一种基于3D打印的多层梯度仿生关节软骨材料制备工艺

摘要

一种基于3D打印的多层梯度仿生关节软骨材料制备工艺，属于仿生材料制备工艺。制备材料包括：用于3D打印的改性超高分子量聚乙烯材料；重铬酸氧化溶液；酯化接枝溶液；聚乙二醇溶液；三种仿生关节软骨材料。制备工艺：1)利用3D打印技术制备多孔超高分子量聚乙烯；2)在3D打印多孔超高分子量聚乙烯表面交联PVA/HA复合水凝胶仿生软骨材料；3)步骤2后的试样经酯化处理，再次交联PVA/HA-PAA复合水凝胶仿生软骨材料；4)步骤3后的试样再次酯化处理并交联PVA水凝胶仿生软骨材料；从而获得具有多层梯度结构的仿生关节软骨材料。制备出的仿生软骨材料与天然软骨结构、功能相类似，不易磨损松动、界面润滑性好、生物活性充足，一定程度上替代了软骨的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生关节软骨材料制备工艺，特别是一种基于3D打印的多层梯度仿 生关节软骨材料制备工艺。

背景技术

人体天然关节由关节面、关节腔与关节囊几部分组成，关节头和关节窝的表面覆盖着 关节软骨，关节软骨是一种高水合生物组织，主要由软骨细胞、细胞外基质和水组成。天 然关节软骨的结构是不均匀、非线性、各向异性的，自关节表面向深部可分为五层：浅表 层、中间层、深层、钙化层和软骨下骨，各层之间的成分、结构迥异，且不同区域具有不 同的力学性能，而各层之间又有着非常密切的依赖关系，共同行使软骨的功能。在人体的 正常生理环境中关节软骨可以提供一个优良的润滑承载关节面，可以承载传递7-9倍人体 的重量，并且摩擦系数极低(0.001-0.03)，通常来说，能够正常运动70年以上。

由于关节是人体承受载荷最大的生物摩擦副，因此关节软骨要承受一生中运动所致的 周而复始的磨损，随着年龄的增长，以及先天性疾病、磨损、外伤等多种因素，会导致软 骨细胞的代谢紊乱，软骨中的蛋白多糖含量大大减少，关节软骨弹性下降，胶原纤维出现 断裂，导致关节软骨不断退化和磨损，关节滑液不足，出现软化、糜烂、脱落、软骨下骨 暴露，骨与骨之间直接接触，发生硬性摩擦，关节出现疼痛、肿胀、骨摩擦音等症状，最 终导致骨关节炎的发生。目前，因关节软骨磨损导致的骨关节炎已成为世界头号致残性疾 病，全球约有4亿人忍受骨关节疾病的折磨。

人工关节假体是用人工材料制作的关节组件取代出现病变或损坏的天然关节，对于人 工植入材料摩擦副的选择，目前国内外主要集中在超高分子量聚乙烯(UHMWPE)/金属、 金属/金属及陶瓷/陶瓷关节等，但是人工植入材料不具备自然界生命力的代谢作用，假体 界面行为与生命介质的相容性差，关节植入体接触面的磨损是必然存在的现象，而且磨损 每年都在延续，磨损颗粒也一直在逐步增加。大量的临床医学研究已证实，人工关节的磨 损是关节置换无菌性松动的重要原因之一，即磨损颗粒引起的局部界面骨溶解导致的假体 无菌松动，是造成人工关节置换失败的主要原因。其临床意义不仅在于假体本身破坏所引 起的机械性失败，还在于磨损可产生大量具有诱导假体周围骨溶解生物反应的颗粒物质。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于3D打印的多层梯度仿生关节软骨材料制备工艺，通 过该方法获得一种与天然关节软骨结构与功能相类似的仿生关节软骨材料，解决人工关节 的磨损和无菌松动的问题。

本发明的目的是这样实现的：本发明仿生关节软骨的材料有：可用于3D打印的改性 超高分子量聚乙烯材料；重铬酸氧化溶液；酯化接枝溶液；聚乙二醇溶液；三种仿生关节 软骨材料。

所述的可用于3D打印的改性超高分子量聚乙烯材料具体成分包括：超高分子量聚乙 烯60.8％、低密度聚乙烯23.7％、碳纳米管8.8％、滑石粉3.4％、聚(甲基)丙烯酸酯2.7％、 抗氧剂CA0.3％、钛酸酯0.3％；

所述重铬酸氧化溶液具体成分包括：重铬酸钾20％，浓硫酸80％；

所述酯化接枝溶液具体成分包括：聚乙烯醇7％、浓硫酸1.5％、去离子水91.5％；

所述仿生关节软骨材料分为三种，具体成分分别为：

(1)聚乙烯醇15％、纳米羟基磷灰石3％、去离子水82％；

(2)聚乙烯醇14％、纳米羟基磷灰石3％、聚丙烯酸3％、去离子水80％；

(3)聚乙烯醇15％、去离子水85％；

所述的聚乙二醇溶液具体成分包括：聚乙二醇100％；

所述的聚乙烯醇纯度≥99％，重铬酸钾为分析纯级，浓硫酸为质量分数98％级，所述 的物质的百分比均为质量百分比。

基于3D打印的多层梯度仿生关节软骨材料制备工艺包括如下步骤：

1)利用三维设计软件创建具有多孔结构的超高分子量聚乙烯模型，输出STL格式文 件，导入专用3D打印软件，利用熔融沉积成型(FDM)或选择性激光烧结(SLS)技术 打印制备具有多孔结构的超高分子量聚乙烯块；

2)将具有多孔结构的超高分子量聚乙烯块浸泡在重铬酸氧化溶液中，并置于75℃水 浴锅中10min，然后将其置于50℃硝酸溶液中10min，除去氧化后表面形成的小分子物质， 取出用大量去离子水进行清洗；所述的重铬酸氧化溶液是由重铬酸钾与浓硫酸按质量百分 比1:4配置而成；

3)按质量百分比称取聚乙烯醇15％、纳米羟基磷灰石3％和去离子水82％置于容器 中，在室温下溶胀24h，接着将容器至于95℃的恒温水浴锅中，制备出PVA/HA混合溶液； 按质量百分比称取聚乙烯醇7％、浓硫酸1.5％和去离子水91.5％置于容器，按上述步骤制 备出接枝溶液；

4)将氧化与清洗后的具有多孔结构的超高分子量聚乙烯试样浸入装有接枝溶液的容 器中，置于90℃的恒温水浴锅中，搅拌，反应2h；

5)将制备好的PVA/HA混合溶液加入到多孔结构超高分子量聚乙烯试样表面，使得 PVA/HA混合溶液的厚度为1mm，将按上述方法处理后的多孔结构超高分子量聚乙烯试样 置于室温下干燥，一周之后，多孔结构超高分子量聚乙烯试样的表面形成第一层PVA/HA 复合水凝胶仿生关节软骨；

6)按质量百分比称取的聚乙烯醇14％、纳米羟基磷灰石3％、聚丙烯酸溶液3％、去 离子水80％，置于烧杯中，然后用玻璃棒轻轻搅拌片刻后用保鲜膜封口，室温下让其溶胀 2-3h；溶胀完成后放入95℃电子恒温水浴锅中加热溶解，待溶液完全溶解后将烧杯从水 浴锅中取出，获得PVA/HA-PAA混合溶液，置于超声波中超声2-3h，且将步骤5获得的 带有第一层PVA/HA复合水凝胶仿生关节软骨的多孔结构超高分子量聚乙烯试样置于 60℃的接枝溶液中，搅拌，反应2h；然后将PVA/HA-PAA混合溶液加入到步骤5处理后 的多孔结构超高分子量聚乙烯试样表面，使其厚度为0.5mm，置于温度为-20℃的低温存 储箱中冷冻10-12小时，然后在室温下解冻2-3小时，之后再放入低温存储箱中进行冷冻， 如此冷冻、解冻3次；

7)将冷冻-解冻后的试样浸入盛有聚乙二醇溶液的烧杯中，脱水1-2h，在脱水过程中 每隔一定时间对试样进行称重，当试样的重量不再发生变化，取出试样放入电阻炉中进行 退火处理，退火温度为120℃，退火时间为1h，退火完成后取出试样，并用去离子水对试 样进行清洗，除去残余的聚乙二醇溶液；将清洗后的试样放入去离子水中进行再水合，再 水合完成后，多孔结构超高分子量聚乙烯试样的表面形成第二层PVA/HA-PAA复合水凝 胶仿生关节软骨；

8)按质量百分比称取聚乙烯醇15％和去离子水85％置于容器中，在室温下溶胀24h， 接着将容器至于95℃的恒温水浴锅中，制备出PVA溶液；将步骤7处理后的多孔结构超 高分子量聚乙烯试样置于60℃的接枝溶液中，搅拌，反应2h；将制备好的质量百分比为 PVA溶液加入到步骤7处理后的多孔结构超高分子量聚乙烯试样表面，使得PVA溶液的 厚度为0.5mm，然后置于温度为-20℃的低温存储箱中冷冻10-12小时，然后在室温下解 冻2-3小时，之后再放入低温存储箱中进行冷冻，如此冷冻、解冻9次后，多孔结构超高 分子量聚乙烯试样的表面形成第三层PVA水凝胶仿生关节软骨；

9)将制备好的带有三层仿生关节软骨的多孔结构超高分子量聚乙烯试样放入盛有去 离子水的密封袋中保存。

优点：由于采用了上述方案，制备出来的多层梯度仿生关节软骨材料与天然关节软骨 结构、功能相类似，并且各层之间具有很强的结合能力，不易磨损松动、界面润滑性好、 生物活性充足，真正实现了代替软骨功能，解决了人工关节的磨损和无菌松动的问题，达 到了本发明的目的。

附图说明：

图1为本发明的3D打印后多孔结构超高分子量聚乙烯试样示意图。

图2为本发明的基于3D打印的多层梯度仿生关节软骨材料制备工艺原理图。

具体实施方式

实施例1：本发明仿生关节软骨的材料有：可用于3D打印的改性超高分子量聚乙烯 材料；重铬酸氧化溶液；酯化接枝溶液；仿生关节软骨材料。

所述的可用于3D打印的改性超高分子量聚乙烯材料具体成分包括：超高分子量聚乙 烯60.8％、低密度聚乙烯23.7％、碳纳米管8.8％、滑石粉3.4％、聚(甲基)丙烯酸酯2.7％、 抗氧剂CA0.3％、钛酸酯0.3％；

所述重铬酸氧化溶液具体成分包括：重铬酸钾20％，浓硫酸80％；

所述酯化接枝溶液具体成分包括：聚乙烯醇7％、浓硫酸1.5％、去离子水91.5％；

所述仿生关节软骨材料分为三种，具体成分分别为：

(1)聚乙烯醇15％、纳米羟基磷灰石3％、去离子水82％；

(2)聚乙烯醇14％、纳米羟基磷灰石3％、聚丙烯酸3％、去离子水80％；

(3)聚乙烯醇15％、去离子水85％；

所述的聚乙二醇溶液具体成分包括：聚乙二醇100％；

所述的聚乙烯醇纯度≥99％，重铬酸钾为分析纯级，浓硫酸为质量分数98％级，所述 的物质的百分比均为质量百分比。

基于3D打印的多层梯度仿生关节软骨材料制备工艺包括如下步骤：

1)利用三维设计软件创建具有多孔结构的超高分子量聚乙烯模型，输出STL格式文 件，导入专用3D打印软件，利用熔融沉积成型(FDM)或选择性激光烧结(SLS)技术 打印制备具有多孔结构的超高分子量聚乙烯块；

2)将具有多孔结构的超高分子量聚乙烯块浸泡在重铬酸氧化溶液中，并置于75℃水 浴锅中10min，然后将其置于50℃硝酸溶液中10min，除去氧化后表面形成的小分子物质， 取出用大量去离子水进行清洗；所述的重铬酸氧化溶液是由重铬酸钾与浓硫酸按质量百分 比1:4配置而成；

3)按质量百分比称取聚乙烯醇15％、纳米羟基磷灰石3％和去离子水82％置于容器 中，在室温下溶胀24h，接着将容器至于95℃的恒温水浴锅中，制备出PVA/HA混合溶液； 按质量百分比称取聚乙烯醇7％、浓硫酸1.5％和去离子水91.5％置于容器，按上述步骤制 备出接枝溶液；

4)将氧化与清洗后的具有多孔结构的超高分子量聚乙烯试样浸入装有接枝溶液的容 器中，置于90℃的恒温水浴锅中，搅拌，反应2h；

5)将制备好的PVA/HA混合溶液加入到多孔结构超高分子量聚乙烯试样表面，使得 PVA/HA混合溶液的厚度为1mm，将按上述方法处理后的多孔结构超高分子量聚乙烯试样 置于室温下干燥，一周之后，多孔结构超高分子量聚乙烯试样的表面形成第一层PVA/HA 复合水凝胶仿生关节软骨；

6)按质量百分比称取的聚乙烯醇14％、纳米羟基磷灰石3％、聚丙烯酸溶液3％、去 离子水80％，置于烧杯中，然后用玻璃棒轻轻搅拌片刻后用保鲜膜封口，室温下让其溶胀 2-3h；溶胀完成后放入95℃电子恒温水浴锅中加热溶解，待溶液完全溶解后将烧杯从水 浴锅中取出，获得PVA/HA-PAA混合溶液，置于超声波中超声2-3h，且将步骤5获得的 带有第一层PVA/HA复合水凝胶仿生关节软骨的多孔结构超高分子量聚乙烯试样置于 60℃的接枝溶液中，搅拌，反应2h；然后将PVA/HA-PAA混合溶液加入到步骤5处理后 的多孔结构超高分子量聚乙烯试样表面，使其厚度为0.5mm，置于温度为-20℃的低温存 储箱中冷冻10-12小时，然后在室温下解冻2-3小时，之后再放入低温存储箱中进行冷冻， 如此冷冻、解冻3次；

7)将冷冻-解冻后的试样浸入盛有聚乙二醇溶液的烧杯中，脱水1-2h，在脱水过程中 每隔一定时间对试样进行称重，当试样的重量不再发生变化，取出试样放入电阻炉中进行 退火处理，退火温度为120℃，退火时间为1h，退火完成后取出试样，并用去离子水对试 样进行清洗，除去残余的聚乙二醇溶液；将清洗后的试样放入去离子水中进行再水合，再 水合完成后，多孔结构超高分子量聚乙烯试样的表面形成第二层PVA/HA-PAA复合水凝 胶仿生关节软骨；

8)按质量百分比称取聚乙烯醇15％和去离子水85％置于容器中，在室温下溶胀24h， 接着将容器至于95℃的恒温水浴锅中，制备出PVA溶液；将步骤7处理后的多孔结构超 高分子量聚乙烯试样置于60℃的接枝溶液中，搅拌，反应2h；将制备好的质量百分比为 PVA溶液加入到步骤7处理后的多孔结构超高分子量聚乙烯试样表面，使得PVA溶液的 厚度为0.5mm，然后置于温度为-20℃的低温存储箱中冷冻10-12小时，然后在室温下解 冻2-3小时，之后再放入低温存储箱中进行冷冻，如此冷冻、解冻9次后，多孔结构超高 分子量聚乙烯试样的表面形成第三层PVA水凝胶仿生关节软骨；

9)将制备好的带有三层仿生关节软骨的多孔结构超高分子量聚乙烯试样放入盛有去 离子水的密封袋中保存。