專利名稱：一種可降解多孔生物活性玻璃支架及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于硬組織修復(fù)和作為組織工程細(xì)胞支架的多孔可降解生物活性玻璃支架材料及其制備方法，屬生物材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自1971年Hench首次報(bào)道生物活性玻璃能與骨組織成鍵結(jié)合(1)以來，生物活性玻璃的研究已有30多年的歷史。作為骨缺損修復(fù)在臨床上使用已十多年。成功的臨床應(yīng)用來源于它不僅有骨引導(dǎo)性，而且有促進(jìn)骨組織生長(zhǎng)的生物活性。最近很多研究表明，生物活性玻璃的降解產(chǎn)物能促進(jìn)生長(zhǎng)因子的生成、促進(jìn)細(xì)胞的繁衍、活化成骨細(xì)胞的基因表達(dá)。不僅如此，生物活性玻璃目前是唯一既能與骨組織成鍵結(jié)合，也能與軟組織相連接的人工生物材料。這些獨(dú)特的特性，使生物活性玻璃作為醫(yī)療器械在臨床上應(yīng)用具有巨大的潛在價(jià)值，引起學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界較大關(guān)注。盡管其良好的生物相容性和生物活性，生物活性玻璃作為臨床應(yīng)用產(chǎn)品目前只有一種顆粒狀的型式。作為骨缺損修復(fù)，臨床上常需具有一定力學(xué)強(qiáng)度的多孔塊狀支架材料來填充修復(fù)。現(xiàn)世界上極為關(guān)注的、發(fā)展較快的組織工程學(xué)也需要活性的多孔支架材料作為細(xì)胞載體。
過去的研究表明，除了材料的組成之外，材料的結(jié)構(gòu)在很大程度上會(huì)直接影響到材料的臨床應(yīng)用?？讖皆?0-500微米的多孔塊體生物材料最適合作為硬組織修復(fù)材料和細(xì)胞支架材料?？讖皆谶@個(gè)范圍的多孔生物材料的優(yōu)點(diǎn)是有利于細(xì)胞植入或遷移、組織長(zhǎng)入及材料與活體組織的融合從而更有效地達(dá)到修復(fù)人體組織缺損和組織重建的目的。此外，在近幾年迅速發(fā)展的組織工程學(xué)研究中，可降解的多孔生物材料是一個(gè)必不可少的部分。以多孔支架作為細(xì)胞載體，讓細(xì)胞在基質(zhì)材料中生長(zhǎng)并構(gòu)建含有本體細(xì)胞基因信息的活體組織，再植入人體中以修復(fù)缺損組織和器官。因此，可降解多孔生物活性玻璃支架材料作為硬組織缺損修復(fù)材料和用于體外骨組織培養(yǎng)的細(xì)胞支架有著廣泛的應(yīng)用前景。
Ducheyne等采用熱壓法并以無機(jī)鹽如碳酸鈣、碳酸氫鈉等作為造孔劑制備CaO-SiO2-Na2O-P2O5系多孔生物活性玻璃支架(美國(guó)專利；申請(qǐng)?zhí)?676720、5811302)用于作為細(xì)胞支架在體外培養(yǎng)骨組織。但是，該方法采用的熱壓方法生產(chǎn)成本高，且以無機(jī)鹽為造孔劑燒結(jié)后的殘留組分會(huì)影響材料的組成，因此不易控制成品材料的組成。Yuan等人采用雙氧水為發(fā)泡劑，在1000℃燒結(jié)制備多孔45S5生物玻璃支架，這種方法制備的支架也具有生物活性，能與骨組織發(fā)生鍵合(J.Biomed.Mater.Res；58270-267，2001)。但根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在1000℃下燒結(jié)會(huì)使玻璃大量結(jié)晶并導(dǎo)致降解性下降。此外，以雙氧水為發(fā)泡劑造孔較難控制材料的孔徑和氣孔率。
力學(xué)強(qiáng)度是多孔生物活性玻璃支架材料的一個(gè)重要性能。研究結(jié)果顯示，抗壓強(qiáng)度小于1MPa時(shí)，支架材料的可應(yīng)用性差，在作為細(xì)胞支架或骨損傷修復(fù)材料使用過程中極易破損，從而大大影響使用效果。在以往的專利文獻(xiàn)中沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)多孔生物活性玻璃支架抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的報(bào)道。能否通過工藝控制使制備的多孔生物活性玻璃支架材料的抗壓強(qiáng)度根據(jù)需要控制在一定范圍內(nèi)，以達(dá)到滿足不同的應(yīng)用需要，從而引出本發(fā)明的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過優(yōu)化工藝開發(fā)出一種新的具有優(yōu)良生物活性和生物可降解性，同時(shí)孔徑和孔隙率可控且具通孔的多孔生物活性玻璃支架，作為硬組織缺損修復(fù)材料和體外骨組織培養(yǎng)用細(xì)胞支架材料，而強(qiáng)度可依需要控制在1-16MPa范圍內(nèi)，以滿足新一代生物材料發(fā)展和臨床應(yīng)用的需要。
本發(fā)明是以玻璃粉體為原料，加入有機(jī)造孔劑，經(jīng)干壓或注漿成型后再在適當(dāng)溫度下燒結(jié)，得到具有不同氣孔率、孔徑和孔結(jié)構(gòu)、抗壓強(qiáng)度和降解性的多孔生物活性玻璃支架。該生物活性玻璃支架的化學(xué)組成為CaO24-45％，SiO234-50％，Na2O 0-25％，P2O55-17％，MgO 0-5，CaF20-1％。采用本發(fā)明提供的方法可以制備具有不同形狀的多孔生物活性玻璃支架。通過工藝控制可以使生物活性玻璃支架有部分磷酸鈣和/或硅酸鈣結(jié)晶析出并以此來根據(jù)需要控制多孔材料的降解性和力學(xué)強(qiáng)度。
本發(fā)明的多孔生物活性玻璃支架材料在人體模擬體液中具有良好的生物活性，在數(shù)小時(shí)內(nèi)即可釋放出硅離子，并在表面沉積類骨羥基磷灰石微晶。此外，本發(fā)明的多孔生物活性玻璃還具有可降解性，體外溶解性實(shí)驗(yàn)顯示在模擬體液環(huán)境下5天的降解率約2-30％。因此，本發(fā)明的多孔生物活性玻璃支架材料既具有良好的生物界面和化學(xué)特性，又具有良好的可降解性。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)是通過控制工藝條件使材料既具有較高的孔隙率(40-80％)和合適的孔徑(50-600微米)，又具有適當(dāng)?shù)牧W(xué)強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度為1-16MPa)。
綜上所述，本發(fā)明的多孔生物活性玻璃作為硬組織缺損修復(fù)材料和體外骨組織培養(yǎng)用細(xì)胞支架材料具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
本發(fā)明具體實(shí)施方法如下1、材料制備本發(fā)明的生物活性玻璃粉體是通過熔融方法制備得到的。所用的無機(jī)原材料均為分析純。將化學(xué)試劑按不同組分需要稱量和混勻后在1380-1480℃下熔融，再經(jīng)冷卻、粉碎、過篩得到顆粒度為40-300um的玻璃粉體。以此為主要原料，分別采用不同工藝制備出各類多孔生物活性玻璃支架材料。本發(fā)明采用的造孔劑是聚乙二醇、聚乙烯醇、石蠟、聚苯乙烯-二乙烯苯等有機(jī)或高分子材料中的一種，其顆粒度范圍是50-600微米。采用一定顆粒度范圍的20-70％(質(zhì)量)的造孔劑同生物活性玻璃粉體混合，之后可以采取兩種成型方法，第一種是干壓法，即在上述的混合料中加入1-5％濃度為5-10％的聚乙烯醇作黏結(jié)劑，混合均勻后，在鋼模中以2-20MPa的壓力干壓成型得本發(fā)明的多孔材料素坯，最后在750-900℃溫度下煅燒1-5小時(shí)燒結(jié)；第二種方法是凝膠注模成型方法，即先配制如下質(zhì)量百分比濃度的水溶液，20％的丙烯酰胺單體、2％的N、N’-亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)劑和5-10％的聚丙烯酸胺分散劑，按體積百分比30-60％的比例將上述混合料同上述水溶液混合均勻，加入質(zhì)量百分比1-5％的過硫酸銨、質(zhì)量百分比1-5％的N、N、N’、N’-四甲基乙二胺，攪拌均勻得流動(dòng)性和均勻性均較好的漿料，將漿料倒入塑料或石膏模具內(nèi)凝膠注模成型，并在30-80℃引發(fā)單體的交聯(lián)反應(yīng)1-10小時(shí)，之后在100℃干燥數(shù)小時(shí)得本發(fā)明的多孔材料素坯。然后先經(jīng)400℃排塑，最后在750-900℃煅燒1-5小時(shí)得到本發(fā)明的多孔生物玻璃材料。
2、性能評(píng)價(jià)2.1多孔材料的力學(xué)強(qiáng)度對(duì)本發(fā)明得到的系列樣品在日本島津公司的AG-I精密萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)試抗壓強(qiáng)度。樣品的測(cè)試速度為5.0mm/min，測(cè)試表明本發(fā)明得到的多孔材料的抗壓強(qiáng)度的可控制在1-16MPa范圍內(nèi)。
2.2多孔材料的孔隙率我們對(duì)本發(fā)明得到的部分樣品應(yīng)用阿基米德法測(cè)試氣孔率，應(yīng)用掃描電鏡(SEM)觀察孔形態(tài)和孔分布。測(cè)試表明本發(fā)明得到的多孔材料的孔隙率可控制在40-80％范圍內(nèi)。
2.3生物活性評(píng)價(jià)將本發(fā)明得到的多孔材料先后經(jīng)去離子水和丙酮洗滌、晾干后進(jìn)行體外溶液生物活性測(cè)試。所用的溶液為人體模擬體液(SBF；Simulated BodyFluid)。SBF含有與人體血漿相同的離子和離子團(tuán)濃度。SBF組成為NaCl 7.996g/LNaHCO30.350g/LKCl 0.224g/LK2HPO4.3H2O 0.228g/LMgCl2.6H2O 0.305g/LHCl 1mol/LCaCl2 0.278g/LNa2SO4 0.071g/LNH2C(CH2OH)36.057g/L多孔材料在SBF中，反應(yīng)條件為0.15g多孔材料、30.0mL/day SBF、37℃恒溫箱內(nèi)。分別將多孔材料浸泡1、3和7天后，取出樣品并經(jīng)過去離子水洗滌后做SEM、傅立葉紅外變換光譜(FTIR)和XRD測(cè)試，結(jié)果分別見圖3、圖4、圖5。生物活性實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明得到的多孔生物活性玻璃支架材料能在表面誘導(dǎo)生成骨羥基磷灰石，從而表明這些材料具有良好的生物活性。
2.4降解性評(píng)價(jià)將本發(fā)明得到的多孔材料先后經(jīng)去離子水和丙酮洗滌、烘干后進(jìn)行降解性實(shí)驗(yàn)測(cè)試。我們通過該類多孔材料在SBF中浸泡不同的系列時(shí)間后釋放的SiO2的百分含量來評(píng)價(jià)材料的降解速度及降解性。例如以PEG為造孔劑，經(jīng)干壓成型和850℃煅燒后制得的氣孔率為40％的多孔生物活性玻璃支架在SBF中5天的降解率在10％-20％，可見本發(fā)明的多孔生物活性玻璃材料具有很好的降解性。


通過下面的結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，可以更好地理解上文所述內(nèi)容。其中，圖1為制備的多孔生物活性玻璃外觀照片。
圖2為制備的多孔生物活性玻璃斷面光學(xué)顯微鏡照片。
圖3為在不同溫度下制備的多孔生物活性玻璃的XRD圖譜；圖譜顯示在不同溫度下制備出的材料有不同程度的硅酸鈣和磷酸鈣晶體析出；(a)煅燒前生物活性玻璃粉體(b)800℃煅燒制備的生物活性玻璃支架(c)850℃煅燒制備的生物活性玻璃支架。
圖4為本發(fā)明的多孔生物活性玻璃材料在SBF(人體模擬體液)中浸泡前(A)和浸泡1天(B)和3天(C)后的SEM圖；照片顯示材料經(jīng)SBF浸泡1天表面有大量羥基磷灰石晶體出現(xiàn)。
圖5為本發(fā)明的多孔生物活性玻璃材料在SBF中浸泡前、浸泡0、6小時(shí)、1、3和7天后的傅立葉變換紅外光譜(FTIR)圖；分析顯示經(jīng)SBF浸泡6小時(shí)后即有羥基磷灰石峰出現(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
下面通過本發(fā)明的實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，但本發(fā)明決非限于實(shí)施例。
實(shí)施例1所用的原材料如上文所述。
將分析純SiO2，Na2CO3，CaCO3，P2O5等原料按比例均勻混合，在1420℃熔融成均質(zhì)熔體，然后冷卻，粉碎，過篩得到粒徑在40-300um的生物活性玻璃粉體。該玻璃粉體的組成為CaO 24.5％，SiO245％，Na2O 24.5％，P2O56％。
將顆粒度為150-200微米的生物活性玻璃粉體與200-300微米的聚乙二醇粉體二者按質(zhì)量百分比60∶40混合，加入濃度為6％的聚乙烯醇溶液作黏結(jié)劑，調(diào)均勻后，于14MPa壓力下干壓成型，脫模得多孔材料的素坯。素坯在400℃下排塑，然后在850℃下燒結(jié)2小時(shí)制得本發(fā)明的多孔材料的抗壓強(qiáng)度約1.25MPa，孔隙率約56％。XRD如圖2(C)所示含有Ca4P2O9和CaSiO3。
將所得的多孔材料在SBF模擬體液中浸泡6小時(shí)、1、3和7天，并將浸泡后的樣品進(jìn)行生物活性和降解性評(píng)價(jià)。圖4、5的結(jié)果顯示本發(fā)明的多孔生物活性玻璃材料經(jīng)SBF中浸泡后，很快就在材料的表面上形成骨磷灰石層，具有很強(qiáng)的生物活性。在SBF中浸泡5天的生物降解率達(dá)14％，表明本發(fā)明得到的多孔生物活性玻璃支架具有良好的降解性，有望用作硬組織缺損修復(fù)或體外骨組織培養(yǎng)用細(xì)胞支架。
實(shí)施例2將分析純SiO2，CaCO3，Ca3(PO4)2、MgCO3、CaF2等原料按比例均勻混合，在1450℃熔融成均質(zhì)熔體，然后冷卻，粉碎，過篩得到粒徑在40-300um的生物活性玻璃粉體。該玻璃粉體的組成為CaO 40.5％，SiO239.2％，MgO 4.5％，P2O515.5％，CaF20.3％。
將所得粉體按生物活性玻璃粉體與300-600微米的聚乙烯醇粉體質(zhì)量百分比50∶50取料混合，得固體混合料。配制含20％的丙烯酰胺、2％的N、N’-亞甲基雙丙烯酰胺和8％的聚丙烯酸胺的水溶液，按體積百分比50∶50的比例將10克上述固體混合料同上述水溶液混合均勻，加入質(zhì)量百分比3％的過硫酸銨和質(zhì)量百分比3％的N、N、N’、N’-四甲基乙二胺數(shù)滴，攪拌均勻得流動(dòng)性較好的漿料，將漿料倒入模具內(nèi)凝膠注模成型，并在60℃引發(fā)單體的交聯(lián)反應(yīng)3小時(shí)，之后在100℃干燥12小時(shí)后脫模得本發(fā)明的多孔材料素坯。素坯在400℃下排塑，然后在850℃下燒結(jié)2小時(shí)制得本發(fā)明的多孔材料的抗壓強(qiáng)度約6.1MPa，孔隙率約55％。在模擬體液中浸泡3天后降解率為78％(溶出Si的質(zhì)量百分比)。多孔材料的性能評(píng)價(jià)如實(shí)施例1?？捎米饔步M織缺損修復(fù)材料。
實(shí)施例3使用的原料和生物活性玻璃粉體的制備方法與實(shí)施例2同。
按質(zhì)量比40∶60，將顆粒度為150-200微米的生物活性玻璃粉體與200-300微米的PEG粉混合，加入濃度為6％的聚乙烯醇溶液作黏結(jié)劑，調(diào)均勻后，于14MPa壓力下干壓成型，脫模得多孔材料的素坯。素坯在400℃下排塑，然后在800℃下燒結(jié)制得本發(fā)明的多孔材料的抗壓強(qiáng)度約1.5MPa，孔隙率約65％。在模擬體液中浸泡3天后降解率為38％(溶出Si的質(zhì)量百分比)。多孔材料的性能評(píng)價(jià)如實(shí)施例1。可用作體外骨組織培養(yǎng)細(xì)胞支架。
權(quán)利要求
1.一種可降解多孔生物活性玻璃支架，其特征在于(1)玻璃支架組成是質(zhì)量百分比為24-45CaO，34-50SiO2，0-25Na2O，5-17P2O5，0-5MgO以及0-1CaF2；(2)玻璃支架的孔隙率體積百分?jǐn)?shù)為40-80；(3)玻璃支架的孔徑范圍為50-600微米，且孔是相互連通的；(4)玻璃支架含有磷酸鈣和/或硅酸鈣結(jié)晶析出。
2.按權(quán)利要求1所述的可降解生物活性玻璃支架，其特征在于玻璃支架由質(zhì)量百分比CaO24.5，SiO245，Na2O24.5和P2O56組成，孔隙率體積百分?jǐn)?shù)為56，孔徑范圍為50-600微米。
3.按權(quán)利要求1所述的可降解生物活性玻璃支架，其特征在于玻璃支架由質(zhì)量百分比CaO 40.5，SiO239.2，MgO 4.5，P2O515.5和CaF20.3組成，孔隙率體積百分?jǐn)?shù)為55。
4.按權(quán)利要求1所述的可降解生物活性玻璃支架的制備方法，其特征在于它由下述兩種方法中任意一種制備；干壓方法制備工藝為(1)先按質(zhì)量百分比為CaO 24-45，SiO234-50，Na2O 0-25，P2O55-17，MgO 0-5以及CaF20-1組成稱量、混勻后在1380-1480℃熔融，再經(jīng)冷卻、粉碎、過篩制得粒度為40-300微米的玻璃粉體，以此為支架主要原料；(2)在玻璃粉體中加入質(zhì)量百分比為20-70的造孔劑，造孔劑為聚乙二醇、聚乙烯醇、石蠟或聚苯乙烯-二乙烯苯中一種或兩種，與步驟(1)中玻璃粉體均勻混合；(3)在步驟(2)的混合料中加入質(zhì)量百分比為1-5，質(zhì)量百分濃度為5-10％的聚乙烯醇粘結(jié)劑混勻后，在鋼模中以2-20MPa壓力成型，最后在750-900℃煅燒1-5小時(shí)；凝膠注模成型方法工藝為(1)先按質(zhì)量百分比為CaO 24-45，SiO234-50，Na2O 0-25，P2O55-17，MgO 0-5以及CaF20-1組成稱量、混勻后在1380-1480℃熔融，再經(jīng)冷卻、粉碎、過篩制得粒度為40-250微米的玻璃粉體，以此為支架主要原料；(2)在玻璃粉體中加入質(zhì)量百分比為20-70的造孔劑，造孔劑為聚乙二醇、聚乙烯醇、石蠟或聚苯乙烯-二乙烯苯中一種或兩種，與步驟(1)中玻璃粉體均勻混合；(3)將質(zhì)量百分比為20的丙烯酰胺單體、質(zhì)量百分比為2的N、N’-亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)劑和質(zhì)量百分比為5-10的聚丙烯酸胺分散劑的水溶液按體積百分比30-60比例與步驟(2)的混合料混合均勻；(4)在步驟(3)所得的混合料中，加入質(zhì)量百分比為1-5的過硫酸銨、質(zhì)量百分比為1-5的N、N、N’、N’-四甲基乙二胺、攪拌成均勻漿料，倒入模具內(nèi)凝膠注模成型，于30-80℃溫度下引發(fā)單體交聯(lián)反應(yīng)后100℃干燥制成素坯；(5)步驟(4)所得的素坯先在400℃排塑，最后在750-900℃煅燒1-5小時(shí)。
5.按權(quán)利要求4所述可降解生物活性玻璃支架的制備方法，其特征在于所述的造孔劑顆粒度范圍為50-600微米。
6.按權(quán)利要求4所述可降解生物活性玻璃支架的制備方法，其特征在于凝膠成型制備工藝中使用的模具或?yàn)樗芰夏＞?，或?yàn)槭嗄＞撸瑵{料交聯(lián)反應(yīng)時(shí)間為1-10小時(shí)。
7.一種可降解生物活性玻璃支架，其特征在于它用作硬組織缺損修復(fù)材料或體外骨組織培養(yǎng)用細(xì)胞支架。
全文摘要
本發(fā)明涉及可降解多孔生物活性玻璃支架材料的制備方法，屬生物材料領(lǐng)域。其特征在于玻璃支架組成的質(zhì)量百分比為24－45 CaO，34－50 SiO
文檔編號(hào)C12N11/00GK1562834SQ200410017240
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月26日
發(fā)明者常江, 顧衛(wèi)明, 鐘吉品 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所