光固化3D打印生物陶瓷骨软骨支架及其制备方法与流程

本发明涉及医用生物材料制备与组织工程，具体而言，本发明涉及一种光固化3d打印生物陶瓷骨软骨支架及其制备方法。

背景技术：

1、关节软骨是人体关节的重要结构，在运动功能中发挥着重要作用。由于关节软骨结构特殊且愈合能力差，一旦损伤，难以自我修复，严重影响关节的运动功能，许多运动员因此不得不告别运动生涯。对于普通人来说，关节软骨损伤通常会加速关节退变，进而导致骨关节炎，严重影响生活质量。因此，关节软骨损伤是临床上常见且难治的关节疾病，关节软骨损伤的修复与再生一直是运动医学与骨关节外科领域的重点和难点课题。

2、传统的软骨修复手术，如清创术和微骨折术，虽然能改善部分患者的症状，但新生的软骨组织通常为纤维软骨。纤维软骨不耐磨，手术的长期治疗效果较差。

3、随着生物材料科学的进步，最近出现了无细胞支架的方法。这些支架由能够允许细胞黏附和分化的生物材料制成，以支持软骨组织再生。这些支架可以与微骨折术相结合，用于覆盖骨髓刺激部位，以稳定血凝块并增强细胞前体向软骨细胞的分化。另一方面，软骨下骨的状态被认为是影响关节软骨再生的关键因素。因此，一种着眼于软骨和软骨下骨组织的新治疗原理得到了发展：发明了创新的双层支架，并引入临床应用。该技术只需进行一次手术，可为驻留细胞增殖和分化为软骨下骨和软骨组织提供再生支持。

4、目前，软骨修复支架类产品按照其相结构可以分为凝胶类和多层支架（膜）类两种。凝胶类产品通常由胶原蛋白或壳聚糖凝胶制成，如chondrofiller、coltrixcartiregen、jointrep和bst-cargel等。这些产品在注射到损伤部位后即可原位成胶，具有微创、手术操作简单等优势。然而，凝胶的力学强度较弱、降解速度较快，通常不适用于严重或周期长的软骨损伤修复。支架类产品则为两层或三层支架或薄膜结构，如maioregen、chondro-gide和chondromimetic等。这类支架在植入后通常需要通过缝合或胶粘等方式进行固定。然而，由于支架不同层面的力学强度差异大、层间粘合强度弱、固定不牢固等原因，支架在体内可能会出现松动、分层甚至崩解的情况，导致修复失败。

5、支架与创口的固定方式对于软骨的成功修复至关重要。传统软骨支架产品采用原位成胶、胶粘或缝合等方式固定，但由于粘合强度弱、力学性能差等原因，难以保障植入物的长期稳定性。cartiheal公司的agili-c采用煅烧的珊瑚骨形成的文石支架作为原料，支架具有良好的力学性能。然而，agili-c的原料为珊瑚骨，而在我国珊瑚属于稀缺的自然资源，进行大规模商业开发的可能性很低。此外，珊瑚煅烧后的微观结构不易控制，不利于产品标准化。为了使产品使用达到预期效果，必须向其内部注入生物材料，但这仍然无法改变支架本身的刚性结构，为软骨修复过程带来了许多不稳定因素。所以，亟需寻找一种与创口固定牢固、力学性能好且能够保障植入物长期稳定性的软骨支架。

技术实现思路

1、针对现有技术中的存在的问题，本发明提供了光固化3d打印生物陶瓷骨软骨支架及其制备方法。

2、一方面，本发明提供了一种光固化3d打印生物陶瓷骨软骨支架，包括由相同材料形成的软骨修复层和软骨下骨修复层，其中，

3、所述软骨修复层包括具有第一孔径的多孔结构，第一孔径为100-1000μm，

4、所述软骨下骨修复层包括具有第二孔径的多孔结构，第二孔径为300-1000μm，

5、软骨修复层与软骨下骨修复层相互邻接，并且构造成：在两者的交界处相互交错形成具有第三孔径的孔隙结构，第三孔径为50-300μm；

6、其中，第一孔径、第二孔径和第三孔径满足如下条件：第三孔径小于第一孔径，第三孔径小于第二孔径；第三孔径尺寸足以阻碍血管侵入所述软骨修复层。

7、在本发明的一些实施方式中，所述第一孔径为600 ~ 800μm。

8、在本发明的一些实施方式中，所述第二孔径为400 ~ 600μm。

9、在本发明的一些实施方式中，所述第三孔径为100 ~ 300μm。

10、在本发明的一些实施方式中，软骨修复层的多孔结构的孔壁厚度为100-300μm。

11、在本发明的一些实施方式中，软骨下骨修复层的多孔结构的孔壁厚度为200-400μm。

12、在本发明的一些实施方式中，所述骨软骨支架整体呈圆台形，其中软骨修复层形成圆台的上部，软骨下骨修复层形成圆台的下部。

13、在本发明的一些实施方式中，所述圆台的锥度为1:100~1:20。

14、在本发明的一些实施方式中，所述软骨修复层以垂直孔结构为主，与软骨细胞排列一致。

15、在本发明的一些实施方式中，所述软骨修复层还设有侧孔。

16、在本发明的一些实施方式中，所述软骨修复层的孔隙率为 50%-80%。

17、在本发明的一些实施方式中，所述软骨下骨修复层的孔隙率为40%-60%。

18、在本发明的一些实施方式中，所述软骨修复层和所述软骨下骨修复层的孔壁经过圆角处理或者倒角处理。

19、在本发明的一些实施方式中，形成软骨修复层和软骨下骨修复层的光固化3d打印浆料包括下列物质中的一种或者多种：羟基磷灰石、β-磷酸三钙、生物活性玻璃。

20、在本发明的一些实施方式中，形成软骨修复层和软骨下骨修复层的光固化3d打印浆料的固相体积分数为40% ~ 58%。

21、在本发明的一些实施方式中，形成软骨修复层和软骨下骨修复层的光固化3d打印浆料的粘度为400~8580mp·s。

22、另一方面，本发明提供了光固化3d打印生物陶瓷骨软骨支架的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

23、建立支架模型，所述支架包括软骨修复层和软骨下骨修复层，其中，所述软骨修复层包括具有第一孔径的多孔结构，第一孔径为100-1000μm；所述软骨下骨修复层包括具有第二孔径的多孔结构，第二孔径为300-1000μm；软骨修复层与软骨下骨修复层相互邻接，并且构造成：在两者的交界处相互交错形成具有第三孔径的孔隙结构，第三孔径为50-300μm；其中，第一孔径、第二孔径和第三孔径满足如下条件：第三孔径小于第一孔径，第三孔径小于第二孔径，第三孔径尺寸足以阻碍血管侵入所述软骨修复层；

24、制备软骨修复层和软骨下骨修复层的打印浆料，所述浆料包括陶瓷粉末、光敏树脂、光引发剂、光吸收剂和分散剂；

25、采用打印浆料通过3d打印形成支架素胚；

26、对支架素胚进行后处理之后进行烧结。

27、在本发明的一些实施方式中，所述陶瓷粉末包括下列物质中的一种或者多种：羟基磷灰石、β-磷酸三钙、生物活性玻璃。

28、在本发明的一些实施方式中，所述打印浆料中的固相体积分数为40% ~ 58%。

29、在本发明的一些实施方式中，所述打印浆料的粘度为400~8580mp·s。

30、在本发明的一些实施方式中，所述第一孔径为600 ~ 800μm。

31、在本发明的一些实施方式中，所述第二孔径为400 ~ 600μm。

32、在本发明的一些实施方式中，所述第三孔径为100 ~ 300μm。

33、在本发明的一些实施方式中，所述骨软骨支架整体呈圆台形，其中软骨修复层形成圆台的上部，软骨下骨修复层形成圆台的下部。

34、在本发明的一些实施方式中，所述圆台的锥度为1:100~1:20。

35、本发明相对于现有技术具有如下有益技术效果：

36、本发明通过对相同材料形成的软骨修复层和软骨下骨修复层的多孔结构进行设计，并且使两者在交界处通过相互交错形成具有较小孔径的界面，模拟钙化层功能，既能保证骨髓血携带骨髓间充质干细胞和生长因子等生物活性物质向软骨缺损部位渗透，又能阻碍下骨修复层的血管侵袭，防止软骨层钙化；并且，在修复过程中，软骨下骨修复层对软骨层的修复提供足够的支撑。

37、本发明进一步通过对形成软骨修复层和软骨下骨修复层的打印浆料的调控，改善具有交错结构的本发明的骨软骨支架的性能，避免支架在交界处发生开裂，同时提高支架的力学性能、尺寸精度和成品率等。

38、本发明进一步将支架整体设计为圆台形结构，相较于传统圆柱形支架更容易植入，支架能够稳定嵌合在损伤部位无需其他固定方式。