專利名稱：β-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明包括一種骨組織工程生物支架材料及其制備方法和應(yīng)用，尤其涉及一種生物陶瓷支架及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
組織工程是應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)、生物材料和工程學(xué)的原理，研究開(kāi)發(fā)用于修復(fù)或改善人體病損組織或器官的結(jié)構(gòu)、功能的生物活性替代物的交叉學(xué)科。其研究主要包括三個(gè)方面種子細(xì)胞、生物材料支架和生長(zhǎng)信號(hào)。生物支架材料是組織工程的關(guān)鍵因素，因而開(kāi)發(fā)構(gòu)建理想的細(xì)胞外支架材料是現(xiàn)階段組織工程的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。骨組織工程是組織工程的一個(gè)分支。骨組織工程是指將分離的成骨細(xì)胞、骨髓基質(zhì)干細(xì)胞或軟骨細(xì)胞，經(jīng)體外擴(kuò)增培養(yǎng)后種植于具有良好生物相容性的支架材料上；細(xì)胞在預(yù)制形態(tài)的三維支架上生長(zhǎng)增殖后，將這種細(xì)胞-材料復(fù)合體植入骨缺損部位，在生物材料逐步降解的同時(shí)，種植的骨細(xì)胞不斷增殖，逐步形成骨組織并發(fā)揮相應(yīng)的功能作用，從而達(dá)到修復(fù)骨組織缺損的目的。支架材料在組織工程研究中的作用為為組織或器官體外構(gòu)建提供細(xì)胞生長(zhǎng)的三維支架，使細(xì)胞形成適宜的空間 分布和細(xì)胞間的信號(hào)傳導(dǎo)與相互作用；提供特殊的生長(zhǎng)和分化信號(hào)，維持細(xì)胞的定向分化，是組織工程研究及其臨床應(yīng)用的關(guān)鍵。理想的組織工程支架材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)(1)無(wú)毒性且具有良好的生物組織相容性，支架材料本體及其降解產(chǎn)物均不會(huì)引起機(jī)體的免疫排斥反應(yīng)；(2)具有高孔隙率的結(jié)構(gòu)來(lái)支持和誘導(dǎo)細(xì)胞的貼附、增殖以及細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生；(3)具有生物可降解性，且降解速率可控；(4)適宜的可塑性和機(jī)械強(qiáng)度，以維持支架材料微環(huán)境的穩(wěn)定。目前骨組織工程支架材料主要有三類其一是天然生物衍生材料，具有來(lái)源豐富，制作簡(jiǎn)便，組織相容性良好以及具有一定的生物降解性的優(yōu)點(diǎn)。其二是人工合成材料，如鈣磷陶瓷、生物活性玻璃等。其三為復(fù)合材料，如無(wú)機(jī)高分子復(fù)合材料、金屬高分子復(fù)合材料等。生物陶瓷以其良好的生物相容性以及骨誘導(dǎo)性，同時(shí)兼具良好的機(jī)械性能和可塑性，能夠滿足骨組織工程對(duì)支架材料成形、力學(xué)性能和骨誘導(dǎo)性等方面的要求，在骨組織工程中受到了較大的關(guān)注和應(yīng)用。盡管目前已對(duì)多種生物支架材料進(jìn)行了不少研究，但生物支架材料存在的種種技術(shù)難題如細(xì)胞貼附性、機(jī)械強(qiáng)度等依然沒(méi)有臨到很好的解決。尤其在骨組織工程中，支架材料的機(jī)械強(qiáng)度往往成為制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前多孔生物陶瓷支架普遍缺乏足夠的強(qiáng)度，羥基磷灰石多孔生物陶瓷支架的抗壓強(qiáng)度一般不超過(guò)lOMPa，磷酸三鈣多孔支架的抗壓強(qiáng)度一般不超過(guò)15MPa，也只能勉強(qiáng)達(dá)到松質(zhì)骨的強(qiáng)度要求。β -硅酸二鈣與活性玻璃同屬CaO-SiO2體系，被認(rèn)為具有生物活性。已有研究表明成骨細(xì)胞能夠在硅酸二鈣涂層表面正常貼附生長(zhǎng)，并增殖分化，表明硅酸二鈣涂層具有良好的生物相容性，因而擬用β-硅酸二鈣生物陶瓷支架來(lái)解決上述難題并將其用于骨組織工程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明擬解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有骨組織工程支架材料的不足，提供一種機(jī)械強(qiáng)度高、開(kāi)孔率高、對(duì)生物體無(wú)毒性、生物相容性良好的3 -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架，并相應(yīng)地提供了一種該3-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的制備方法和應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架，所述3-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架按如下的方法制備而成。具體包括以下步驟(I)前驅(qū)體模板處理根據(jù)產(chǎn)品所需的形狀和尺寸，用有機(jī)泡沫加工處理得到多孔支架模板。(2)陶瓷原料制備將Ca源和Si源按適當(dāng)?shù)谋壤浔?，同時(shí)添加適量水和穩(wěn)定劑進(jìn)行球磨，球磨后的粉料烘干過(guò)篩備用。(3)浸潰掛漿稱取步驟(2)所制備粉料，按比例加入粘結(jié)劑和蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，配成漿料。將步驟(I)制備的海綿前驅(qū)體置于漿料中反復(fù)擠壓浸潰，并擠壓出海綿前驅(qū)體中多余漿料。(4)干燥將步驟(3)中得到的樣品進(jìn)行鼓風(fēng)干燥。(5)燒成干燥后的樣品放入燒結(jié)爐中高溫?zé)Y(jié)，并于燒成溫度下保溫。(6)冷卻保溫結(jié)束立即將樣品從爐中取出冷卻。為了更好的解決上述技術(shù)問(wèn)題，所述前驅(qū)體模板優(yōu)選為聚氨脂海綿。所述Ca源和Si源的優(yōu)選的摩爾比為1:1至3:1，特別優(yōu)選為摩爾比2:1的比例。所用穩(wěn)定劑優(yōu)選為磷酸鈣鹽，其優(yōu)選用量為碳酸鈣和二氧化硅混合粉料質(zhì)量的
0.5% 3%。所述Ca源優(yōu)選為CaC03、CaO或Ca (HCO3)2，所述Si源優(yōu)選為Si02、白炭黑或者氣溶硅。所述粘結(jié)劑優(yōu)選為羧甲基纖維素鈉(CMC)，其用量?jī)?yōu)選為球磨所得粉料質(zhì)量的
2% 4%。 所配漿料中的含水率優(yōu)選為30% 70%。所述燒結(jié)爐優(yōu)選為硅鑰爐。所述鼓風(fēng)干燥的溫度優(yōu)選控制在8(Tl2(TC，干燥時(shí)間優(yōu)選為9-15小時(shí)。所述燒成制度優(yōu)選為分段進(jìn)行，不同溫度段的升溫速度不同，燒成溫度優(yōu)選控制在1200°C 1400°C，并優(yōu)選于燒成溫度下保溫2 4小時(shí)。所述保溫結(jié)束后，優(yōu)選將樣品立即由爐中取出并急冷。本發(fā)明還提供一種 根據(jù)前述方法制備的￠-硅酸二鈣生物陶瓷支架。作為一個(gè)完整的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明提供一種上述的￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架在骨組織工程中的應(yīng)用，即可將種有成骨細(xì)胞的3 -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架植入體內(nèi)以修復(fù)或替代體內(nèi)缺損或壞死的骨組織。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明所制備的P -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的抗壓強(qiáng)度為18 30MPa，達(dá)到甚至超過(guò)了人體內(nèi)松質(zhì)骨的機(jī)械強(qiáng)度，可用于修復(fù)松質(zhì)骨損傷。(2)本發(fā)明采用模板法制備工藝，具有可塑性強(qiáng)、產(chǎn)品形狀和尺寸可控的特點(diǎn)。
(3)通過(guò)工藝控制，本發(fā)明制備的3 -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架內(nèi)部和表面均為連通孔結(jié)構(gòu)，大大提高了支架中的物質(zhì)交換速率和效率，為細(xì)胞的增殖和組織的修復(fù)再生提供了更為有效且真實(shí)的微環(huán)境，細(xì)胞可在支架里外良好的貼附生長(zhǎng)并增殖。由此，本發(fā)明所闡述的β_硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架是一種極具應(yīng)用前景的組織工程支架材料。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制得的β -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的微觀形貌顯微照片。圖2為本發(fā)明實(shí)施例制得的β -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架種植細(xì)胞后的顯微照片；其中，A圖、B圖分別為細(xì)胞培養(yǎng)7天、11天后的顯微照片。圖3為本發(fā)明實(shí)施例2制得的β -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的微觀形貌顯微照片。圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制備的β -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架種植細(xì)胞后7天的顯微照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一一種如圖1所示的本發(fā)明的β -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架，該β -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架是以多孔有機(jī)聚氨酯泡沫作為前驅(qū)體經(jīng)浸潰掛漿后燒結(jié)而成。如圖2所示的本發(fā)明的硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的制備方法，包括以下步驟(I)前驅(qū)體模板處理根據(jù)產(chǎn)品所需的形狀和尺寸，將聚氨脂海綿加工得到直徑約為19mm，厚約為IOmm的圓柱體多孔支架模板；再將該模板浸入10%的NaOH溶液中浸泡6小時(shí)，此后將模板浸入蒸餾水中浸泡清洗12小時(shí)，并取出烘干備用。(2)粉體的制備將CaCO3和SiO2摩爾比2:1配比，同時(shí)添加上述粉料質(zhì)量O. 8%的磷酸三I丐(TCP)作為穩(wěn)定劑。球磨采用行星球磨機(jī)球磨,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為600r/min,球磨時(shí)間為4. 5小時(shí)。球磨后的粉料立即取出烘干過(guò)100目篩備用。(3)浸潰掛漿稱取步驟(2)中的混合粉料，加入其質(zhì)量分?jǐn)?shù)2. 5%的羧甲基纖維素鈉(CMC)作為粘結(jié)劑。攪拌混合均勻后，加入雙重蒸餾水配成含水率為40%的漿料，攪拌均勻。將步驟(1)制備的海綿前驅(qū)體浸入漿料中反復(fù)擠壓浸潰，浸潰完成后取出并擠去多余漿料。(4)干燥將步驟(3)中得到的樣品放入烘箱中于90°C下干燥12小時(shí)。(5)燒成干燥后的樣品放入硅鑰爐中燒結(jié)即可得到硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架。燒成制度分段進(jìn)行，不同溫度段的升溫速度不同且進(jìn)行嚴(yán)格控制。燒成溫度為1250°C，在燒成溫度下保溫4小時(shí)。具體升溫制度如下表所示表1:升溫制度
權(quán)利要求
1.一種3 -硅酸二鈣生物陶瓷支架的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)前驅(qū)體模板處理根據(jù)產(chǎn)品所需的形狀和尺寸，用有機(jī)泡沫加工處理得到多孔支架模板。
(2)陶瓷原料制備將Ca源和Si源按適當(dāng)?shù)谋壤浔龋瑫r(shí)添加適量水和穩(wěn)定劑進(jìn)行球磨，球磨后的粉料烘干過(guò)篩備用。
(3)浸潰掛漿稱取步驟(2)所制備粉料，按比例加入粘結(jié)劑和蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，配成漿料，將步驟(I)制備的海綿前驅(qū)體置于漿料中反復(fù)擠壓浸潰，并擠壓出海綿前驅(qū)體中多余漿料。
(4)干燥將步驟(3)中得到的樣品進(jìn)行鼓風(fēng)干燥。
(5)燒成干燥后的樣品放入燒結(jié)爐中高溫?zé)Y(jié)，并于燒成溫度下保溫。
(6)冷卻保溫結(jié)束立即將樣品從爐中取出冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的制備方法，其特征在于所述前驅(qū)體模板為聚氨脂海綿。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的制備方法，其特征在于Ca源和Si源的摩爾比為1:1至3:1，所用穩(wěn)定劑為磷酸鈣鹽，其用量為碳酸鈣和二氧化硅混合粉料質(zhì)量的0. 59^3%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的制備方法，其特征在于所述粘結(jié)劑為羧甲基纖維素鈉(CMC)，其用量為球磨所得粉料質(zhì)量的29T4%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的制備方法，其特征在于所配漿料中的含水率為30% 70%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的制備方法，其特征在于樣品的鼓風(fēng)干燥的溫度控制在8(T12(TC，干燥時(shí)間為9-15小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的制備方法，其特征在于燒成制度分段進(jìn)行，不同溫度段的升溫速度不同，燒成溫度控制在1200°C 1400°C，并于燒成溫度下保溫2 4小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的制備方法，其特征在于保溫結(jié)束后立即由爐中取出急冷。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1至8任何一項(xiàng)所述方法制備的3 -硅酸二鈣生物陶瓷支架。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求9中所述的￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架在組織工程中的應(yīng)用，可應(yīng)用于骨組織工程中硬骨組織的修復(fù)和替代。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種β-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架及其制備方法和應(yīng)用。該β-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架制備方法為采用多孔有機(jī)泡沫作為前驅(qū)體，泡沫前驅(qū)體經(jīng)處理后加入陶瓷漿料中浸漬掛漿，去除多余陶瓷漿料后烘干、燒成制得β-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架。該生物陶瓷支架具有良好的通孔性、機(jī)械性能和生物相容性，可應(yīng)用于骨組織工程中。
文檔編號(hào)A61L27/10GK103058707SQ201210528010
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者劉海蓉, 戴瑤, 劉斌斌, 周征, 夏磊磊 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)