[發明專利]一種3D打印復合磁性金屬支架及其應用

在審

• 申請號: 201711009998.1
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107596453A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 黃振飛;于凌佳;賀宇;王海;吳志宏
• 申請（專利權）人: 中國醫學科學院北京協和醫院
• 主分類號: A61L27/56
• 分類號: A61L27/56;A61L27/50;A61L27/06;A61L27/04;A61L27/34;A61L27/02;B33Y80/00
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技術領域

本發明涉及生物醫學材料技術領域，具體涉及一種3D打印復合磁性金屬支架及其應用。

背景技術

骨缺損治療一直是困擾臨床的難題。體內實驗表明，6×6×10mm³的骨缺損即需要通過骨移植來修復。有報道稱脛骨骨折后發生延遲愈合或不愈合的情況高達13％，此外，整形外科、口腔頜面外科手術以及嚴重的創傷、感染、骨腫瘤和骨骼畸形造成的大段骨缺損等，都需要通過骨移植來修復。

臨床上骨缺損的移植材料包括自體骨和異體骨。自體骨移植一直是骨缺損治療的“金標準”，但自體骨一般取自患者的髂骨和腓骨，不但取骨量有限，而且也會造成創傷甚至取骨處感染；異體骨則存在免疫排斥、傳播疾病的風險。

目前，應用于骨組織工程的生物材料主要包括4類：生物陶瓷、高分子材料、金屬材料、復合材料。每種材料均有其特有的優點，但也普遍存在著各自的不足。第一類：生物陶瓷，包括硫酸鈣、磷酸鈣、羥基磷灰石(hydroxyapatite)、β-TCP(β-Tricalciumphosphate)、生物玻璃等。陶瓷材料與天然人骨的無機成分和晶體結構都有許多相似之處，具有極佳的生物相容性，是一種很好的骨替代材料。羥基磷灰石和磷酸三鈣用于填充和重建骨缺損，已經在骨科和齒科有了廣泛的應用。Ambrosio等研究還發現陶瓷材料具有促進干細胞向成骨細胞增殖和分化的作用。盡管生物陶瓷有包括高彈性模量、高機械強度及其優異的耐磨特性等眾多優點，卻也存在著脆性高、可塑性差、難以加工等諸多缺點，而導致其在臨床的應用受到很多約束。除此之外，如何調控陶瓷支架降解的速率也是研究的難點所在。第二類：高分子材料，分為天然高分子材料，包括膠原、殼聚糖、海藻酸鹽等；以及人工合成高分子材料，包括聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚己內酯(PCL)等。膠原、殼聚糖、海藻酸鹽等天然高分子材料具有良好的生物活性，可以促進細胞的粘附和增殖，與此同時具有良好的可降解性，但是存在的問題是加工塑型性能較差，并且其制備物力學強度往往不足，限制了在臨床的使用。人工合成高分子材料是近年來發展較快的領域，其成分單一，性狀可控，制備物具有一定的力學強度，還可以借助快速成型技術制作各種符合要求的復雜多孔結構，已經成為生物材料領域的研究主力，但其存在的問題是普遍缺乏生物活性，缺乏細胞識別的位點，并且其降解代謝產物往往對局部細胞產生負面影響。有學者研究發現聚左旋乳酸和聚乙醇酸等材料降解后會產生酸性物質，降低局部環境的pH值，導致細胞和組織壞死。第三類：金屬材料，包括不銹鋼、鈦合金、鈷鉻鉬合金、鉭金屬、鎂合金等，它們的優勢在于可以供足夠的機械強度以及擁有良好的生物相容性，但缺點是沒有生物活性并且往往不能降解吸收。第四類：復合材料，顧名思義就是聯合兩種或兩種以上上述材料所構建的復合組織工程支架。單一材料或多或少都有這樣或那樣的不足，聯合使用多種材料可以實現取長補短、優勢互補，是目前生物材料研究的新熱點。比如將生物陶瓷與高分子材料復合，不但可以獲得足夠的力學強度，還可以獲得良好的生物相容性和生物活性。

金屬材料中的鈦及鈦合金因其具有良好的生物相容性和耐腐蝕等優點已在臨床應用多年，同時也充分證實了其優異的力學性能，然而鈦合金的彈性模量約為103-110GPa，而正常松質骨的彈性模量約為0.5-3.5GPa，可見鈦合金與人體的正常骨組織彈性模量嚴重不匹配，當受應力時鈦合金和骨組織之間差異較大，容易出現應力遮擋效應，嚴重影響鈦合金植入物與骨組織的穩定性。3D打印技術的出現讓人們又重新認識了鈦合金，利用3D打印技術可以將鈦合金制備成多孔結構，這些多孔結構不但可以模擬正常天然骨組織的多孔結構，為新生骨的長入供了空間，也通過多孔結構的改變降低了材料的彈性模量，使其彈性模量接近骨組織，減少植入物對骨的應力遮擋，明顯提高植入物與骨組織結合的穩定性。然而，鈦合金屬于惰性金屬，本身沒有生物活性，也沒有細胞可以識別的位點，因此如何使用促進成骨的修飾技術對鈦合金植入物進行修飾是目前研究的重點內容。但是，由于鈦合金支架多孔的結構給傳統工藝，比如等離子噴涂、表面活性涂層、負載生長因子等各種修飾技術的應用帶來了困難，因此如何對多孔結構金屬支架進行全方位的促成骨修飾是研究熱點。