一种3D打印带药可降解镁合金接骨板及制备方法

一种3d打印带药可降解镁合金接骨板及制备方法
技术领域
1.本发明属于生物医学技术领域，涉及一种3d打印带药可降解镁合金接骨板及其制备方法。


背景技术：

2.镁合金拥有与人体骨头相近的比刚度、比强度、杨氏模量(镁合金的杨氏模量为e=41-45gpa，人体骨头的杨氏模量为e=15-25gpa)等特点，能有效的降低应力遮挡效应，具有良好的生物可降解性，不需要二次手术取出，降低了医疗费用。另外，镁元素是人体必需的微量元素，人体每天需要摄入一定量的镁元素。由于具有诸多优点，镁被认为是具有发展潜力的可降解金属材料。目前，很多科研机构及高等院校已经开发出了医用可降解的镁合金材料，包括血管支架、接骨板、骨钉等。
3.接骨板是带孔板状骨折内固定器件，分为普通接骨板和加压接骨板两类，临床上常与骨螺钉或接骨丝配合使用。
4.市场上现有接骨板主要存在以下缺陷：（1）作用较为单一，目前接骨板主要作为固定器件使用，用于胫骨、肱骨骨折等；（2）生物相容性较差，在应用的过程中易导致产生皮下浮肿，以及在降解过程中产生有毒离子，这些均会对人体组织造成同程度的伤害；（3）降解过快，导致在人体内服役的时间较短；（4）普通的接骨板成型方式单一，且后续根据需要采用机加工方式制成所需的粗略轮廓，由于制备方式过于简单，所以容易出现不匹配的问题，导致所制接骨板的使用效率降低、个性化应用欠缺；（5）传统的接骨板其表面处理方法集中在微弧氧化、电沉积等方法，这些方法在制备膜层的过程中存在很多缺点，如：生产过程中能耗较大，电解液冷却困难，而且后续处理比较麻烦，制得的膜层较薄，膜的生物相容性差等；（6）传统的接骨板不能根据不同患者需要，精确制备适合不同患者的个性化生物材料，更不能对材料的微观结构进行精确控制。
5.cn202011222137.3的发明公开了一种防腐管道生产成型方法，采用了常规的喷涂方法，存在工序繁杂，手工作业多，生产效率低，防腐层喷涂不均匀，防腐效果差，材料浪费多，容易造成环境污染的问题。
6.因此，有必要研究一种工序简便快捷，能耗低、且能够生产出同时具有生物相容性好、无毒、杀菌、降解速度可控、服役时间长、适合不同患者的个体化的多功能接骨板的方法，以解决现有传统接骨板存在的制备方法能耗大、生物相容性差、作用单一、降解速度过快等问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种3d打印带药可降解镁合金接骨板及其制备方法，通过在镁合金内部放置消炎、止痛等药物，在不影响其固定作用的同时，使其更有利于机体组织恢复；通过3d打印技术，实现了可降解镁合金接骨板的快速成型，同时在合金表面制备了新的复合膜层，该复合膜层不仅能大幅降低镁合金的降解速率，而且在
降解过程中还能够释放出铜离子，起到杀菌的作用。本发明方法制备的接骨板具有生物相容性好、无毒、杀菌、降解速度可控、服役时间长，也能够根据不同患者的个体化用药需求制备相应的接骨板。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种3d打印带药可降解镁合金接骨板，包括可降解镁合金基板和基板表面覆盖的防护层； 所述基板开设有多孔结构, 内部可承载药物； 所述防护层是一种复合膜层；所述复合膜层包括了抗菌ldh 膜和单宁酸膜；该复合膜层能大幅降低镁合金的降解速率，使接骨板在人体内的服役时间延长，而且还能起到杀菌的作用。ldh 膜是层状双金属氢氧化物（layered double hydroxides, ldhs）膜。
9.进一步，所述基板采用高强度可降解镁合金体系，以3d打印方式加工成型。
10.优选的，所述高强度可降解镁合金体系为mg-ca、mg-zn、mg-al-zn、mg-nd-zn或mg-zn-ca系中的一种。
11.进一步，所述多孔结构包括固定孔、置药孔和置物孔；所述固定孔为通孔，分布于基板中心或四周，用于接骨板的链接固定；所述置药孔为中间孔，呈阵列分布，位于基板上、下表面，且上、下表面的置药孔不重合；所述置药孔用于承载药物，其孔深大于接骨板厚度的二分之一，小于接骨板厚度的四分之三；所述置物孔为通孔，用于放置其它需要放置在接骨板内部的物料或部件。
12.优选的，所述置药孔的数量与接骨板表面积的比例关系为每50平方厘米接骨板有 1-3个置药孔；接骨板表面积越大，置药孔数量越多，以利于药物的均匀填充与释放。
13.优选的，所述接骨板表面积为500-1500平方厘米；所述置药孔的数量为10-50个。
14.优选的，所述置药孔为圆形孔，深度为0.1 mm-10 mm，孔径为2 mm-15 mm；间隔为1 cm-5 cm。
15.优选的，所述药物被包裹在水溶性薄膜中，然后均匀放置在置药孔的孔洞中，使药物在接骨板上分布均匀。
16.优选的，所述水溶性薄膜为聚乙烯醇膜。
17.优选的，水溶性薄膜的厚度为0.01 mm-0.5 mm。
18.优选的，所述药物为促进机体组织愈合的药物。
19.优选的，所述固定孔为圆形或长椭圆形，当其为长椭圆形时长度方向孔径为15 mm-45 mm，宽度方向孔径为5 mm-15 mm；当其为圆形时孔径为4 mm-15mm。
20.优选的，所述固定孔的数量为1-5个，均匀分布于接骨板中部或四周，以利于接骨板的链接固定。
21.优选的，所述置物孔为圆形孔，有1-5个，均匀分布于接骨板中间和或四周，孔径为2 mm-15 mm。
22.进一步，所述抗菌 ldh 膜是用硝酸镁溶液、硝酸铝溶液和硝酸铜溶液制备得到的；在接骨板降解的过程中，膜层中可释放出铜离子，能够起到杀菌的作用。
23.进一步，所述单宁酸膜是用含单宁酸的溶液制备得到的。
24.在此基础上，进一步优化的技术方案是，在接骨板内部安装瞬态电子器件，便于监测接骨板周围骨头的生理状况，便于患者的康复保养。
25.所述瞬态电子器件是以金属镁为主的可降解材料，生物相容性较好，遇水即可降解，在体内不残留，能够准确的监测受伤部位处组织状况，可视化程度高。
26.进一步，所述瞬态电子器件有1-2个，放置在接骨板内部的置物孔内。
27.优选的，所述瞬态电子器件有1个时放置在接骨板中心附近的置物孔中，所述瞬态电子器件有2个时放置在位于接骨板两端的置物孔中，以提高监测数据的准确性、降低因监测位置造成的误差。
28.在此基础上，进一步的技术方案是，一种3d打印带药可降解镁合金接骨板的制备方法，包括了内部载药的基板成型和外部防护层制备，基板成型包括镁合金基板及多孔结构的成型，外部防护层制备包括ldh膜和单宁酸膜制备，具体按照以下步骤操作。
[0029] s1. 基板成型：采用三维建模软件对可降解镁合金基板及多孔模型建模，用cura软件对模型切片，利用3d打印机打印基板及多孔结构；所述多孔结构包括数个固定孔、若干个置药孔和数个置物孔；所述多孔结构的开设方式是采用3d打印方式一并打印成型，在打印前利用给定的三维图，采用建模软件设定固定孔、置药孔和置物孔数量、尺寸和排列方式等结构特征，建立三维基板主体模型，然后打印具有固定孔和上、下表面具有置药孔、置物孔的基板。
[0030]
s2. 药物和瞬态电子器件放置：多孔结构成型后，将药物用水溶性薄膜包裹后放入置药孔中；将瞬态电子器件放在置物孔中。
[0031]
s3. 基板表面成型：重复步骤s1，在步骤s2所得放置了药物和瞬态电子器件的接骨板基板表面打印一层镁合金，将置药孔和置物孔的孔口封住，同时保持固定孔贯通，实现接骨板的基板表面成型，得到成型的接骨板基板（没有膜层的裸样）。
[0032]
s4. 抛光处理：将步骤s3所得成型的接骨板基板采用机械和电化学抛光方法进行抛光。
[0033]
s5. 除油处理：将步骤s4中抛光后的接骨板基板放置在除油液中进行除油处理，除油液由磷酸钠和氢氧化钠溶液组成，除油的温度为40℃-100℃，除油时间为2min-50 min。
[0034]
s6. 酸洗和碱洗处理：将步骤s5中除油后的接骨板基板进行酸洗和碱洗处理；酸洗液选用体积百分比为5%-30%的稀硝酸，酸洗温度为10℃-40℃，酸洗时间为0.5 min-3 min；碱洗液选用氢氧化钠溶液，碱洗温度为10℃-37℃，碱洗时间1min-5min。
[0035]
s7. ldh膜制备：将步骤s6中碱洗后的接骨板基板置于烧瓶中，按照n(mg
2+
):n(al
3+
)= (1-5) :1的比例，向烧瓶中加入硝酸铝溶液，加热1min-10min后，滴加硝酸镁溶液；加热2min-15min后再滴加硝酸铜溶液，每次滴加的过程中都要保证烧瓶中混合溶液为碱性并检测ph值，20℃-100℃条件下剧烈搅拌反应1h-10h，再次调节混合溶液的ph值使混合溶液呈碱性，升温至30℃-130℃，反应3h-24h，得到覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品。
[0036]
s8. 单宁酸膜制备：将由步骤s7获得的覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品置于单宁酸溶液中或以单宁酸为主体的添加其他试剂组成的单宁酸膜制备转化液中，获得覆盖有复合膜层的接骨板样品。
[0037]
进一步，在步骤s1中，所述建模软件是pro/e、solidworks、3dmax或ug中任意一种。
[0038]
进一步，在步骤s1中，所述置药孔位于基板的上、下表面，呈阵列式排布，且上、下表面上的置药孔轴线不重合，置药孔相互不重合。
[0039]
进一步，在步骤s2中，所述药物水溶性薄膜包裹的尺寸小于基板上、下表面开设的置药孔的尺寸，便于将其放入置药孔中。
[0040]
进一步，在步骤s2中，所述瞬态电子器件的尺寸小于基板中开设的置物孔的尺寸，便于将其放入置物孔中。
[0041]
进一步，在步骤s5中，所述除油液中磷酸钠的浓度为20g/l-60g/l；氢氧化钠的浓度为2g/l-15g/l。
[0042]
进一步，在步骤s6中，所述氢氧化钠溶液的浓度为3g/l-45g/l。
[0043]
进一步，在步骤s7中，所述硝酸镁溶液的摩尔浓度为0.05m-0.5m、硝酸铝的摩尔浓度为0.01m-0.1m，硝酸铜的摩尔浓度为0.01m-0.25m；所述混合溶液的ph值为7-9.5。
[0044]
进一步，在步骤s7中，所述硝酸铝溶液的体积为550 ml
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1500 ml。
[0045]
进一步，在步骤s8中，所述单宁酸溶液的浓度为0.5g/l-5.0g/l；所述其他试剂为硼酸钠、氟化钾、磷酸钠、偏钒酸胺和氟锆酸钾中至少一种，其浓度分别为硼酸钠0.3g/l-1.5g/l、氟化钾0.05g/l-0.3g/l、磷酸钠0.2g/l-1.0g/l、偏钒酸胺0.2g/l-2.0g/l和氟锆酸钾0.2g/l-2.0g/l；所述单宁酸膜制备转化液由单宁酸加其他试剂加水配制而成，所述单宁酸膜制备转化液中单宁酸的浓为2.5g/l-5.0g/l。
[0046]
因为3d打印技术能够根据不同患者需要，快速精确地制备适合不同患者的个性化生物材料，不仅节省材料，还能够对材料的微观结构进行精确控制。所以，本发明可根据患者需求，快速精确地制备适合不同患者的个性化带药可降解镁合金接骨板。
有益效果
[0047]
与现有技术相比，本发明具有以下优点。
[0048]
1、传统的表面处理方法集中在微弧氧化、电沉积等方法，这些方法在制备膜层的过程中存在很多缺点，如：生产过程中能耗较大，电解液冷却困难，而且后续处理比较麻烦，制得的膜层较薄，膜的生物相容性差等。本发明提出的一种带药可降解镁合金接骨板，该接骨板表面的复合膜能有效地降低接骨板的降解速率，与基体的结合较好。最重要的是抗菌的ldh膜在转化的过程中能够释放出铜离子，起到杀菌的作用，有利于创口的愈合。制备单宁酸膜所用的单宁酸是从植物中提取得到的有机物，无毒、生物相容性好。抗菌的ldh膜和单宁酸膜的双重作用使得最终形成的复合膜膜层厚且致密，具有很好的保护作用，同进也具有很好的生物相容性。
[0049]
2、传统的接骨板，在设计的过程中，只是作为固定器件使用，作用单一。本发明提出的带药可降解镁合金接骨板，一方面解决了其作为固定器件的固定作用，另一方面，在设计的过程中，充分考虑了其服役环境，可根据患者需要加入可释放性药物，更加有利于机体的恢复。
[0050]
3、本发明的可释放性药物放置于接骨板的内部，这样接骨板在降解的过程中，药物能够不断释放，促进组织较快恢复，而且放置药物的置药孔开设在接骨板内部，在降解初期不影响机械性能，随着降解过程的不断进行，药物逐步缓慢释放，避免了一次性大量释放对机体所造成的损伤。
[0051]
4、本发明所用瞬态电子器件是以金属镁为主的可降解材料，生物相容性较好，遇水即可降解，在体内不残留，能够准确监测受伤部位处组织状况，可视化程度高。
[0052]
5、本发明复合膜以及接骨板中携带的药物协同作用于受伤组织，减少了体外大量摄入抗生素、消炎药、止痛药等药物，更有利于组织吸收，效果更为显著。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施例1所得接骨板立体示意图。
[0054]
图2为本发明实施例1所得接骨板的上视图。
[0055]
图3为本发明实施例1所得接骨板的下视图。
[0056]
图4为本发明实施例1所得接骨板平行于上表面的剖面图。
[0057]
图5为本发明实施例6所得表面宏观形貌图。
[0058]
图6为本发明实施例6所得表面微观形貌图。
[0059]
图7为本发明实施例6所得极化曲线。
[0060]
图8为本发明实施例6所得阻抗谱。
[0061]
图中零部件、部位及编号：1-接骨板；2-固定孔；3-置药孔；31-药物；4-置物孔；41-瞬态电子器件。
实施方式
[0062]
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明的内容并不局限于此。
[0063]
如图1-图4所示，一种3d打印带药可降解镁合金接骨板1，包括可降解镁合金基板和基板表面覆盖的防护层。
[0064]
所述基板开设有多孔结构, 内部可承载药物31。
[0065]
所述防护层是一种复合膜层；所述复合膜层包括了抗菌ldh膜和单宁酸膜；该复合膜层能大幅降低镁合金的降解速率，使接骨板1在人体内的服役时间延长，而且还能起到杀菌的作用。
[0066]
进一步，所述基板采用高强度可降解镁合金体系，以3d打印方式加工成型，其形状可根据需要进行设计。
[0067]
优选的，所述高强度可降解镁合金体系为mg-ca、mg-zn、mg-al-zn、mg-nd-zn或mg-zn-ca系中的一种。
[0068]
进一步，所述多孔结构包括固定孔2、置药孔3和置物孔4；所述固定孔2为通孔，分布于基板中部或四周，用于接骨板1的链接固定；所述置药孔3为中间孔，呈阵列分布，位于基板上、下表面，且上、下表面的置药孔3的轴线不重合，置药孔3相互间不重合；所述置药孔3用于承载药物31，其孔深大于接骨板1厚度的二分之一，小于接骨板1厚度的四分之三；所述置物孔4为通孔，用于放置其它需要放置在接骨板1内部的物料或部件。
[0069]
优选的，所述置药孔3的数量与接骨板1表面积的比例关系为每50平方厘米接骨板1有 1-3个置药孔3；接骨板1表面积越大，置药孔3数量越多，以利于药物31的均匀填充与释放。
[0070]
优选的，所述接骨板1表面积为500-1500平方厘米；所述置药孔3的数量为10-50个。
[0071]
优选的，所述置药孔3为圆形孔，深度为0.1mm-10 mm，孔径为2mm-15 mm；间隔为
1cm-5cm。
[0072]
优选的，所述药物31被包裹在水溶性薄膜中，然后均匀放置在置药孔3的孔洞中，使药物31在接骨板1上分布均匀。
[0073]
优选的，所述水溶性薄膜为聚乙烯醇膜。
[0074]
优选的，水溶性薄膜的厚度为0.01 mm-0.5 mm。
[0075]
优选的，所述药物31为促进机体组织愈合的药物31。
[0076]
优选的，所述固定孔2为圆形或长椭圆形，当其为长椭圆形时长度方向孔径为15 mm-45 mm，宽度方向孔径为5 mm-15 mm；当其为圆形时孔径为4 mm-15mm。
[0077]
优选的，所述固定孔2的数量为1-5个，均匀分布于接骨板1中间和或四周，以利于接骨板1的链接固定。
[0078]
优选的，所述置物孔4为圆形孔，有1-5个，均匀分布于接骨板1中间和或四周，孔径为2mm-15 mm。
[0079]
进一步，所述抗菌ldh膜是用硝酸镁溶液、硝酸铝溶液和硝酸铜溶液制备得到的；在接骨板1降解的过程中，膜层中可释放出铜离子，能够起到杀菌的作用。
[0080]
进一步，所述单宁酸膜是用含单宁酸的溶液制备得到的。
[0081]
在此基础上，进一步优化的技术方案是，在接骨板1内部安装瞬态电子器件41，便于监测接骨板1周围骨头的生理状况，便于患者的康复保养。
[0082]
所述瞬态电子器件41是以金属镁为主的可降解材料，生物相容性较好，遇水即可降解，在体内不残留，能够准确的监测受伤部位处组织状况，可视化程度高。
[0083]
进一步，所述瞬态电子器件41有1-2个，放置在接骨板1内部的置物孔4内。
[0084]
优选的，所述瞬态电子器件41有1个时放置在接骨板1中心附近的置物孔4中，所述瞬态电子器件41有2个时放置在位于接骨板1两端的置物孔4中，以提高监测数据的准确性、降低因监测位置造成的误差。
实施例 1
[0085]
一种3d打印带药可降解mg-ca合金接骨板1的制备，包括了内部载药的基板成型和外部防护层制备，基板成型包括mg-ca合金基板及多孔的成型，外部防护层制备包括ldh膜和单宁酸膜制备，具体的步骤如下。
[0086]
s1. 基板成型：用3dmax软件对mg-ca合金基板及多孔模型建模（接骨板1的表面积为620平方厘米；置药孔3的孔径为3 mm，数量为18个，其中上表面开设9个，下表面开设9个；置物孔4的孔径为2 mm，数量为3个；固定孔2为圆形孔，其孔径为 6 mm，数量为4个；），用cura软件对模型切片，利用3d打印机完成打印过程。
[0087]
s2. 药物31和瞬态电子器件41放置：将1个瞬态电子器件41放进基板中间的置物孔4中，将消炎药用厚度为0.01mm的水溶性薄膜包裹，然后塞进基板上、下表面的置药孔3中，使药物31均匀分布。
[0088]
s3. 基板表面成型：重复步骤s1，在步骤s2所得放置了药物31和瞬态电子器件41的接骨板基板表面打印一层镁合金，将置药孔3和置物孔4的孔口封住，同时保持固定孔2贯通，实现对可降解mg-ca合金接骨板基板表面成型，得到成型的接骨板基板（没有膜层的裸样）。
[0089]
s4. 抛光处理：将步骤s3所得成型的mg-ca合金接骨板基板采用机械和电化学抛光方法进行抛光处理获得干净表面。
[0090]
s5. 除油处理：将步骤s4中抛光后的接骨板基板放置在除油液中，在40℃下浸泡30min，进行除油处理。除油液成分为30g/l磷酸钠和5g/l氢氧化钠。
[0091]
s6. 酸洗和碱洗处理：对步骤s5中除油后的接骨板基板进行酸洗和碱洗处理。先将除油后的mg-ca合金接骨板基板浸泡于酸洗液中1 min，酸洗温度为15℃，酸洗液的成分为20%稀硝酸（体积百分比），以除去表面的氧化物；酸洗完毕后，用去离子水冲洗表面，将其置于温度为15℃的碱洗液中5 min，碱洗液的成分为4g/l氢氧化钠，碱洗完毕后，用去离子水冲洗表面，然后用暖风吹干，使表面干燥无水渍。
[0092]
s7. ldh膜制备：将步骤s6中碱洗后的接骨板基板置于烧瓶中，将1500 ml的硝酸铝溶液（浓度为 0.06 m）置于烧瓶中，加热2 min后，滴加硝酸镁溶液(浓度为 0.04 m），使得n(mg
2+
):n(al
3+
)=1:1，加热2 min后再滴加硝酸铜溶液（浓度为 0.08 m），每次滴加的过程中都要保证混合溶液呈碱性并使ph值在7-9.5之间，40℃下剧烈搅拌反应2h，再次调节混合溶液ph值使混合溶液呈碱性，升温至50℃，反应5h，得到覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品。
[0093]
s8. 单宁酸膜制备：将由步骤s7获得的覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品置于1g/l的单宁酸溶液中20℃下反应10 min，制得单宁酸膜层，由此得到覆盖有由ldh膜层和单宁酸膜层组成的复合膜层作为防护层的接骨板1样品。
[0094]
通过上述工艺制备得到的接骨板1，表面覆盖了一层致密的复合膜，膜层厚度较厚，生物相容性较好，在人体内降解的时间大于3个月。
[0095]
由实施例1所得接骨板1的立体示意图、上视图、下视图和剖面图分别如图1、图2、图3和图4所示。
实施例 2
[0096]
一种3d打印带药可降解mg-zn-ca合金接骨板1的制备，包括了内部载药的基板成型和外部防护层制备，基板成型包括mg-zn-ca合金基板及多孔的成型，外部防护层制备包括ldh膜和单宁酸膜制备，具体的步骤如下。
[0097]
s1. 基板成型：用pro/engineer软件对mg-zn-ca合金基板及多孔模型建模（接骨板1的表面积为710平方厘米；置药孔3的孔径为5 mm，数量为20个；置物孔4的孔径为 5 mm，数量为2个；固定孔2为圆形孔，其孔径为6 mm，数量为2个；），用simplify3d软件对模型切片，利用3d打印机完成打印过程。
[0098]
s2. 药物31和瞬态电子器件41放置：将1个瞬态电子器件41放进基板中间的置物孔4中，将消炎药用厚度为0.03 mm的水溶性薄膜包裹，然后塞进置药孔3中，使药物31均匀分布。
[0099]
s3. 基板表面成型：重复步骤s1，在步骤s2所得放置了药物31和瞬态电子器件41的接骨板基板表面打印一层镁合金，将置药孔3和置物孔4的孔口封住，同时保持固定孔2贯通，实现对可降解mg-zn-ca合金接骨板基板表面成型，得到成型的接骨板基板（没有膜层的裸样）。
[0100]
s4. 抛光处理：将步骤s3所得成型的mg-zn-ca合金接骨板基板采用机械和电化学
抛光方法进行抛光处理获得干净表面。
[0101]
s5. 除油处理：将步骤s4中抛光后的接骨板基板放置在除油液中，在40℃下浸泡30min，进行除油处理。除油液成分为35g/l磷酸钠和5g/l氢氧化钠。
[0102]
s6. 酸洗和碱洗处理：对步骤s5中除油后的接骨板基板进行酸洗和碱洗处理。先将除油后的mg-zn-ca合金接骨板基板浸泡于酸洗液中0.5 min，酸洗温度为25℃，酸洗液的成分为25%稀硝酸（体积百分比），以除去表面的氧化物；酸洗完毕后，用去离子水冲洗表面，将其置于温度为20℃的碱洗液中4 min，碱洗液的成分为5 g/l氢氧化钠，碱洗完毕后，用去离子水冲洗表面，然后用暖风吹干，使表面干燥无水渍。
[0103]
s7. ldh膜制备：将步骤s6中碱洗后的接骨板基板置于烧瓶中，将1000 ml的硝酸铝溶液（浓度为0.08 m）置于烧瓶中，加热4 min后，滴加硝酸镁溶液（浓度为 0.16 m），使得n(mg
2+
):n(al
3+
)=2:1，加热4 min后再滴加硝酸铜溶液（浓度为为 0.15 m），每次滴加的过程中都要保证混合溶液呈碱性并使ph值在7-9.5之间，50℃下剧烈搅拌反应2h，再次调节混合溶液ph值使混合溶液呈碱性，升温至60℃，反应4h，得到覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品。
[0104]
s8. 单宁酸膜制备：将由步骤s7获得的覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品置于2 g/l的单宁酸溶液中20℃下反应10 min，制得单宁酸膜层，由此得到覆盖有由ldh膜层和单宁酸膜层组成的复合膜层作为防护层的接骨板1样品。
实施例 3
[0105]
一种3d打印带药可降解mg-zn-ca-nd合金接骨板1的制备，包括了内部载药的基板成型和外部防护层制备，基板成型包括mg-zn-ca-nd合金基板及多孔的成型，外部防护层制备包括ldh膜和单宁酸膜制备，具体的步骤如下。
[0106]
s1. 基板成型：用solidworks软件对mg-zn-ca-nd合金基板及多孔模型建模（接骨板1的表面积为860平方厘米；置药孔3的孔径为6 mm，数量为25个；置物孔4的孔径为8 mm，数量为2个；固定孔2为圆形孔，其孔径为9 mm，数量为2个；），用hori3d software软件对模型切片，利用3d打印机完成打印过程。
[0107]
s2. 药物31和瞬态电子器件41放置：将1个瞬态电子器件41放进基板中间的置物孔4中，将消炎药用厚度为0.02 mm的水溶性薄膜包裹，然后塞进置药孔3中，使药物31均匀分布。
[0108]
s3. 基板表面成型：重复步骤s1，在步骤s2所得放置了药物31和瞬态电子器件41的接骨板基板表面打印一层镁合金，将置药孔3和置物孔4的孔口封住，同时保持固定孔2贯通，实现对可降解mg-zn-ca-nd合金接骨板基板表面成型，得到成型的接骨板基板（没有膜层的裸样）。
[0109]
s4. 抛光处理：将步骤s3所得成型的mg-zn-ca-nd合金接骨板基板采用机械和电化学抛光方法进行抛光处理获得干净表面。
[0110]
s5. 除油处理：将步骤s4中抛光后的接骨板基板放置在除油液中，在50℃下浸泡20 min，进行除油处理。除油液成分为40 g/l磷酸钠和5 g/l氢氧化钠。
[0111]
s6. 酸洗和碱洗处理：将步骤s5中除油后的接骨板基板进行酸洗和碱洗处理。先将除油后的mg-zn-ca-nd合金接骨板基板浸泡于酸洗液中0.5 min，酸洗温度为20℃，酸洗
液的成分为30%稀硝酸（体积百分比），以除去表面的氧化物；酸洗完毕后，用去离子水冲洗表面，将其置于温度为22℃的碱洗液中3 min，碱洗液的成分为6 g/l氢氧化钠，碱洗完毕后，用去离子水冲洗表面，然后用暖风吹干，使表面干燥无水渍。
[0112]
s7. ldh膜制备：将步骤s6中碱洗后的接骨板基板置于烧瓶中，将1200 ml的硝酸铝溶液（浓度为 0.1 m）置于烧瓶中，加热5 min后，滴加硝酸镁溶液（浓度为 0.3 m），使得n(mg
2+
):n(al
3+
)=3:1，加热5 min后再滴加硝酸铜溶液（浓度为 0.20 m），每次滴加的过程中都要保证混合溶液呈碱性并使ph值在7-9.5之间，60℃下剧烈搅拌反应2h，再次调节混合溶液ph值，升温至70℃，反应4h，得到覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品。
[0113]
s8. 单宁酸膜制备：将由步骤s7获得的覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品置于4 g/l的单宁酸溶液中20℃下反应5 min，制得单宁酸膜层，由此得到覆盖有由ldh膜层和单宁酸膜层组成的复合膜层作为防护层的接骨板1样品。
实施例 4
[0114]
一种3d打印带药可降解mg-zn-nd-zr合金接骨板1的制备，包括了内部载药的基板成型和外部防护层制备，基板成型包括mg-zn-nd-zr合金基板及多孔的成型，外部防护层制备包括ldh膜和单宁酸膜制备，具体的步骤如下。
[0115]
s1. 基板成型：用maya软件对mg-zn-nd-zr合金基板及多孔模型建模（接骨板的表面积为1200平方厘米；置药孔3的孔径为6 mm，数量为30个；置物孔4的孔径为12 mm，数量为3个；固定孔2为圆形孔，其孔径为10 mm，数量为2个；），用slic3r软件对模型切片，利用3d打印机完成打印过程。
[0116]
s2. 药物31和瞬态电子器件41放置：将1个瞬态电子器件41放进基板中间的置物孔4中，将消炎药用厚度为0.03 mm的水溶性薄膜包裹，然后塞进置药孔3中，使药物31均匀分布。
[0117]
s3. 基板表面成型：重复步骤s1，在步骤s2所得放置了药物31和瞬态电子器件41的接骨板基板表面打印一层镁合金，将置药孔3和置物孔4的孔口封住，同时保持固定孔2贯通，实现对可降解mg-zn-nd-zr合金接骨板基板表面成型，得到成型的接骨板基板（没有膜层的裸样）。
[0118]
s4. 抛光处理：将步骤s3所得成型的mg-zn-nd-zr合金接骨板基板采用机械和电化学抛光方法进行抛光处理获得干净表面。
[0119]
s5. 除油处理：将步骤s4中抛光后的接骨板基板放置在除油液中，在50℃下浸泡15 min，进行除油处理。除油液成分为45 g/l磷酸钠和5 g/l氢氧化钠。
[0120]
s6. 酸洗和碱洗处理：将步骤s5中除油后的接骨板基板进行酸洗和碱洗处理。先将除油后的mg-zn-nd-zr合金接骨板基板浸泡于酸洗液中1.5 min，酸洗温度为30℃，酸洗液的成分为10%稀硝酸（体积百分比），以除去表面的氧化物；酸洗完毕后，用去离子水冲洗表面，将其置于温度为25℃的碱洗液中3 min，碱洗液的成分为5 g/l氢氧化钠，碱洗完毕后，用去离子水冲洗表面，然后用暖风吹干，使表面干燥无水渍。
[0121]
s7. ldh膜制备：将步骤s6中碱洗后的接骨板基板置于烧瓶中，将1000 ml的硝酸铝溶液（浓度为0.08 m）置于烧瓶中，加热5 min后，滴加硝酸镁溶液（浓度为 0.4 m），使得n(mg
2+
):n(al
3+
)=4:1，加热5 min后再滴加硝酸铜溶液（浓度为 0.25 m），每次滴加的过程中
都要保证混合溶液呈碱性并使ph值在7-9.5之间，60℃下剧烈搅拌反应2h，再次调节混合溶液ph值使混合溶液呈碱性，升温至80℃，反应3h，得到覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品。
[0122]
s8. 单宁酸膜制备：将由步骤s7获得的覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品置于以单宁酸为主体的转化液中，转化液成分为4.0g/l单宁酸、1.0g/l偏钒酸胺、0.8g/l氟锆酸钾，在30℃下反应5 min，制得单宁酸膜层，由此得到覆盖有由ldh膜层和单宁酸膜层组成的复合膜层作为防护层的接骨板1样品。
实施例 5
[0123]
一种3d打印带药可降解mg-ca-nd合金接骨板1的制备，包括了内部载药的基板成型和外部防护层制备，基板成型包括mg-ca-nd合金基板及多孔的成型，外部防护层制备包括ldh膜和单宁酸膜制备，具体的步骤如下。
[0124]
s1. 基板成型：用ug软件对mg-ca-nd合金基板及多孔模型建模（接骨板1的表面积为 1320平方厘米；置药孔3的孔径为6 mm，数量为30个；置物孔4的孔径为15 mm，数量为 4个；固定孔2为圆形孔，其孔径为12 mm，数量为4个；），用xbuilder软件对模型切片，利用3d打印机完成打印过程。
[0125]
s2. 药物31和瞬态电子器件41放置：将1个瞬态电子器件41放进基板中间的置物孔4中，将消炎药用厚度为0.02 mm的水溶性薄膜包裹，然后塞进置药孔3中，使药物31均匀分布。
[0126]
s3. 基板表面成型：重复步骤s1，在步骤s2所得放置了药物31和瞬态电子器件41的接骨板基板表面打印一层镁合金，将置药孔3和置物孔4的孔口封住，同时保持固定孔2贯通，实现对可降解mg-ca-nd合金接骨板基板表面成型，得到成型的接骨板基板（没有膜层的裸样）。
[0127]
s4. 抛光处理：将步骤s3所得成型的mg-ca-nd合金接骨板基板采用机械和电化学抛光方法进行抛光处理获得干净表面。
[0128]
s5. 除油处理：将步骤s4中抛光后的接骨板基板放置在除油液中，在55℃下浸泡10 min，进行除油处理。除油液成分为50 g/l磷酸钠和5 g/l氢氧化钠。
[0129]
s6. 酸洗和碱洗处理：将步骤s5中除油后的接骨板基板进行酸洗和碱洗处理。先将除油后的mg-ca-nd合金接骨板基板浸泡于酸洗液中1.5 min，酸洗温度为30℃，酸洗液的成分为10%稀硝酸（体积百分比），以除去表面的氧化物；酸洗完毕后，用去离子水冲洗表面，将其置于温度为30℃的碱洗液中2.5 min，碱洗液的成分为6 g/l氢氧化钠，碱洗完毕后，用去离子水冲洗表面，然后用暖风吹干，使表面干燥无水渍。
[0130]
s7. ldh膜制备：将步骤s6中碱洗后的接骨板基板置于烧瓶中，将1000 ml的硝酸铝溶液（浓度为 0.05 m）置于烧瓶中，加热7 min后，滴加硝酸镁溶液（浓度为 0.25 m），使得n(mg
2+
):n(al
3+
)=5:1，加热7 min后再滴加硝酸铜溶液（浓度为 0.20 m），每次滴加的过程中都要保证混合溶液呈碱性并使ph值在7-9.5之间，60℃下剧烈搅拌反应2h，再次调节混合溶液ph值使混合溶液呈碱性，升温至100℃，反应2h，得到覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品。
[0131]
s8. 单宁酸膜制备：将由步骤s7获得的覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品置于以单宁酸为主体的转化液中，转化液的成分为3.0g/l单宁酸，1.0g/l偏钒酸胺，1.5g/l氟锆酸
钾，在30℃下反应5 min，制得单宁酸膜层，由此得到覆盖有由ldh膜层和单宁酸膜层组成的复合膜层作为防护层的接骨板1样品。
实施例 6
[0132]
将实施例1所得成型的mg-ca合金接骨板基板（没有膜层的裸样）、覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品及覆盖有复合膜层的接骨板样品在模拟体液中浸泡5天后，观察表面宏观形貌，表面宏观形貌图如图5所示。由图5可以看出，浸泡五天后，与ldh膜和复合膜层样品比较，裸样表面出现了更多的白色物质（来源于mg
2+
+h2o
→
mg(oh)2）。覆盖有ldh膜层的样品和覆盖有复合膜层的样品由于表面膜层的保护，腐蚀得到抑制，复合膜层展现出更好的保护性。
[0133]
将实施例1所得成型的mg-ca合金接骨板基板（没有膜层的裸样）、覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品及覆盖有复合膜层的接骨板样品在在模拟体液中浸泡5天后，观察表面微观形貌，表面微观形貌图如图6所示。浸泡五天后，由图6可以看出，对于裸样，mg-ca表面没有膜层时，腐蚀速率快，出现了大量的腐蚀产物，降解严重；覆盖有ldh膜层的样品，只有ldh膜层，其膜层表面出现了裂纹，且膜层表面出现了分布较为密集的，细小的腐蚀产物；覆盖有复合膜层的样品，复合膜层的膜层表面比较致密，有较少的裂纹出现，表面零星的分布着少量腐蚀产物，降解速率缓慢，膜层起到了最优的保护作用。
[0134]
绘制极化曲线和阻抗谱，对比分析实施例1所得成型的mg-ca合金接骨板基板（没有膜层的裸样）、覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品及覆盖有复合膜层的接骨板样品，这三种样品的腐蚀行为。三种样品的极化电阻表现为有复合膜层的最大，ldh膜层次之，裸样最小，耐蚀性复合膜层最好。极化曲线斜率越小，越易腐蚀，表现为复合膜层的耐蚀性最好。与阻抗谱腐蚀行为表现一致。极化曲线如图7所示，阻抗谱如图8所示。
[0135]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明的权利范围。任何以本技术专利范围所涵盖的权利范围而实施的技术方案，或者任何熟悉本领域的技术人员，利用上述揭示的方法内容做出许多可能的变动和修饰的方案，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种3d打印带药可降解镁合金接骨板，其特征在于：包括可降解镁合金基板和基板表面覆盖的防护层；所述基板开设有多孔结构, 内部承载药物；所述防护层是一种复合膜层；所述复合膜层包括了抗菌ldh膜和单宁酸膜；所述多孔结构包括固定孔、置药孔和置物孔；所述固定孔为通孔，分布于基板中心或四周，用于接骨板的链接固定；所述置药孔为中间孔，呈阵列分布，位于基板上、下表面，且上、下表面的置药孔不重合；所述置药孔用于承载药物；所述置物孔用于放置其它需要放置在接骨板内部的物料或部件。2.如权利要求1所述一种3d打印带药可降解镁合金接骨板，其特征在于：所述基板采用高强度可降解镁合金体系，以3d打印方式加工成型。3.如权利要求1所述一种3d打印带药可降解镁合金接骨板，所述高强度可降解镁合金体系为mg-ca、mg-zn、mg-al-zn、mg-nd-zn或mg-zn-ca系中的一种。4. 如权利要求1所述一种3d打印带药可降解镁合金接骨板，其特征在于：所述置药孔的数量与接骨板表面积的比例关系为每50平方厘米接骨板有 1-3个置药孔；所述置药孔为圆形孔，深度为0.1mm-10 mm，孔径为2mm-15 mm，间隔为1cm-5cm。5.如权利要求1所述一种3d打印带药可降解镁合金接骨板，其特征在于：所述药物被包裹在水溶性薄膜中，然后均匀放置在置药孔的孔洞中，使药物在接骨板上分布均匀。6. 如权利要求5所述一种3d打印带药可降解镁合金接骨板，其特征在于：所述水溶性薄膜为聚乙烯醇膜；所述水溶性薄膜的厚度为0.01 mm-0.5 mm。7.如权利要求1所述一种3d打印带药可降解镁合金接骨板，其特征在于：所述单宁酸膜是用含单宁酸的溶液制备的；所述抗菌ldh膜是用硝酸镁溶液、硝酸铝溶液和硝酸铜溶液制备得到的。8.如权利要求1-7所述一种3d打印带药可降解镁合金接骨板，其特征在于：在所述置物孔内安装瞬态电子器件，用于监测接骨板周围骨头的生理状况。9.如权利要求8所述一种3d打印带药可降解镁合金接骨板的制备方法，按如下步骤操作：s1. 基板成型：采用三维建模软件对可降解镁合金基板及多孔模型建模，用cura软件对模型切片，利用3d打印机打印基板及多孔结构；所述多孔结构包括数个固定孔、若干个置药孔和数个置物孔；所述多孔结构的开设方式是采用3d打印方式一并打印成型；s2. 药物和瞬态电子器件放置：多孔结构成型后，将药物用水溶性薄膜包裹后放入置药孔中；将瞬态电子器件放在置物孔中；s3. 基板表面成型：重复步骤s1，在步骤s2所得放置了药物和瞬态电子器件的接骨板基板表面打印一层镁合金，将置药孔和置物孔的孔口封住，同时保持固定孔贯通，实现接骨板的基板表面成型；s4. 抛光处理：将步骤s3所得成型的接骨板基板采用机械和电化学抛光方法进行抛光；s5. 除油处理：将步骤s4中抛光后的接骨板基板放置在除油液中进行除油处理，除油液由磷酸钠和氢氧化钠溶液组成，除油的温度为40℃-100℃，除油时间为2min-50min；s6. 酸洗和碱洗处理：将步骤s5中除油后的接骨板基板进行酸洗和碱洗处理；酸洗液选用体积百分比为5%-30%的稀硝酸，酸洗温度为10℃-40℃，酸洗时间为0.5 min-3 min；碱洗液选用氢氧化钠溶液，碱洗温度为10℃-37℃，碱洗时间1min-5min；
s7. ldh膜制备：将步骤s6中碱洗后的接骨板基板置于烧瓶中，按照n(mg
2+
):n(al
3+
)= (1-5) :1的比例，向烧瓶中加入硝酸铝溶液，加热1min-10min后，滴加硝酸镁溶液；加热2min-15min后再滴加硝酸铜溶液，每次滴加的过程中都要保证烧瓶中混合溶液为碱性并检测ph值，20℃-100℃条件下剧烈搅拌反应1h-10h，再次调节混合溶液的ph值使混合溶液呈碱性，升温至30℃-130℃，反应3h-24h，得到覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品；s8. 单宁酸膜制备：将由步骤s7获得的覆盖有抗菌ldh膜层的接骨板样品置于单宁酸溶液中或以单宁酸为主体的添加其他试剂组成的单宁酸膜制备转化液中，获得覆盖有复合膜层的接骨板样品。10.如权利要求9所述一种3d打印带药可降解镁合金接骨板制备方法，其特征在于：在步骤s1中，所述建模软件是pro/e、solidworks、3dmax或ug中任意一种；所述置药孔位于基板的上、下表面，呈阵列式排布，且上、下表面上的置药孔不重合；在步骤s2中，所述药物水溶性薄膜包裹的尺寸小于基板上、下表面开设的置药孔的尺寸，便于将其放入置药孔中；所述瞬态电子器件的尺寸小于基板上开设的置物孔的尺寸，便于将其放入置物孔中；在步骤s5中，所述除油液中磷酸钠的浓度为20g/l-60g/l；氢氧化钠的浓度为2g/l-15g/l；在步骤s6中，所述氢氧化钠溶液的浓度为3g/l-45g/l；在步骤s7中，所述硝酸镁溶液的摩尔浓度为质量为0.05m-0.5m、硝酸铝的摩尔浓度为0.01m-0.1m，硝酸铜的摩尔浓度为0.01m-0.25m；所述混合溶液的ph值为7-9.5；在步骤s7中，所述硝酸铝溶液的体积为550 ml
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1500 ml；在步骤s8中，所述单宁酸溶液的浓度为0.5g/l-5.0g/l；所述其他试剂为硼酸钠、氟化钾、磷酸钠、偏钒酸胺和氟锆酸钾中至少一种，其浓度分别为硼酸钠0.3g/l-1.5g/l、氟化钾0.05g/l-0.3g/l、磷酸钠0.2g/l-1.0g/l、偏钒酸胺0.2g/l-2.0g/l和氟锆酸钾0.2g/l-2.0g/l；所述单宁酸膜制备转化液由单宁酸加其他试剂加水配制而成，所述单宁酸膜制备转化液中单宁酸的浓为2.5g/l-5.0g/l。

技术总结
本发明涉及一种3D打印带药可降解镁合金接骨板及其制备方法，属于生物医学技术领域。本发明3D打印带药可降解镁合金接骨板，包括可降解镁合金基板和基板表面覆盖的防护层；所述基板开设有多孔结构,所述多孔结构包括固定孔、置药孔和置物孔；所述置药孔用于承载药物；所述置物孔中安装瞬态电子器件，用于监测接骨板周围受伤部位组织状况；所述防护层是一种复合膜层，包括抗菌LDH膜和单宁酸膜；该复合膜层生物相容性好，同时具有很好的保护作用，能大幅降低镁合金的降解速率，使接骨板在人体内的服役时间延长，而且还能起到杀菌的作用。本发明的3D打印带药可降解镁合金接骨板制备方法，可快速精确地制备适合不同患者个性化需求的带药可降解镁合金接骨板。带药可降解镁合金接骨板。


技术研发人员：梁敏洁 吴存 廖海洪
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/9