一种含锌人工骨及其制备方法
技术领域
本发明属于医疗技术领域，涉及一种临床骨缺损修复用含锌人工骨及其制备方法。
背景技术
骨缺损是骨科临床常见病症，缺损原因是患者因为严重创伤、关节置换、骨肿瘤切除、骨髓炎、先天畸形等各种骨科病症所导致。治疗骨缺损最有效的手段是进行骨移植手术修复。在骨缺损修复中采用何种修复材料，一直是临床医学和生物材料学努力研发的方向。自体骨移植一直是最理想的植骨材料，但因供区受限、二次手术、引发感染、供区结构破坏及残留疼痛等缺点，使其应用受到局限。同种异体骨具有组织形态、结构、强度及骨诱导能力等优点，但存在免疫排斥及疾病传播的潜在危险。异种骨有类似异体骨的优点，但有无法回避的伦理学问题，且排异反应和疾病传播更为明显。上述材料的不足使骨替代材料一直成为研究的热点，通过长期的研究和改进，一些新的植骨材料相继出现，包括金属、有机材料和无机材料等。其中，羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(TCP)生物陶瓷与人的骨矿物组成最为相似。这两种材料在目前已上市的骨缺损修复用人工骨植入物中应用最多。HA最先被应用，但是它在人体内降解缓慢或者基本不降解。β-TCP虽然具有可生物降解的优点，但是它的力学强度较差，较难满足承重部位的骨修复需要。所以传统上由这两种材料单一或者组合制备的人工骨，都存在成骨性能和力学性能不足的缺点。
公开号为CN 103845762A的中国专利文件公开了一种激光制备多孔骨支架并添加氧化锌提高性能的方法，但它采用的是激光烧结(SLS)工艺，激光光斑照射的温度高达2000℃-3000℃，在高温条件下把加入的氧化锌熔化为液相，用来填充陶瓷粉末间隙而使之致密化。虽然这样做有利于提高机械性能，但是牺牲了含锌成分和生物陶瓷材料的生物活性。激光烧结使生物陶瓷材料和氧化锌高温瓷化，制备出的人工骨在体内难以生物降解。
而公开号为CN 210096010U的中国实用新型专利文件公开了一种骨组织工程支架，该支架是用金属钛或者锌合金制备主体网格支架，并且内部设计金属支撑柱。然后在该金属主体网格支架上填充锌基金属球、金属丝卷成的蓬松球，以及填充β-TCP颗粒。虽然应用目的是骨组织工程领域，但该支架实质上是一款金属支架。如果用钛金属做支架网格主体，则众所周知，钛或者钛合金非常稳定，不降解。如果全部用锌或者锌基金属做支架网格主体，那么加上填充的锌基金属球，整个支架几乎全部为锌基金属材料制备。这样带来的问题是，锌要全部降解完，周期会非常长，短则几年，长则十几年。更为严重的是，局部锌离子浓度过高，会超过锌离子的安全浓度阈值(在100～150uM之间)，超过安全浓度阈值对组织周围细胞的生长有毒性，有危害。这作为医疗植入物是不可接受的。
公开号为CN 110508788A的中国专利文件公开了一种锌或锌合金或其复合材料组织工程支架的制备方法，该制备方法先是用3D打印制备出一个聚乳酸多孔支架，然后用熔模铸造的原理，用石膏、盐灌注浆料包裹聚乳酸支架。再用560℃～650℃的高温将聚乳酸溶解去除，然后往翻模体中浇铸锌或锌合金熔融金属液，最后洗掉包裹材料。得到锌或锌基金属多孔支架。其原理就是熔模铸造的原理，得到的还是锌或锌基金属支架。金属支架与生物陶瓷支架不同，主体材料不同。
另外，公开号为CN 111012949A的中国专利文件公开了一种具有抗炎功能的含锌离子组织工程支架的制备方法。此专利巧妙应用了锌离子的抗炎功能的优点，但是它是一个利用沃顿胶为支架主体，诱导沉积锌离子的软骨组织工程支架，应用于软骨修复领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种骨组织修复用含锌人工骨及其制备方法，解决了传统生物陶瓷人工骨骨诱导性差、促成骨性能不佳的问题，解决了传统生物陶瓷人工骨力学强度较差、较难满足承重部位的骨修复问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种含锌人工骨，其制备原料包括：含锌粉末、生物陶瓷粉末和高分子聚合物粘结剂；按照质量百分比计，各原料用量为：含锌粉末0.1％-15％，生物陶瓷粉末80％-98％，高分子聚合物粘合剂0.5％-10％。
优选的，所述的含锌粉末为纯锌粉末、锌基金属粉末、氧化锌、氢氧化锌粉末和氯化锌粉末中的任意一种或多种的混合物。
进一步的，所述锌基金属粉末中含有锌和合金元素，合金元素为Mg、Li、Fe、Ag、Ca、Sr和Mn元素中的任意一种或至少两种的组合。
优选的，所述生物陶瓷粉末为羟基磷灰石、磷酸三钙、硫酸钙、硅酸钙、碳酸钙、硅酸镁钙和生物活性玻璃中的一种或至少两种的组合。
优选的，所述高分子聚合物粘合剂为聚乙烯醇、右旋聚乳酸、左旋聚乳酸、外消旋聚乳酸聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚己内酯、磷酸、光敏树脂、壳聚糖、明胶、透明质酸和海藻酸钠中的一种或多种的组合。
所述的含锌人工骨的制备方法，通过3D打印工艺制备得到。
优选的，所述3D打印工艺为无丝挤出3D打印工艺、铺粉3D打印工艺或光固化3D打印工艺。
进一步的，所述无丝挤出3D打印工艺如下：
(1)膏体制备：将生物陶瓷粉末和含锌粉末混合均匀，得到固体料，将高分子聚合物粘结剂加水稀释成水溶液，得到液体料；固体料和液体料混合后搅拌均匀，再进行脱泡处理后得到膏体；
(2)人工骨三维模型：使用三维建模CAD软件建立标准件的三维模型或者利用患者CT数据获取缺损部位的三维模型，将三维模型利用3D Slicer软件和FreeCAD软件设计出打印人工骨的G code文件；
(3)无丝挤出3D打印：利用3D生物陶瓷打印机，根据G code文件进行人工骨的打印；
(4)冷冻干燥：将上述步骤(3)无丝挤出3D打印制备的人工骨进行冷冻干燥，获得含锌人工骨。
优选的，所述铺粉3D打印工艺如下：
(1)备料：将生物陶瓷粉末和含锌粉末混合，搅拌均匀后将得到的粉料平铺在打印机料箱内；配制粘结剂；
(2)人工骨三维模型：使用三维建模CAD软件设计多孔人工骨模型，并导出*.STL格式数据；
(3)粉末黏结三维打印：将上述步骤(2)导出的*.STL格式数据输入到3D打印机，利用3D打印机读取人工骨三维截面信息数据，根据人工骨三维截面信息数据喷洒粘结剂，选择性地将打印机料箱中生物陶瓷材料和含锌粉末材料黏在一起，得到人工骨；
(4)干燥：待步骤(3)完成后，将人工骨干燥，吹去未黏结的粉末，获得含锌人工骨。
优选的，所述光固化3D打印含锌人工骨的制备方法如下：
(1)光固化浆料配制：将生物陶瓷粉末、含锌粉末和光敏树脂混合，搅拌均匀；
(2)人工骨三维模型：在计算机中利用CAD软件设计人工骨的三维模型，将计算机与DLP光固化陶瓷3D打印机数据连接，DLP光固化陶瓷3D打印机配套的软件将三维模型形成数控程序；
(3)DLP光固化陶瓷3D打印机进行三维打印，打印完成后将成型的人工骨取出；
(4)清洗：将上述步骤(3)打印成型的人工骨放入清洗液中进行清洗；
(5)烧结：将上述步骤(4)清洗之后的人工骨放入烧结炉烧结，然后随炉冷却后获得含锌人工骨。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
锌(Zn)作为一种人体必需的元素，人体90％的锌元素储存于肌肉和骨骼中，是蛋白质合成和能量代谢过程中最重要的元素之一，参与人体细胞发育生长、基因表达、免疫系统和神经系统等大量生理反应过程，具有良好的促进成骨作用，并可富集骨髓间充质干细胞。锌对骨的正常发育、代谢和功能起重要作用。锌可以刺激骨的生长、对于成骨细胞的增殖有特殊的直接刺激作用，而对于破骨细胞有一定的抑制作用。由于锌的标准电极电位(-0.763V)比较低，锌在人体内可以电化学降解并释放出锌离子，锌离子能促进骨形成及矿化，因此成骨性能优良的锌可以作为理想的人工骨材料的有益成分。常温环境下加入锌粉末制备出的人工骨除了具有良好的促成骨性能和可生物降解的优点之外，人工骨的力学强度也大大提高，可满足承重部位的骨缺损修复需要。本发明提供的人工骨中，通过有益元素锌的加入，利用锌离子良好的促成骨性能，解决传统生物陶瓷人工骨骨诱导性差，促成骨性能不佳的问题。同时锌粉末作为颗粒状增强相，它的加入带来人工骨的弥散强化，解决传统生物陶瓷人工骨力学强度较差，较难满足承重部位的骨修复需要的问题。
进一步的，锌基金属的生物功能性也值得关注，在赋予其不同的合金元素(如Mg、Li、Fe、Ag、Ca、Sr、Mn)后，可进一步优化其促成骨抑破骨的生物学功能，可以此为基础制备骨缺损修复材料。
本发明所述人工骨采用增材制造(3D打印)工艺制备。对多孔结构中的孔隙率、孔径大小、孔间距、孔连通性和孔分布特点等进行精确设计和制造，为骨缺损周围的干细胞组织提供营养输送和代谢排放的通道以及细胞黏附和生长的微环境，有利于新生骨组织长入和再生修复。
附图说明
图1是采用无丝挤出3D打印制备的含纯锌人工骨实物图。
图2是采用无丝挤出3D打印制备的含纯锌人工骨扫描电镜照片。
图3是光固化3D打印的含锌人工骨实物图。
图4是含锌人工骨植入兔股骨髓腔内术后4周。
图5是传统人工骨植入兔股骨髓腔内术后4周。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，本发明用以下具体实施例和附图进行说明，但绝非仅限于此。以下所述为本发明较好的实施例，仅仅用于描述本发明，不能理解为对本发明的限制，应当指出的是在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明所述含锌人工骨，原料包括含锌粉末、生物陶瓷粉末和高分子聚合物粘结剂。
所述人工骨的原料，以总质量为100％计，含锌粉末的质量百分比为0.1-15％，例如2％、4％、5％、8％、10％、11％、12％、13％、14％等。所述生物陶瓷材料占人工骨组成成分的质量百分比为80-98％。所述高分子聚合物粘合剂占人工骨组成成分的质量百分比为0.5-10％。
本发明所述的含锌粉末指的是粒径在微米级或者纳米级的含有锌元素的微粒，锌元素可以包含多种存在的形式，例如纯锌、锌基金属、氧化锌、氯化锌、氢氧化锌等。所述含锌粉末选自纯锌粉末、锌基金属粉末、氢氧化锌粉末或氯化锌粉末中的任意一种或至少两种的组合。所述锌基金属含有少量的其它合金元素，如Mg、Li、Fe、Ag、Ca、Sr、Mn元素中的任意一种或至少两种的组合。所述锌基金属的组成成分，以总质量为100％计，合金元素的质量百分比为0.1-20％，其余为锌。
所述含锌粉末的粒径为10nm-100μm，例如20nm、40nm、50nm、100nm、500nm、1μm、5μm、10μm、50μm、80μm等。
所述生物陶瓷材料包括羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(TCP)、硫酸钙、硅酸钙、碳酸钙、硅酸镁钙、生物活性玻璃中的一种或至少两种的组合。
所述高分子聚合物粘合剂包括聚乙烯醇(PVA)、右旋聚乳酸(PDLA)、左旋聚乳酸(PLLA)、外消旋聚乳酸聚乙醇酸(PDLLA)、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)，聚己内酯(PCL)、磷酸、光敏树脂、壳聚糖、明胶、透明质酸或海藻酸钠中的一种或任何组合。所述高分子聚合物粘合剂生物相容性良好，易于加工，具有弹性和可生物降解。
本发明提供了所述含锌人工骨的制备方法，是通过增材制造(3D打印)的工艺制备的。所述增材制造(3D打印)的制备方法，可以是无丝挤出3D打印工艺、铺粉3D打印工艺或光固化3D打印工艺。它们都能通过适当的粘结剂选择和工艺方法的调整，制备出本专利所述含锌人工骨。
所述无丝挤出3D打印含锌人工骨的制备方法如下：
(1)膏体制备：将生物陶瓷粉末、含锌粉末按比例称量后混合均匀，得到固体料，将高分子聚合物粘结剂稀释成一定浓度的水溶液，得到液体料。固体料和液体料混合后搅拌均匀，再进行脱泡处理后得到可挤出的膏体；
(2)人工骨三维模型：使用三维建模CAD软件建立标准件的三维模型或者利用患者CT数据获取缺损部位的三维模型，将三维模型利用3D Slicer软件和FreeCAD软件设计出打印人工骨的G code文件；
(3)无丝挤出3D打印：利用3D生物陶瓷打印机(西安点云生物科技有限公司)进行人工骨的打印。首先将上述步骤(1)中均匀的膏体装入料筒后接入打印头中，然后将上述步骤(2)设计好的人工骨G code文件载入PC Printer软件，设置打印参数，进行无丝挤出3D打印，得到多孔结构含锌人工骨；
(4)冷冻干燥：将上述步骤(3)无丝挤出3D打印制备的人工骨于-60℃中冷冻干燥16～24h，获得最终含锌人工骨成品。
通过上述方法制备的含锌人工骨。优点是含锌粉末和陶瓷粉末混合均匀，在高分子聚合物粘结剂的作用下3D打印成型。含锌粉末与生物陶瓷粉末之间是物理混合，避免了高温烧结等工艺对含锌成分引起的改性和变性。从而保证了含锌成分的正常释放和降解。另外，上述无丝挤出3D打印制备多孔结构含锌人工骨，能通过计算机对多孔结构的孔径、孔间距、丝径、孔连通性等进行精确的设计和制造。有针对性地设计出符合成骨细胞生长的孔径要求(约200-600μm)，营养物质输送通道和代谢物质排放通道。孔连通性高达95％以上。该方法制备的含锌人工骨不仅具有良好的骨传导、骨诱导性，而且促成骨性能优良。
所述铺粉3D打印含锌人工骨的制备方法如下：
(1)配制粘结剂：如将磷酸溶解于纯水中，得到稀释后的磷酸溶液。或者将聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯等溶解于有机溶剂，得到稀释后的一定比例的高分子聚合物粘结剂；
(2)人工骨三维模型：使用三维建模CAD软件设计多孔人工骨(如设定长、宽、高、或者直径等几何参数、设定孔隙率、大孔直径、孔间距等参数，并将其导出*.STL格式数据；
(3)铺粉打印：将上述步骤(2)导出的*.STL格式数据输入到3D打印机(Zprinter250，美国3D Systems公司)，3D打印机读取人工骨三维多孔结构截面信息数据，通过控制喷嘴，喷洒粘结剂，选择性地将生物陶瓷材料、含锌粉末材料黏在一起形成截面轮廓，层层递进，最后得到成型人工骨；打印过程中铺粉厚度为0.1mm，黏结剂的控制用量为0.3L/m2。
(4)干燥：待上述步骤(3)打印完毕，人工骨放在干燥箱中干燥2h(干燥温度维持在50℃)，然后取出人工骨，用压缩空气吹去未黏结的粉末，获得含锌人工骨成品。
通过上述方法制备的含锌人工骨。其几何尺寸与设计尺寸基本一致。粉料混合均匀。含锌粉末与生物陶瓷粉末物理结合，未发生改性或者变性反应。其它工艺优点同无丝挤出3D打印方法，不再累述。
所述光固化3D打印含锌人工骨的制备方法如下：
(1)光固化浆料配制：将粒径小于层厚(50μm)的生物陶瓷粉末、含锌粉末和光敏树脂按一定比例称量后混合，搅拌均匀；
(2)人工骨三维模型：在计算机中利用CAD软件设计人工骨的三维模型，将计算机与DLP光固化陶瓷3D打印机数据连接，DLP光固化陶瓷3D打印机配套的软件将三维模型形成数控程序；
(3)DLP光固化陶瓷3D打印机(西安点云生物科技有限公司)，进行三维打印。逐层自动打印，层厚50μm。打印完成后将成型的人工骨取出；
(4)清洗：将上述步骤(3)打印成型的人工骨放入清洗液中进行清洗；
(5)烧结：将上述步骤(4)清洗之后的人工骨放入烧结炉，温度1150℃，保温2小时，随炉冷却后获得含锌人工骨成品。
通过上述光固化3D打印方法制备的含锌人工骨，它的优点是光固化工艺能制造出极其复杂的几何形状，并且几何尺寸精度非常高。尤其适合设计如圆形、椭圆形、菱形等特殊孔型。并且能精确设计和制造复杂孔分布特点的多孔结构人工骨。诸如外层仿皮质骨的致密孔型，内层仿松质骨的疏松孔型，只能通过光固化3D打印实现。烧结之后人工骨的强度非常高，尤其适合承重部位的骨缺损修复。纯锌或者含锌成分会被氧化成氧化锌，氢氧化锌和氧化锌都能在模拟体液中溶解，释放有益于促成骨作用的锌离子。
本发明提供的含锌人工骨，可以达到调控锌离子释放量和释放速率的目的。首先，锌元素占人工骨质量百分比的多少，决定了人工骨单位面积上锌元素含量的多少，这直接影响了单位时间内人工骨锌离子释放量的多少。其次，高分子聚合物粘结剂会与降解游离的锌离子发生相互作用，能成功负载锌离子并通过缓释作用释放。使锌离子在整个骨修复过程中诱导干细胞分化为成骨细胞，满足不同植入部位和不同植入时间对人工骨中锌离子降解速率要求。
当人工骨应用于病灶部位时，在体液的浸泡作用下。含锌成分会被周围体液浸泡并缓慢降解。研究表明纯锌在体内的降解产物分别为氯水锌矿Zn5(OH)8Cl2·H2O、氧化锌ZnO和水锌矿Zn5(CO3)2(OH)6，它们都是可溶性盐并会析出锌离子。由于人工骨中的高分子聚合物粘结剂含有可与锌离子相互作用的功能团，这些有机物的功能团包括羧基、磷酸基或酚羟基等。功能团可与锌离子产生诸如螯合、交联或静电结合的相互作用，形成负载了锌离子的功能性化合物。这延缓了锌在体内的降解速度，因为骨组织的修复周期比较长，一般需要3至6个月。高分子聚合物粘结剂中的功能团与锌离子的相互结合作用，有助于调控锌离子的降解释放速率。让锌离子的浓度阈值远低于100uM(研究表明具有明显细胞毒性的锌离子浓度阈值在100～150uM之间)。
控制人工骨中锌元素含量的多与少，能够控制锌离子总的释放量。同时控制高分子聚合物粘结剂的浓度或者含量，也就间接调控了有机物中功能团诸如羧基、磷酸基或酚羟基等的量。功能团数量少，所负载的锌离子数量少，游离态的锌离子就多。反之，功能团数量多，所负载的锌离子数量多，游离态的锌离子就减少，这就调慢了锌离子的释放速度。另外，不同的高分子聚合物粘结剂的降解周期是不同的。比如左旋聚乳酸(PLLA)的完全降解周期是24个月左右，而聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)的降解周期是6-12个月。因此也可以用不同粘结剂的种类来调控锌离子的释放速率。
实现了锌离子释放量和释放速率的调控，让锌离子持续并缓慢的释放，诱导干细胞分化为成骨细胞，与新骨生成的速率相匹配。待骨组织再生修复完成，这些高分子聚合物粘结剂都是在一到两年内可生物降解的，随着它们的降解，锌离子最终释放完。除了被骨组织、肌肉组织吸收外，多余的锌离子被体液代谢并排出体外。
实施例1含纯锌人工骨的制备(无丝挤出)
(1)选择生物陶瓷材料为β-磷酸三钙(β-TCP)和羟基磷灰石(HA)的混合粉料，二者混合比例为3.5:1。粉料粒径10μm-20μm。选择含锌成分为纯锌粉末，纯度高于99％，纯锌粉末粒径10μm-20μm。选择聚乙烯醇(PVA)为高分子聚合物粘结剂；
(2)配料：按照质量比，纯锌粉末10％，生物陶瓷粉末(β-TCP和HA混合)84.5％，聚乙烯醇5.5％，配料。具体步骤将8g的聚乙烯醇与92g纯水配制成质量分数8％的聚乙烯醇水溶液，置于带盖的广口瓶内于60℃的水浴加热溶胀2h，然后在96℃磁力搅拌器中以250r/min转速搅拌2h，使其完全溶解形成均匀溶液。称量该聚乙烯醇水溶液23.58克备用。称量β-磷酸三钙(β-TCP)22.45克，称量羟基磷灰石(HA)6.41克，称量纯锌粉末3.27克。
(3)制备打印膏体：将上述步骤(2)中称量得到的固体粉末和溶液全部倒入不锈钢搅拌杯中并盖紧。置于真空搅拌机中以2000r/min的转速搅拌4次，每次1min，再装入料筒中，于均质机中以3000r/min的转速脱泡2次，每次2.5min，使其形成均匀的打印膏体；
(4)人工骨三维模型：使用三维建模CAD软件建立标准件三维模型，利用3D Slicer软件和FreeCAD软件设计出打印人工骨的G code文件；
(5)无丝3D打印：利用3D生物陶瓷打印机(西安点云生物科技有限公司)进行人工骨的打印。首先将上述(3)混合均匀的打印膏体装入打印头中，然后将上述(4)设计好的人工骨G code文件文件载入PC Printer软件，打印过程参数设定为：打印速度10mm/s，打印层高为0.3mm，填充率为30％，浆料通过螺旋推进器匀速均匀挤出，工作台沿着x-y轴做合成运动，打印头则沿着z轴运动，逐层依次打印，最终完成生物陶瓷人工骨的打印。
(6)冷藏：将上述(5)打印好的生物陶瓷人工骨置于-80℃冰箱中冷藏备用；
(7)冷冻干燥：将上述(6)冷藏的人工骨于-60℃中冷冻干燥16h。
(8)灭菌：将上述(7)冷冻干燥的人工骨包装后进行辐照灭菌处理，得到含锌人工骨成品。
本实施例1所制备的含锌人工骨实物照片如图1所示，扫描电镜照片如图2所示。
实施例2含锌镁合金人工骨的制备(铺粉喷粘结剂)
(1)本实施例选择生物陶瓷材料为硅酸镁钙和硫酸钙的混合物，二者混合比例为1:1，粉料粒径10μm。选择含锌成分为锌镁二元合金粉末；锌镁合金中镁含量为锌镁合金总质量分数的5％，其余为锌。锌镁合金粉末粒径10μm。选择磷酸为粘结剂；
(2)配料：按照质量比，含锌镁合金粉末15％，硅酸镁钙和硫酸钙的混合物84.5％，磷酸0.5％进行配料。用天平称量上述比例的锌镁合金粉末150克，硅酸镁钙和硫酸钙的混合粉末(混合比例为1:1)845克，磷酸5克。称量好之后，先配制粘结剂，将5克磷酸用纯水稀释为质量分数为8.75％的磷酸溶液，作为铺粉打印的粘结剂。将硅酸镁钙、硫酸钙、锌镁合金粉末混合，搅拌均匀后将粉料平铺在打印机料箱内。调节打印机喷嘴能顺利连续喷出粘结剂。
(3)使用三维建模CAD软件设计大孔人工骨模型(高为3mm、直径为10mm、孔隙率为70％、大孔直径为600μm)，并将其导出*.STL格式数据；
(4)铺粉打印：将上述步骤(3)设计的模型导出的*.STL格式数据输入到3D打印机(Zprinter250，美国3D Systems公司)，开启打印指令，此时打印机读取人工骨三维截面信息数据，通过控制喷嘴，喷洒粘结剂，选择性地将料箱中粉料黏在一起形成截面轮廓，打印过程中铺粉厚度为0.1mm，黏结剂的控制用量为0.3L/m2。层层递进，最后得到人工骨整体。
(5)干燥：待上述步骤(4)打印完毕，人工骨放在干燥箱中干燥2h(干燥温度维持在50℃)，然后取出人工骨，用压缩空气去除未黏结的粉末。
(6)灭菌：将上述步骤(5)干燥清洁的人工骨包装后进行辐照灭菌处理，得到含锌人工骨成品。
实施例3含氧化锌人工骨的制备(光固化3D打印)
(1)选择生物陶瓷材料为磷酸三钙(TCP)，纯度大于95％，粉料粒径20μm。选择含锌成分为氧化锌粉末，氧化锌粉末粒径20μm。选择光敏树脂为高分子聚合物粘结剂；
(2)光固化浆料配制：按照质量比，氧化锌粉末0.1％，β-磷酸三钙89.9％，光敏树脂10％。以上述比例称量总质量为2000克的混合物，搅拌均匀后倒入DLP光固化陶瓷3D打印机的料箱；
(3)人工骨三维模型：在计算机中利用CAD软件设计人工骨的三维模型，将计算机与DLP光固化陶瓷3D打印机数据连接，DLP光固化陶瓷3D打印机配套的软件将三维模型形成数控程序；
(4)DLP光固化陶瓷3D打印机(西安点云生物科技有限公司)，进行三维打印。逐层紫外光照射打印，层厚50μm。打印完成后将成型的人工骨取出；
(5)清洗：将上述步骤(4)打印成型的人工骨放入95％乙醇清洗液中进行清洗；
(6)烧结：将上述步骤(5)清洗之后的人工骨放入烧结炉，温度1150℃烧结2h，随炉冷却。
(7)灭菌：将上述步骤(6)烧结后的人工骨包装并进行辐照灭菌处理，得到含锌人工骨成品。
本实施例3制备的含锌人工骨实物照片如图3所示，抗压缩载荷的测试结果如表2中所示。显示本实施例人工骨的强度非常高，尤其适合承重部位的骨缺损修复。
性能测试
对实施例1、实施例2、实施例3提供的含锌人工骨进行性能测试，方法如下：
(1)锌离子释放量：将相同尺寸大小的人工骨样品浸泡在相同体积的磷酸盐缓冲溶液PBS中，并置于37℃孵箱中，浸泡到一段时间后，将取出所有PBS浸泡液并加入新的等体积的PBS溶液，测得第1、3、7、14、21、27天的锌离子的总释放量。
对实施例1、实施例2和实施例3的测试结果见表1。
表1锌离子释放量测定表
表1测得锌离子释放量，实施例2释放量最大，实施例1适中，而实施例3的释放量最小。这是多种原因造成的。首先，按照质量百分比，实施例1中纯锌粉末占10％，实施例2中锌镁合金粉末占15％(镁的含量很少)，实施例3中，氧化锌粉末只占0.1％。从锌元素含量上，它们之间就有着超过100倍的差异，单位面积人工骨上含有的锌元素数量不一样，反应在锌离子释放量上也就存在相应的差异。再者，粘结剂的种类不同和粘结剂含量的不同，也会对锌离子的释放速率产生影响。诸如实施例2中的磷酸，其降解速度要快于实施例1中的聚乙烯醇。间接影响锌离子的释放速率，实施例2也要快于实施例1。实施例3中锌离子释放量很小，除了本身锌元素含量最小(0.1％)之外，光敏树脂也是影响其锌离子释放速率低的重要因素。
(2)抗压强度测试：将实施例1和3提供的含锌人工骨(长10mm，宽10mm，高为10mm的立方体)大小一致的样品，参照GB/T 1964-1996《多孔陶瓷压缩强度试验方法》，利用微机控制电子万能试验机，受压面积为10mm×10mm，以1mm/min的速度加压测试样品的最大加压载荷。测定得到抗压缩载荷，单位为N。实施例2因为样品尺寸不一致，故未参与抗压强度测试。
力学性能测试所用的微机控制电子万能试验机型号为RGM，制造商为深圳市瑞格尔仪器有限公司制造。测试方法为GB/T 1964-1996《多孔陶瓷压缩强度试验方法》。
实施例1和3分别测试了4个试样，并分别与传统人工骨(HA+TCP)在同等条件下进行比对。测试结果见表2。测得实施例1所得含锌人工骨的抗压缩载荷平均值为348.2N，是传统人工骨(HA+TCP)的2倍多。说明纯锌粉作为颗粒状增强相，它的加入带来人工骨的弥散强化，让含锌人工骨的力学强度有了成倍的提升。实施例3所得含锌人工骨抗压载荷平均值为1175.5N。这是由于磷酸三钙、氧化锌烧结之后强度大大增强，氧化锌的熔点1975℃，本发明烧结在1150℃进行，达不到它的熔点，因此不会使其瓷化，仍然能降解，且为了人工骨的降解性能考虑，本实施例3选取了能在模拟体液中溶解的原材料磷酸三钙和氧化锌，后者缓慢释放有益于促成骨作用的锌离子。本实施例3人工骨的强度非常高，降解速度较慢，锌离子释放量较少，释放速率也慢，尤其适合承重部位的骨缺损修复。如颈椎、脊柱等的骨缺损修复治疗。
表2含锌人工骨与传统人工骨的抗压缩载荷对比测试结果
本实施例1制备的含锌人工骨，在动物体内进行了植入试验，并用传统人工骨(HA+TCP)作为对照组进行比对，以评价含锌人工骨的骨诱导性和促成骨性能。如图4和图5所示。实验方法，钙黄绿素是一种钙离子荧光指示剂，若组织内有新沉积的钙元素，则发绿色荧光。实验结果表明，在相同环境下，图4中植入含锌人工骨周围有明显的新生骨组织生成，而图5传统人工骨促成骨性能较差。
