[发明专利]一种表面改性的多孔聚醚醚酮人工骨骼及其制备方法

说明书

本发明公开了一种表面改性的多孔聚醚醚酮人工骨骼的制备方法，该方法采用三周期极小曲面方法建立三维拓扑结构的离散点，利用离散点逆向建模生成人工骨骼模型，依据人工骨骼模型采用增材制造方法制备多孔聚醚醚酮人工骨，并利用化学反应将人工骨表面的聚醚醚酮分子结构中的羰基转变为羟基，再利用高活性的异氰酸酯作为中间体，分别与聚醚醚酮表面的羟基和含氨基的化合物进行反应，得到表面改性的聚醚醚酮人工骨骼，通过本发明技术方案所制备的表面改性多孔聚醚醚酮人工骨骼既具有可梯度连续变化的孔隙结构，其表面引入足够多的生物活性物质又可促进细胞的分裂生长，提高骨骼表面细胞的附着能力。

技术领域

本发明公开涉及多孔人工骨骼制造技术领域，尤其涉及一种表面改性的多孔聚醚醚酮人工骨骼及其制备方法。

背景技术

人工骨是指可以替代人体骨或者用于修复骨组织缺损的人工生物材料，还可作为可植入的支架结构材料，故人工骨须满足：(1)具有良好的生物相容性；(2)具有合适的力学性能；(3)具有适宜的微孔结构，使新生骨组织可向内长入；(4)易于加工成所需的大小和形状。良好的生物相容性可避免人体对人工骨的排异，使支架结构能融入人体环境；良好的孔隙结构有利于成骨细胞向支架结构内部生长和支架材料的血管化，适当的力学性能可保证骨骼具有良好的承载能力，适当的模量可避免应力屏蔽效应对相邻骨骼造成萎缩和退化。研究表明人体骨骼的最佳孔径为：300-600μm，而骨骼的强度和模量因骨骼种类有所不同，压缩强度为：2.45-195MPa；弹性模量为：0.07-28MPa，且人工骨骼的设计要遵循与邻近骨骼强度、模量相近的原则。

合适的力学性能及微孔结构主要由人工骨的结构设计及制备工艺所决定。传统多孔骨骼结构的制备工艺是将成孔剂与树脂粉末混合，采用粉末热压工艺制备支架坯体，后用溶剂将成孔剂溶解的方式制备人工骨骼，采用上述工艺制备的多孔骨骼，孔径分布不均匀，孔道连通性差，不利于成骨细胞和组织的生长。

三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface，TPMS)是由一系列正弦、余弦等三角函数，通过一定数学运算组合而成的数学曲面。采用TPMS曲面方法可设计出具有孔洞连通性好，比表面积大，孔道曲折，结构可梯度变化的理想结构的人工骨骼，将有利于成骨细胞的附着生长，但是采用传统的方法是无法实现TPMS结构人工骨骼的制备，而需要依靠先进的增材制造技术才能实现。

人工骨的生物相容性与加工性主要由材料所决定，力学性能也与材料有关。当前人工骨骼的材料多采用陶瓷材料(如：羟基磷灰石、磷酸钙等)或金属材料(如：不锈钢、钛合金等)。羟基磷灰石因其强度和韧性较低，使用范围受到限制；金属植入材料的弹性模量远远高于骨组织，难以形成合理的梯度强度，在植入体相邻的骨骼会产生“应力屏蔽”效应，使得相邻骨骼没有得到足够应力的刺激而发生退化和萎缩，最终造成植入失败。聚醚醚酮(PEEK)的弹性模量与骨骼弹性模量接近，可消除应力屏蔽效应，有利于植入体与骨组织之间的骨整合,保证了PEEK种植体的长期稳定性。此外，PEEK还具有良好的生物相容性、耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀、易加工等特点，使其广泛应用于创伤、脊柱和关节等领域。但又由于PEEK的表面能较低，不利于细胞的黏附，使得PEEK植入体与宿主骨组织之间的骨整合能力较差，会发生植入体移位、笼陷或假性关节等问题，难以达到理想的植入结果。

为提高人工骨骼与人体的匹配，研究人员一方面通过物理共混或表面涂覆羟基磷灰石、磷酸钙诱导骨骼生长，或在人工骨骼表面涂覆米诺环素、地塞米松等抗菌素可抑制骨骼表面细菌的生长，降低人工骨骼表面的感染和炎症的发生；另一方面通过化学接枝的方式，在PEEK材料表面引入具有生物活性的物质，如多巴胺、明胶等，涂覆的生物活性物质不仅促进细胞的分裂生长，也提高人工骨骼的表面自由能和细胞的附着能力。尽管物理改性的方法可以促进骨细胞的快速生长，但细胞与人工骨骼表面的结合为机械互锁作用，粘接强度不高。而化学接枝通常采用等离子体、紫外线辐照的方法，诱导PEEK 表面产生自由基，利用自有反应，在PEEK表面接枝含有双键的化合物，如马来酸酐、丙烯酸、乙酸乙烯酯等，由于等离子体或紫外线辐照的方法引入自由基的效率较低，表面接枝的官能团含量较少，对于提高细胞的附着力效果并不十分显著。