺血性坏死等骨科疾病，造成300多万的骨缺损病例。临床上，由于自体骨来源有限，异体骨和异种骨存在免疫排斥反应，且存在潜在的病原传播危险等缺陷，迫切需要研发骨组织修复材料，用于治疗骨缺损。传统的支架材料及制备技术难以大批量构建形状各异的复杂骨修复材料，无法满足临床上个性化修复的需要。临床需要的骨组织修复支架材料要适用于不同的患者以及不同的症状，其外形及微观结构因人因症而异。这类个性化修复的临床需求迫切需要具有个性化结构和性能的支架材料。3D打印技术，源自快速成型(RapidPrototyping，RP)技术，又称快速原型技术，是当今世界上飞速发展的制造技术之一。快速成型是在计算机辅助设计和制造技术、激光技术和材料科学技术的发展，以及与各种成型技术的结合的基础上出现的一种新型材料加工工艺，基本原理为根据CAD或CT等数据，利用激光、数控技术将原材料精确堆积，在没有传统模具和夹具的情况下，快速制造出任意复杂形状而又具有一定功能的三维实体模型或零件。将快速成型技术应用于生物材料的研制是材料科学和现代制造技术发展的必然结果，快速成型技术的出现，不仅大大缩短了生物材料的开发周期，降低了研发费用，同时解决了近代临床医学创伤技术中一些重大的三维重建的科学技术性难题。特别是在复杂形状的人工骨替代物的制造方面更显示出它的独特优势。快速成型技术快速精确的特点及其发展为组织结构个性化加工提供了一个很好的途径，可以根据病人个性化的要求制作出适用于其特殊要求的修补或移植假肢快速成型生物材料制造是材料科学科与先进制造技术学科交叉的结果，也是当代技术进步的必然结果。

二氧化钛作为一种生物惰性材料，其细胞粘附性和促细胞增殖性良好，有作为新型生物骨修复材料的巨大潜力。采用溶胶凝胶法制备的二氧化钛前驱体具有可调的流变性能，可直接作为一种三维无模直写打印的浆料来制备生物支架，同时，结合溶胶凝胶技术和三维无模直写打印技术可使制备获得的生物支架的网络尺寸更为细小，孔隙以及孔形更加多样，可以满足个性化定制的需求，特别是日益复杂的骨修复应用领域的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维生物支架及其制造方法和应用，该方法获得的生物支架具有良好的生物相容性，可用于骨细胞的培养以及骨组织的修复。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种三维生物支架，该三维生物支架的材质为以二氧化钛为基的陶瓷材料，该支架为三维多孔结构，孔隙率为10-90％，孔径尺寸为30μm-1mm，孔与孔之间三维贯通。

该三维生物支架的宏观整体尺寸可调，孔的形状能够根据需要进行设计，孔的形状为方形、圆形、三角形和六边形中的一种或几种。

所述三维生物支架的制备方法为：首先采用三维打印技术对二氧化钛前驱体浆料(二氧化钛溶胶凝胶前驱体)进行无模直写成型，获得三维有序多孔结构；然后通过高温烧结固化成型获得所需孔隙率的三维生物支架。

所述二氧化钛溶胶凝胶前驱体的制备过程包括如下步骤：

(1)含表面活性剂和金属离子的乙醇溶液的配制：