表面具有納米復合涂層的3d打印多孔金屬支架及其制備
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于骨組織修復與重建技術領域，具體涉及用于骨組織修復和重建的3D 打印多孔鈦基合金表面功能化生物涂層的制備方法及功能化支架。
【背景技術】
[0002] 由于骨科疾病的多樣化和復雜化，傳統(tǒng)的骨科內植物不能匹配患者骨骼的個體差 異，需要較長的手術時間對傳統(tǒng)植入物和骨組織缺損區(qū)進行塑形匹配，增加了患者術中出 血量，降低了手術成功率，因此在現代影像學和計算機輔助設計的基礎上，利用3D打印技 術制備患者個體化植入物，可顯著提高骨科手術的精確性和安全性，滿足患者個性化治療 的需求。
[0003] 3D打印屬于快速成型技術，通過對患者骨缺損部位進行三維數字模型重建，應用 粉末狀或液態(tài)的金屬或塑料等可黏合材料，采用逐層打印方式來構建三維物體。以Ti6A14V 合金粉末為原料，采用電子束恪融技術（Electron Beam Melting-EBM)進行三維金屬支架 增材制造的Ti6A14V合金多孔支架具有優(yōu)異的力學性能，較低的密度和彈性模量以及良好 的抗疲勞性，常用于骨組織修復與重建領域。與塊狀基體材料相比，EBM 3D多孔Ti6A14V 支架表面積以及和骨細胞的接觸面積顯著增大，更易受到人體內液態(tài)環(huán)境的侵蝕而造成Al 元素和V元素溶出，產生細胞毒性和免疫反應，同時Ti6A14V合金表面生物活性低，不能與 骨組織間形成牢固的骨鍵結合，從而造成植入失敗。因此急需利用表面改性或涂層制備技 術，在保留金屬基體固有優(yōu)良力學性能和3D多孔支架結構的同時，在材料表面制備生物活 性功能涂層，減緩/減少基體內有毒離子溶出，促進骨細胞在其表面黏附和增殖，加速植入 物與硬組織間形成化學骨性結合，提高3D打印骨科內植物的手術成功率。
[0004] 3D打印多孔Ti6A14V合金支架由于受其宏觀三維尺寸和微觀網狀多孔連通結構 限制，需采用特定表面改性和涂層制備工藝，在維持其多孔結構的同時，保證支架外部和內 部表面同時得到結構均一、結合力良好的功能涂層。電泳沉積是一項技術成熟、工藝簡單、 應用廣泛的涂層制備技術，通過沉積液中帶電物質在電場作用下定向移動至導電基體表面 沉積得到涂層。與其它涂層制備技術相比，電泳沉積具有設備簡單、成本低、操作方便、工藝 參數易于控制、不受基體材料大小和形狀限制、膜層厚度可控性強、沉積速率快和膜層形貌 均勻性好等優(yōu)點，適用于3D打印多孔Ti6A14V合金支架等非線性金屬表面涂層的工業(yè)化制 備。
[0005] 絲素蛋白是一種從家蠶中提取的天然共聚物，主要由甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸和酪 氨酸組成（占總量的95%以上）。絲素蛋白膜層具有生物相容性好、免疫原性低和可生物 降解強等優(yōu)點，并且膜層親疏水性、膜層形貌和力學性質等結構和性質可調控性強，因此可 用于醫(yī)療器械植入物表面改性和涂層制備領域，使其具有抗凝血、抗菌和促進細胞黏附等 特性。氧化石墨烯具有一定的生物相容性、優(yōu)異的力學性能、可化學修飾性強、比表面積大 以及對許多分子具有不透性等特性。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種用于提高3D打印多孔金屬支架表面生物活性的納米復 合涂層及其制備方法。
[0007] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0008] -種功能化多孔支架，是表面具有功能化生物活性納米復合涂層的3D打印多孔 金屬支架，其特征是，所述涂層為絲素蛋白-氧化石墨烯納米復合涂層。
[0009] 所述3D打印多孔金屬支架優(yōu)選3D打印多孔鈦基合金支架，特別優(yōu)選3D打印多 孔Ti6A14V合金支架，通常是以Ti6A14V合金粉末為原料，采用電子束熔融技術（Electron Beam Melting-EBM)進行增材制造得到3D打印多孔Ti6A14V合金支架。
[0010] 支架表面的功能化生物活性納米復合涂層優(yōu)選主要由絲素蛋白和氧化石墨烯組 成的納米復合涂層，以提高支架表面生物活性和抗腐蝕性。在絲素蛋白-氧化石墨烯納米 復合涂層中，氧化石墨烯質量分數為0~0. 6%。
[0011] 在本發(fā)明所述的納米復合涂層中，絲素蛋白為必要組分，除此之外，還可含有一定 量的可生物降解陶瓷、生物活性高分子、具有殺菌/抑菌作用的金屬離子和/或石墨烯衍 生物。所述可生物降解陶瓷例如：羥基磷灰石、α-磷酸三鈣、磷酸三鈣或磷酸氧四鈣 中的一種或多種的任意組合；所述生物活性高分子例如：聚羥基乙酸（PGA)、聚乳酸（PLA)、 L-聚乳酸（PLLA)、聚己酸內酯（PCL)、聚氰基丙烯酸酯（PACA)、聚對二氧雜環(huán)己烷酮、聚酸 酐、聚膦腈、氨基酸類聚合物、聚羥基丁酸酯和羥基戊酸酯及其共聚物中的一種或多種 的任意組合；所述具有殺菌/抑菌作用的金屬離子例如：銅、銀或鋅離子中的一種或多種的 任意組合；所述石墨烯衍生物選自石墨烯、氧化石墨烯、羧基化石墨烯或氨基化石墨烯中的 一種或多種的任意組合。
[0012] 本發(fā)明的表面具有功能化生物活性納米復合涂層的3D打印多孔金屬支架主要用 于生物研究和醫(yī)療用途，特別涉及骨組織修復與重建，可用于骨組織修復支架、接骨器、固 定螺絲、固定鉚釘、固定針、夾骨板或接骨套等。
[0013] 本發(fā)明還提供了上述表面具有功能化生物活性納米復合涂層的3D打印多孔金屬 支架的制備方法，是在3D打印多孔金屬支架上通過電泳沉積法或提拉法制備納米復合涂 層。
[0014] 所述絲素蛋白為家蠶或柞蠶蠶繭，通過脫膠處理后，利用溴化鋰（LiBr)等高離液 鹽、六氟異丙醇（HFIP)等氟化有機溶劑或乙酸等有機酸將其溶解后，制成絲素蛋白溶液。
[0015] 所述氧化石墨稀為以天然石墨為原料，采用Hmnmers法制備得到的氧化石墨稀， 置于水溶液中超聲分散剝離得到。
[0016] 利用含有絲素蛋白-氧化石墨烯的溶液，通過電泳沉積法和提拉法在3D打印多孔 金屬支架表面制備納米復合涂層。
[0017] 所述電泳沉積法制備納米復合涂層是將所述3D打印多孔金屬支架作為陽極， 316L不銹鋼（或鉑金、鈦合金）等作為陰極，置于絲素蛋白-氧化石墨烯沉積液中，在兩電 極間施加5V~lOV/cm直流電壓，沉積30s~5min，然后用乙醇或甲醇水溶液浸泡處理1小 時，自然晾干得到涂覆納米復合涂層的3D打印多孔金屬支架。其中，所述絲素蛋白-氧化 石墨烯沉積液中絲素蛋白濃度優(yōu)選為2. 6~3w/v% (g/mL)，氧化石墨烯濃度優(yōu)選為0. 1~ 0. 15mg/mL。所述絲素蛋白-氧化石墨烯沉積液的溶劑組成優(yōu)選為10~12 %乙醇水溶液 (按體積百分比計）。
[0018] 所述提拉法制備納米復合涂層是將所述3D打印多孔金屬支架進行酸洗，然后置 于溶解在六氟異丙醇（HFIP)等氟化有機溶劑的絲素蛋白-氧化石墨烯溶液中，浸涂后勻速 拉出，待溶劑揮發(fā)后得到涂覆納米復合涂層的3D打印多孔金屬支架。
[0019] 為提高上述涂層的生物活性、抗菌性和抗腐蝕性，涂層內可能含有一定的可生物 降解陶瓷、生物活性高分子、具有殺菌/抑菌作用的金屬離子和/或石墨烯衍生物。
[0020] 所述可生物降解陶瓷可為羥基磷灰石、α -磷酸三鈣、β -磷酸三鈣或磷酸氧四鈣 中的一種或多種的任意組合；可通過共沉積或仿生礦化方式加入絲素蛋白-氧化石墨烯涂 層中。
[0021] 所述生物活性高分子可為聚羥基乙酸（PGA)、聚乳酸（PLA)、L-聚乳酸（PLLA)、聚 己酸內酯（PCL)、聚氰基丙烯酸酯（PACA)、聚對二氧雜環(huán)己烷酮、聚酸酐、聚膦腈、氨基酸類 聚合物、聚羥基丁酸酯和羥基戊酸酯及其共聚物中的一種或多種的任意組合；可通過 物理涂敷方法加入絲素蛋白-氧化石墨烯涂層中。
[0022] 所述具有殺菌/抑菌作用的金屬離子可為銅、銀或鋅離子中的一種或多種的任意 組合；可通過物理吸附方法加入絲素蛋白-氧化石墨烯涂層中。
[0023] 所述石墨烯衍生物可為石墨烯、氧化石墨烯、羧基化石墨烯或氨基化石墨烯中的 一種或多種的任意組合?？赏ㄟ^共沉積方法加入絲素蛋白-氧化石墨烯涂層中。
[0024] 所述共沉積方式加入絲素蛋白-氧化石墨烯涂層為將上述生物降解陶瓷和/或上 述石墨烯衍生物與絲素蛋白-氧化石墨烯沉積液共混，通過所述電泳沉積法在3D金屬支架 表面制備納米復合涂層。
[0025] 所述仿生礦化方式加入絲素蛋白-氧化石墨烯涂層為將絲素蛋白-氧化石墨烯涂 層置于人體模擬液中，在其表面原位沉積生成磷灰石，從而制備得到納米復合涂層。
[0026] 所述物理涂敷法是將上述生物活性高分子溶解在三氯乙烷等有機溶劑中，然后將 絲素蛋白-氧化石墨烯涂層在高分子材料溶液中浸涂后勻速拉出；或將上述生物活性高分 子與絲素蛋白和氧化石墨烯共同溶解在有機溶劑中，然后將3D打印多孔金屬支架在該混 合溶液中浸涂后勻速拉出，待溶劑揮發(fā)后得到納米復合涂層。
[0027] 所述物理吸附法是將絲素蛋白-氧化石墨烯涂層浸泡在含有上述殺菌/抑菌作用 的金屬離子溶液中，通過靜電吸附、物理吸附等作用，使金屬離子與絲素蛋白-氧化石墨烯 涂層相結合。
[0028] 本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果：
[0029] 本發(fā)明所述的納米復合涂