專利名稱：納米氧化鋯強韌化高孔隙率磷酸鈣人工骨支架及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)用生物陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，是一種用于骨缺損治療的由納米氧化鋯和磷酸鈣制成的高孔隙率抗壓增韌生物陶瓷人工骨支架。
背景技術(shù)：
各種原因造成的骨缺損、骨不連一直是外科領(lǐng)域中的老難題。其根本原因是尚未找到一種理想的骨替代物，其要求是1、與人體組織相容性好，無免疫源反應(yīng)；2、與人骨力學(xué)性能相似，具有一定的強度和支撐力；3、應(yīng)有良好的誘導(dǎo)成骨活性；4、取材方便，易于大量制作；5、能被宿主骨組織吸收替代。在骨組織修復(fù)領(lǐng)域，現(xiàn)行的材料都不十分理想，傳統(tǒng)的植入材料，例如金屬、陶瓷、高分子植入物在人體內(nèi)永遠(yuǎn)是異物，在生物相容性、生物活性、生物可降解性及與宿主骨的力學(xué)匹配性等方面都有各自的缺點，自體骨移植效果雖好，但來源有限，尤其是兒童和老人。因此，全世界都在尋找一種易塑形、生物相容性好、有足夠強度的骨缺損修復(fù)材料。
骨組織工程的三個關(guān)鍵要素是信號分子(骨生長因子、骨誘導(dǎo)因子)、特定組織的細(xì)胞和細(xì)胞載體材料。其中研制合用的細(xì)胞載體材料是組織工程的關(guān)鍵。一方面，它必須滿足各種生物相容性、生物可降解性及力學(xué)性能要求；另一方面，它還必須易于制成各種理想的形狀以適于細(xì)胞與載體的組裝、實現(xiàn)細(xì)胞在三維空間的生長、組織再生。這也是目前骨組織工程的難點。細(xì)胞載體材料分為可吸收材料與不可吸收材料兩大類，從目前的使用情況看，可吸收材料比不可吸收材料更好。可吸收材料(多孔結(jié)構(gòu))包括以下幾類(1)合成和天然礦物活性生物陶瓷、脫有機物的骨礦、磷酸三鈣。(2)天然高分子各類膠原；(3)合成高分子聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸?；钚陨锾沾梢话憔哂写偈谷梭w硬組織的再生和修復(fù)的作用，其中磷酸鈣鹽生物陶瓷材料對宿主組織具有良好的生物相容性，對人體無毒，無刺激，無過敏，不致癌，在人體內(nèi)不產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)。因此人們不由地把希望的目光投向生物陶瓷材料。人體不同組織長入需要不同的孔徑。例如結(jié)締組織長入，微孔徑應(yīng)為50μm即可，而骨組織長入需100μm以上，對于完整骨單位長入則需孔徑大于250μm。而且為了增加骨融合速度，還要求孔隙率高，而對于骨組織來講，必須有一定抗壓強度和韌性，現(xiàn)有磷酸鈣鹽生物陶瓷一旦孔徑增大，孔隙率增高，就很難滿足對于人工骨抗壓強度和韌性的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種孔隙率高、抗壓強度大、韌性強的生物陶瓷人工骨支架。本發(fā)明的關(guān)鍵是在磷酸鈣中摻入納米氧化鋯顆粒以增強人工骨支架的抗壓強度和韌性，即選用納米氧化鋯顆粒和羥基磷灰石以適當(dāng)比例混合制成料漿，再涂于適當(dāng)孔徑和孔隙率的聚氨酯海綿燒結(jié)而成。
β-磷酸鈣由羥基磷灰石高溫?zé)Y(jié)而成，具有明確的成骨細(xì)胞誘導(dǎo)能力，但其強度本身較低，而在臨床需要高孔隙率的前提下，制備成多孔陶瓷，其強度更加難以保證，嚴(yán)重限制了其作為一種成骨細(xì)胞爬行支架的應(yīng)用，因此需要對其進(jìn)行改性，以增加強度和韌性。納米氧化鋯顆粒本身具有增強陶瓷強度和韌性的特殊作用，而且在燒結(jié)的過程中，顆粒間重新結(jié)晶，發(fā)生相變，伴隨晶格切變和體積效應(yīng)，在通過引入Y2O3穩(wěn)定劑，其四方相亞穩(wěn)態(tài)在低于1000℃的溫度范圍可以保存下來，具有明顯的相變增韌作用。本發(fā)明根據(jù)需要將不同體積配比的納米氧化鋯顆粒和羥基磷灰石混勻制成料漿，將適當(dāng)孔徑和孔隙率的聚氨酯海綿浸于料漿，再擠去多余的料漿，聚氨酯海綿即成為料漿的支架，在高溫?zé)坪?，聚氨酯海綿被去除，留下的即為由納米氧化鋯顆粒增強補韌的成骨細(xì)胞爬行陶瓷支架。只要根據(jù)聚氨酯海綿的適當(dāng)孔徑和孔隙率，選擇納米氧化鋯顆粒與羥基磷灰石相應(yīng)的配比，可以制成不同抗壓強度的生物陶瓷人工骨支架。
本發(fā)明人工骨支架植入體內(nèi)后，由于其孔隙率大幅增加，不僅使磷酸鈣易于被降解吸收，而且骨組織易于長入，融合速度快，其與宿主骨結(jié)合后，形成類似“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”，與宿主骨牢固結(jié)合，不產(chǎn)生明顯異物反應(yīng)。本發(fā)明生物陶瓷既可作為人工骨支架用于骨組織缺損修復(fù)，亦可用作體外細(xì)胞培養(yǎng)以及藥物釋放載體。
本發(fā)明人工骨支架的制備方法如下1、制備羥基磷灰石粉末本發(fā)明以醫(yī)用級碳酸鈣(CaCO3)和二水磷酸氫鈣(CaHPO4·2H2O)為原料，按Ca/P摩爾比為1.67將所稱料倒入球磨罐中，加入去離子水和氧化鋯磨球。按原料∶磨球∶水質(zhì)量比為1∶3∶2.2進(jìn)行配比，將混合料高速球磨24小時。再將混合料移入水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)溫度為120℃，壓力為3MPa，反應(yīng)40分鐘之后將混合料取出，在烘箱中恒溫干燥，干燥后在800℃煅燒2小時，獲得針狀羥基磷灰石粉末。
2、制備納米氧化鋯顆粒氧化鋯(ZrOCl2·8H2O)和氧化釔(Y2O3)以摩爾比97∶3混合，再按混合物與水質(zhì)量比9∶10溶入40℃去離子水中，過濾去除雜質(zhì)，獲得含Zr4+，Y3+離子的溶液；另外在恒溫容器中加入40℃去離子水，用量為上述離子溶液兩倍體積量，以此作為基液；將上述Zr4+和Y3+離子溶液和濃度為3N的氨水同時滴入基液中，并不斷攪拌，待沉淀完全后再繼續(xù)攪拌半小時；過濾沉淀，再用去離子水和分析純乙醇洗，直至AgNO3檢測過濾液中無Cl-離子；把過濾后的沉淀物在烘箱中干燥，干燥后粉末過80目篩，于800℃煅燒1小時，冷卻后過200目篩，制得的ZrO2(Y2O3)復(fù)合粉末粒徑在20～50nm之間，此為納米氧化鋯顆粒。
3、制備納米氧化鋯強韌化高孔隙率磷酸鈣人工骨支架將上述納米氧化鋯顆粒和針狀羥基磷灰石粉末按1-98∶99-2比例混合，加入適量的去離子水，在微粒球磨機上混磨4小時，磨球為氧化鋯球；混磨后的料漿倒入盛料槽中；選用相應(yīng)孔隙率和孔徑的聚氨酯海綿，先用50％NaOH堿液處理，再浸入料漿中，而后將浸有料漿的海綿取出，通過碾輪將海綿中的多余料漿碾出；被料漿包裹的海綿成型體置室溫干燥，再在烘箱中干燥；然后將其在燒結(jié)爐中燒結(jié)，可制得所需孔隙率和孔徑的耐壓增韌多孔生物陶瓷，即本發(fā)明人工骨支架。
本方法制備的多孔生物陶瓷的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和生物學(xué)評價如下力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)將本發(fā)明制得的各組多孔陶瓷用萬能抗壓機測抗壓強度，加載速度為1mm/分鐘，5個為一組，檢測了12組，各組取平均值。測試結(jié)果表明本發(fā)明得到的多孔材料的抗壓強度為0.1～50MPa。再用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察孔形孔貌和分布，孔隙率為45％～93％之間，孔徑的大小分布為50～650μm，孔分布均勻，貫通。
生物學(xué)評價本發(fā)明嚴(yán)格按照《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療器械生物學(xué)評價》進(jìn)行評價，結(jié)果為1、細(xì)胞毒性試驗結(jié)果陰性；2、全身毒性試驗結(jié)果未見明顯全身毒性反應(yīng)；3、溶血試驗結(jié)果未見明顯體外溶血反應(yīng)。
具體實施例方式
實施例1羥基磷灰石粉末制備以醫(yī)用級碳酸鈣(CaCO3)和二水磷酸氫鈣(CaHPO4·2H2O)為原料，按Ca/P摩爾比為1.67稱取342.2克CaHPO4·2H2O和134克CaCO3，將所稱料倒入球磨罐中，加入去離子水和氧化鋯磨球。按料∶磨球∶水質(zhì)量比為1∶3∶2.2進(jìn)行配比，將混合料高速球磨24小時。再將混合料移入水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)溫度為120℃，壓力為3MPa，反應(yīng)40分鐘之后將混合料取出，在烘箱中于85℃恒溫干燥，干燥后在800℃煅燒2小時，獲得長徑比約為10的針狀羥基磷灰石粉末。
實施例2納米氧化鋯顆粒制備取氧化鋯(ZrOCl2·8H2O)和氧化釔(Y2O3)的摩爾比為97∶3的混合物450克，溶入500毫升40℃去離子水中，過濾去除雜質(zhì)，獲得含Zr4+，Y3+離子的溶液，另外在恒溫容器中加入1000毫升40℃去離子水，以此作為基液；將上述500毫升Zr4+和Y3+溶液和濃度為3N的氨水同時滴入基液中，并不斷攪拌，在整個反應(yīng)過程中溶液的溫度保持在40～45℃之間，pH值在9～10之間，待沉淀完全生成后再繼續(xù)攪拌半小時；將沉淀過濾、去離子水洗3遍，再分析純乙醇洗2遍，用AgNO3檢測過濾液中無Cl-離子，把過濾后的沉淀物在烘箱中干燥，溫度不超過80℃，干燥后粉末過80目篩，于800℃煅燒1小時，冷卻后過200目篩，制得的ZrO2(Y2O3)復(fù)合粉末粒徑在20～50nm之間，此為納米氧化鋯顆粒。
實施例3納米氧化鋯強韌化高孔隙率磷酸鈣人工骨支架的制備1、將上述制備的納米氧化鋯顆粒12克和羥基磷灰石粉末136克混合成復(fù)合粉末，另取98毫升去離子水，加入0.7克聚乙烯醇粘合劑，混勻，再加入上述復(fù)合粉末，在微粒球磨機上混磨4小時，磨球為氧化鋯球，混磨后的料漿倒入盛料槽中；選用孔隙率89％，孔徑300μm的聚氨酯海綿，先用50％NaOH堿液處理，再浸入料漿中，而后將浸有料漿的海綿取出，通過碾輪將海綿中的多余料漿碾出；被料漿包裹的海綿成型體置室溫干燥12小時后，再在烘箱中干燥；然后將其在燒結(jié)爐中預(yù)燒，升溫速度為室溫至180℃為2℃/分鐘，180℃至400℃為1℃/分鐘，400至600℃為1.2℃/分鐘；預(yù)燒后再將其升溫至1200℃，升溫速度為3℃/分鐘，并保溫半小時，再繼續(xù)升溫至1350℃，升溫速度為1.6℃/分鐘，保溫2小時，制得孔隙率為87％的多孔陶瓷，孔徑大小在200～350μm之間，抗壓強度1.1MPa。其納米氧化鋯含量低，強韌性差；β-磷酸鈣含量高，骨誘導(dǎo)能力強，用于不負(fù)重骨缺損處的充填修復(fù)。
2、將上述制備的納米氧化鋯顆粒60克和羥基磷灰石粉末49.7克混合成復(fù)合粉末，另取90毫升去離子水，加入0.6克聚乙烯醇粘合劑，混勻，再加入上述復(fù)合粉末，在微粒球磨機上混磨4小時，磨球為氧化鋯球，混磨后的料漿倒入盛料槽中；選用孔隙率92％，孔徑300μm的聚氨酯海綿，先用50％NaOH堿液處理，再浸入料漿中，而后將浸有料漿的海綿取出，通過碾輪將海綿中的多余料漿碾出；被料漿包裹的海綿成型體置室溫干燥12小時后，再在烘箱中干燥；然后將其在燒結(jié)爐中預(yù)燒，升溫速度為室溫至180℃為2℃/分鐘，180℃至400℃為1℃/分鐘，400至600℃為1.2℃/分鐘；預(yù)燒后再將其升溫至1200℃，升溫速度為3℃/分鐘，并保溫半小時，再繼續(xù)升溫至1350℃，升溫速度為1.6℃/分鐘，保溫2小時，制得孔隙率為93％的多孔陶瓷，孔徑大小在200～350μm之間，抗壓強度2.4MPa。其納米氧化鋯和β-磷酸鈣含量適中，接近人體松質(zhì)骨強度，骨誘導(dǎo)能力較強，可用于松質(zhì)骨骨缺損的修復(fù)。
3、將上述制備的納米氧化鋯顆粒140克和羥基磷灰石粉末5.5克混合成復(fù)合粉末，另取74毫升去離子水，加入0.5克聚乙烯醇粘合劑，混勻，再加入上述復(fù)合粉末，在微粒球磨機上混磨4小時，磨球為氧化鋯球，混磨后的料漿倒入盛料槽中；選用孔隙率92％，孔徑350μm的聚氨酯海綿，先用50％NaOH堿液處理，再浸入料漿中，而后將浸有料漿的海綿取出，通過碾輪將海綿中的多余料漿碾出；被料漿包裹的海綿成型體置室溫干燥12小時后，再在烘箱中干燥；然后將其在燒結(jié)爐中預(yù)燒，升溫速度為室溫至180℃為2℃/分鐘，180℃至400℃為1℃/分鐘，400至600℃為1.2℃/分鐘；預(yù)燒后再將其升溫至1200℃，升溫速度為3℃/分鐘，并保溫半小時，再繼續(xù)升溫至1350℃，升溫速度為1.6℃/分鐘，保溫2小時，制得孔隙率為93％的多孔陶瓷，孔徑大小在300～500μm之間，抗壓強度19MPa。其納米氧化鋯含量高，強度大韌性強；β-磷酸鈣含量低，骨誘導(dǎo)能力較弱，用于負(fù)重骨缺損處的支撐修復(fù)或者作為人工椎體。
將上述制備的各種納米氧化鋯強韌化高孔隙率磷酸鈣人工骨支架用高壓蒸汽或其它方法消毒后，就可作為體外細(xì)胞培養(yǎng)支架。例如，將消毒好的人工骨支架置于含有細(xì)胞的培養(yǎng)基內(nèi)培養(yǎng)，細(xì)胞遂爬行長入支架的孔隙內(nèi)。如果選用成骨細(xì)胞培養(yǎng)，就可將復(fù)合有成骨細(xì)胞的人工骨支架直接植入骨缺損部位，可提高骨修復(fù)速度。
權(quán)利要求
1.納米氧化鋯強韌化高孔隙率磷酸鈣人工骨支架的制備方法，其特征在于操作步驟如下(1)制備針狀羥基磷灰石粉末將CaCO3和CaHPO4·2H2O按Ca/P摩爾比1.67混合作為原料，加入去離子水和氧化鋯磨球，以原料∶磨球∶水質(zhì)量比為1∶3∶2.2在球磨罐中高速球磨24小時，將混合料移入水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)溫度為120℃，壓力為3MPa，反應(yīng)40分鐘之后將混合料取出，恒溫干燥后在800℃煅燒2小時，獲得針狀羥基磷灰石粉末；(2)制備納米氧化鋯顆粒將ZrOCl2·8H2O和Y2O3按摩爾比97∶3混合，混合物與水按質(zhì)量比為9∶10溶入40℃去離子水中，過濾去除雜質(zhì)，獲得Zr4+和Y3+離子溶液備用；以該離子溶液兩倍體積量的40℃去離子水作為基液，將上述Zr4+和Y3+離子溶液和3N的氨水同時滴入基液中，并不斷攪拌，待沉淀完全后再繼續(xù)攪拌半小時；過濾，沉淀分別用去離子水和分析純乙醇洗，直至AgNO3檢測過濾液中無氯離子；將沉淀烘干，干燥后粉末過80目篩，于800℃煅燒1小時，冷卻后過200目篩，制得的ZrO2(Y2O3)復(fù)合粉末，此為納米氧化鋯顆粒；(3)制備納米氧化鋯強韌化高孔隙率磷酸鈣人工骨支架將上述納米氧化鋯顆粒和針狀羥基磷灰石粉末按1-98∶99-2比例混合，加入適量的去離子水，在微粒球磨機上混磨4小時得料漿，磨球為氧化鋯球；選用相應(yīng)孔隙率和孔徑的聚氨酯海綿，用50％NaOH處理后浸入料漿，再取出海綿擠壓出多余料漿，干燥后置燒結(jié)爐中燒結(jié)，升溫速度為室溫至180℃為2℃/分鐘，180℃至400℃為1℃/分鐘，400℃至600℃為1.2℃/分鐘；然后再將其升溫至1200℃，升溫速度為3℃/分鐘，并保溫半小時，再繼續(xù)升溫至1350℃，升溫速度為1.6℃/分鐘，保溫2小時，得納米氧化鋯強韌化高孔隙率磷酸鈣人工骨支架。
2.權(quán)利要求1所述方法制備的納米氧化鋯強韌化高孔隙率磷酸鈣人工骨支架。
3.按權(quán)利要求2所述納米氧化鋯強韌化高孔隙率磷酸鈣人工骨支架作為骨組織損傷修復(fù)材料或體外細(xì)胞培養(yǎng)支架的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及醫(yī)用生物陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，是一種納米強韌化高孔隙率磷酸鈣人工骨支架及其制備方法。本發(fā)明針對現(xiàn)有磷酸鈣生物陶瓷一旦孔隙率增高就難于滿足對人工骨抗壓強度和韌性要求這一缺陷，在磷酸鈣中加入納米氧化鋯顆粒以增強人工骨支架的抗壓強度和韌性，從而為骨缺損治療提供一種孔隙率高、抗壓強度大、韌性強的生物陶瓷人工骨支架。本發(fā)明人工骨支架是用納米氧化鋯顆粒與羥基磷灰石以適當(dāng)比例混合制成料漿，再涂于適當(dāng)孔徑和孔隙率的聚氨脂海綿燒結(jié)而成。由于孔隙率高，孔徑大小適當(dāng)，不僅使β－磷酸鈣易被降解吸收，而且骨組織易于長入，融合速度快，與宿主骨牢固結(jié)合，不會產(chǎn)生明顯的異物反應(yīng)。本發(fā)明生物陶瓷既可用于骨組織損傷修復(fù)，還可以用于體外細(xì)胞培養(yǎng)。
文檔編號A61L27/00GK1554449SQ20031012268
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月24日
發(fā)明者李家順, 呂宏, 蔡舒, 王彥偉 申請人:中國人民解放軍第二軍醫(yī)大學(xué)