[发明专利]一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法

说明书

本发明提出一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法，以羟基磷灰石(HA)/羧甲基壳聚糖(CMCS)复合粉体和PVA高分子水溶液为基体材料，结合压电喷墨打印技术(3DP)和氯化钙(CaCl₂)溶液交联后处理制备出一种强韧兼顾HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架。本发明首次提出以HA和CMCS复合粉体为基体材料，结合3DP打印工艺，实现功能型HA/CMCS复合生物陶瓷人工骨支架的常温中性制造。此外，该制备方法的常温中性成型特性满足了活性物质(氨基酸、生长因子、活性蛋白质)协同制造的工艺需求，使得生物陶瓷骨支架在兼具材料组分、力学特性、孔隙结构可调的基础上，还具有生物活性物质所赋予的生物学功能特性，这是以往工艺所难以实现的。

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，具体为一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法。

背景技术

骨骼是人体的重要器官之一，其内部复杂的结构和动态重塑过程保证了优良的自我修复能力，但由于外部创伤、肿瘤等造成的大段骨缺损，常常无法实现骨的自我修复，此时就需要骨移植手术进行辅助治疗。通过自体骨、同种异体骨或异种骨移植是临床常用治疗方法，然而这些方法存在供源有限、免疫排斥、基因污染等问题，其在临床上的应用始终有所限制。近年来，随着骨组织工程学的发展，通过将体外培养的种子细胞接种在多孔支架中，再植入骨缺损处，辅以生长因子刺激其增殖分化，以修复骨组织缺损的方法，为骨缺损的修复重建提供了一种新的解决思路。

植入骨支架在人体内需要承担细胞攀附、载荷承载、物质运输等功能，这对支架的生物、力学以及结构特性提出了较高的要求。支架的生物特性要求支架具有良好的生物相容性和降解性，以供细胞粘附增殖和为新生骨的生长提供场所；支架的力学特性要求支架有足够的与自体骨相匹配的强度和韧性，以避免强度不足或过高所引起的压溃或应力屏蔽现象，以及减小支架在人体内复杂力学环境下发生脆性断裂的可能；支架的结构特性则要求支架具有开放的多孔结构和互联网络，以保障支架内营养物质的运输和代谢废物的排放。为了满足这些要求，研究人员正试图从材料和工艺方面寻找解决方案。

羟基磷灰石HA是骨组织中的主要无机盐成分，具有高度的生物相容性和骨诱导能力，是最为理想的骨修复材料。但羟基磷灰石的断裂韧性(1.0MPa·m^1/2)和抗弯强度(50～100MPa)较低，单一的HA支架无法满足人体骨支架的力学要求，因此人们开始了对HA复合材料支架的研究以改善其性能。羧甲基壳聚糖CMCS是一种天然碱性多糖，具有出色的生物相容性、可降解性和无毒性，是优秀的骨组织修复材料。研究发现，将CMCS与磷酸盐陶瓷复合之后可以在一定程度上改善陶瓷支架的力学性能和孔隙结构，并有利于矿化物沉淀和促进成骨细胞的粘附增殖，具有极佳的骨修复潜力。

在现有生物陶瓷骨支架的制备方法中，主要的重难点在于，为了满足支架的强度需求，通常需要对所制备的骨支架进行高温烧结、化学固化等高能后处理，这无疑增加了支架被污染的几率，同时高温烧结后的骨支架也没有了韧性，更无法实现活性物质的协同制造。

发明内容

本发明针对现有的骨组织工程支架制备过程中，存在的强度与韧性、生物活性物质与高能后处理之间的矛盾，提出了一种强韧兼顾功能型HA/CMCS复合生物陶瓷骨支架的常温中性制备方法。该方法以3DP打印工艺为基础，以HA/CMCS混合粉体为打印粉材、PVA溶液为粘结剂，打印过程中辅以生物活性物质进行协同制造，最后再通过氯化钙溶液交联固化得到成型支架。

一方面，该工艺所制备的骨支架结合了HA材料的高硬度、高生物相容性和CMCS材料的高韧性、生物降解特性，使成型支架在降解过程中能够保持足够的强度和韧性。另一方面，CMCS赋予了支架高度联通的大尺寸孔隙，有助于细胞正常的增殖分化，加快了血管和骨组织的侵入和替代。此外，整个工艺流程在常温中性环境下进行，且无需高温烧结、化学固化等高能后处理，这保障了活性物质的协同打印，赋予了骨支架的生物学特性，从而达到加速骨缺损修复重建的效果。

本发明的技术方案为：