本發(fā)明涉及一種具有活性夾層的功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架的制備方法，屬于生物醫(yī)用材料制備技術領域。

背景技術：

羥基磷灰石（HA）因具有與人骨相似的化學結構和優(yōu)秀的生物活性而被認為是當前骨修復領域的首選支架或填充材料。鍶（Sr）由于其在骨質(zhì)疏松中特有的治療效果可以有效促進骨愈合及新骨生長，增加骨形成的同時，減少骨吸收。細胞實驗已經(jīng)證明，Sr的融和能夠有效的促進成骨細胞的增殖及分化。此外，預臨床實驗也證實，Sr離子的釋放可以增強不同部位的骨密度，包括腰椎、股骨頸和髖關節(jié)，可以有效阻止骨質(zhì)酥松（見文獻：Yamaguchi S, Nath S, Matsushita T, et al. Controlled release of strontium ions from a bioactive Ti metal with a Ca-enriched surface layer[J]. Acta Biomaterialia, 2014, 10(5):2282-2289.）。與此同時，很多學者在上述兩種骨填充材料中引入孔隙結構，制成多孔HA材料，以此來增加材料的比表面積，更容易使骨細胞在其表面粘附生長，使得材料在填充骨缺損部位后與骨組織形成長期穩(wěn)定的生物鎖合。

但是，原本力學性能較差的HA或Sr，再引入孔隙結構，無疑更加使其力學性能進一步受到破壞，無法在臨床上滿足其力學性能的基本要求，而且，文獻表明，若要引入骨細胞在其表面粘附生長，還需要高的孔隙率（30%-50%）和大的孔徑（300-500μm），然而，問題是越高的孔隙參量（孔隙率和孔隙尺度），就會導致越差的力學性能。另一方面，目前制備多孔HA生物陶瓷的方法有模板法、溶膠凝膠法、泡沫法等，這些制備方法不但容易引入雜質(zhì)，而且在制備過程中為了材料的力學穩(wěn)定性往往需要添加像聚乙烯醇的粘結劑，而這些添加劑可能在制備過程中無法完全去除，而殘留的聚乙烯醇已被證明具有肝膽毒性，無法用在生物醫(yī)用領域。

基于上述原因，十分有必要設計一種功能梯度一體化的多孔骨填充支架，在成分上，將HA與Sr摻雜，制備成既有成骨活性，引入骨細胞生長，又具有促進骨細胞增殖分化，快速有效的形成骨整合的功能；在結構上，采取梯度結構設計，與骨組織接觸的一層（最外層）設計為高孔隙率、大孔徑的多孔層，可以為骨細胞提供穩(wěn)定生長增殖平臺，中間層，設計為功能型的誘導平臺，既誘導外接骨組織向材料中心長入，促進骨生長，中心層，設計為高致密度的強度層，主要為整體的骨支架提供力學穩(wěn)定性，使整體材料既具有高孔隙率、大孔徑的同時還具有好的力學性能，使三者的結合不再矛盾。

放電等離子燒結（Spark Plasma Sintering， SPS）是一種粉末快速固結的新型技術。SPS利用強電流的脈沖電源來激發(fā)和促進材料的固結和反應燒結過程。相較于傳統(tǒng)技術，SPS在加工過程中，對各類導體、非導體以及復合材料的密度值均可調(diào)節(jié)至任意需求值。SPS最大程度的縮短了實驗時間及能耗，同時又完美的保持了材料的微納結構。

基于此，本發(fā)明通過采用梯度功能一體化的設計思路結合放電等離子燒結技術燒結溫度低、升溫速度快、制備過程潔凈的優(yōu)點，制備一種具有活性夾層的功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架材料。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對目前HA骨修復支架材料存在的問題，提供了一種具有活性夾層的功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架的制備方法；目的在于進一步提高骨填充支架的生物活性、成骨活性，同時解決支架材料的高孔隙結構與高力學性能無法共存的問題，有效提高骨填充支架在骨缺損部位植入的長期穩(wěn)定性。

具體包括以下步驟：

（1）按羥基磷灰石（HA ）97%～80%、Sr 3～20%的質(zhì)量百分比，分別稱取100 nm的羥基磷灰石（HA）粉末和Sr粉末，將粉末放入瑪瑙球磨罐中進行球磨，用酒精密封后抽真空至20~30Pa，然后球磨50~100 h，所得混合HA-Sr粉末仍置于酒精中，備用；

（2）將步驟（1）中得到的混合HA-Sr粉末與NH₄HCO₃粉末在混料機內(nèi)混合120~240min得到混合粉末A；混合粉末中HA-Sr粉末的質(zhì)量百分比為95%~75%，NH₄HCO₃粉末的質(zhì)量百分比為5%~25%，篩分粒徑100~700μm。

（3）按Sr粉末95%~90%、NH₄HCO₃粉末5%~10%的質(zhì)量百分比，分別稱取Sr粉末和NH₄HCO₃粉末在混料機內(nèi)混合30~60min得到混合粉末B。

（4）稱取10~20g ，純度超過99.7%，粒度為100nm的HA粉末，記為粉末C，備用。

（5）將步驟（2）（3）（4）得到的粉末梯度鋪放裝入鍍Cr的合金鋼模具中，首先裝混合粉末A，再裝混合粉末B作為活性夾層，再裝粉末C，最后裝混合粉末B和混合粉末A，形成中心層是羥基磷灰石，次層為混合粉末B，最外層是混合粉末A的夾層結構；將裝好粉末的模具在50~100MPa的單項壓力下冷壓成型，退模后得到塊體壓坯。

（6）將步驟（5）得到的塊體壓坯裝入石墨模具中，再置入放電等離子燒結爐中，系統(tǒng)真空抽至2~6 Pa后進行燒結，升溫速率為50~100min/℃，在800～1000℃下保溫5～10 min，隨爐冷卻至室溫即可得功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架材料。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

（1）生物活性，成骨活性好。其材料中成分主要為HA摻雜Sr元素，能夠主動誘導骨細胞的粘附，還可促進骨細胞增殖，成骨活性好。

（2）孔隙參量可控，生物相容性好。所制備的多孔支架在滿足高孔隙率、大孔徑的同時還不會破壞材料本身的力學強度，使得材料在保持力學穩(wěn)定性的同時能夠為周圍的骨細胞提供良好的生長增殖平臺。

（4）采用本發(fā)明方法制備的多孔HA-Sr骨填充支架可以作為理想的人骨組織替換材料，同時本發(fā)明方法工藝簡單、操作方便、成本低廉，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例多孔HA-Sr骨填充支架的結構簡圖；

圖2為本發(fā)明實施例HA-Sr的XRD譜圖；

圖3為本發(fā)明實施例多孔HA-Sr骨填充支架與兔骨髓間充質(zhì)干細胞的細胞增殖率（MTT）圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于所述內(nèi)容。

實施例1

（1）按羥基磷灰石（HA ）97%、Sr 3%的質(zhì)量百分比，分別稱取100 nm的羥基磷灰石（HA）粉末和Sr粉末，將粉末放入瑪瑙球磨罐中進行球磨，用酒精密封后抽真空至20Pa，然后球磨50 h，所得混合HA-Sr粉末仍置于酒精中，備用；

（2）將步驟（1）中得到的混合HA-Sr粉末與NH₄HCO₃粉末在混料機內(nèi)混合120min得到混合粉末A；混合粉末A中HA-Sr粉末的質(zhì)量百分比為95%，NH₄HCO₃粉末的質(zhì)量百分比為5%，篩分平均粒徑100μm。

（3）按Sr 粉末95%、NH₄HCO₃粉末5%的質(zhì)量百分比，分別稱取Sr粉末和NH₄HCO₃粉末在混料機內(nèi)混合30min得到混合粉末B。

（4）稱取10 g ，純度超過99.7%，粒度為100nm的HA粉末，記為粉末C，備用。

（5）將步驟（2）（3）（4）得到的粉末梯度鋪放裝入鍍Cr的合金鋼模具中，首先裝混合粉末A，再裝混合粉末B作為活性夾層，再裝粉末C，最后裝混合粉末B和混合粉末A，形成中心層是羥基磷灰石，次層為混合粉末B，最外層是混合粉末A的夾層結構；將裝好粉末的模具在50MPa的單項壓力下冷壓成型，退模后得到塊體壓坯。

（6）將步驟（5）得到的塊體壓坯裝入石墨模具中，再置入放電等離子燒結爐中，系統(tǒng)真空抽至2 Pa后進行燒結，升溫速率為50min/℃，在800℃下保溫5 min，隨爐冷卻至室溫即可得功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架材料。

按HA95%、Sr5%，HA90%、Sr10%的質(zhì)量百分比，分別稱取100 nm的HA粉末和Sr粉末，連同本例按HA 97%、Sr 3%配比的粉末A，再按本例中相同的工藝條件燒結得到不同摻Sr比的功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架材料，其結構簡圖如圖1所示。按HA95%、Sr5%，HA90%、Sr10%的質(zhì)量百分比配出的不同摻雜量的粉末A連同純凈的HA粉末利用X射線衍射儀（XRD）進行檢測，如圖2所示。圖中顯示兩種不同摻雜量的粉末都有一部分與HA的峰型重合，表明都含有HA，此外，隨著Sr的增多，其主峰也逐漸升高。將本發(fā)明一個實施例獲得的功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架材料連同HA支架一起進行對比的生物毒性MTT實驗，如圖3所示。將兩種材料與兔骨髓間充值干細胞分別共培養(yǎng)3,5,7天后，發(fā)現(xiàn)細胞數(shù)量逐漸升高，多孔HA-Sr骨填充支架材料的細胞增殖率超過對照組，且其數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計學意義，說明材料無細胞毒性。

實施例2

（1）按羥基磷灰石（HA） 80%、Sr 20%的質(zhì)量百分比，分別稱取100 nm的羥基磷灰石（HA）粉末和Sr粉末，將粉末放入瑪瑙球磨罐中進行球磨，用酒精密封后抽真空至30Pa，然后球磨100 h，所得混合HA-Sr粉末仍置于酒精中，備用；

（2）將步驟（1）中得到的混合HA-Sr粉末與NH₄HCO₃粉末在混料機內(nèi)混合240min得到混合粉末A；混合粉末A中HA-Sr粉末的質(zhì)量百分比為75%，NH₄HCO₃粉末的質(zhì)量百分比為25%，篩分平均粒徑700μm。

（3）按粉末Sr 90%、NH₄HCO₃粉末10%的質(zhì)量百分比，分別稱取Sr粉末和NH₄HCO₃粉末在混料機內(nèi)混合60min得到混合粉末B。

（4）稱取20g ，純度超過99.7%，粒度為100nm的HA粉末，記為粉末C，備用。

（5）將步驟（2）（3）（4）得到的粉末梯度鋪放裝入鍍Cr的合金鋼模具中，首先裝混合粉末A，再裝混合粉末B作為活性夾層，再裝粉末C，最后裝混合粉末B和混合粉末A，形成中心層是羥基磷灰石，次層為混合粉末B，最外層是混合粉末A的夾層結構；將裝好粉末的模具在100MPa的單項壓力下冷壓成型，退模后得到塊體壓坯。

（6）將步驟（5）得到的塊體壓坯裝入石墨模具中，再置入放電等離子燒結爐中，系統(tǒng)真空抽至6 Pa后進行燒結，升溫速率為100min/℃，在800℃下保溫10 min，隨爐冷卻至室溫即可得功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架材料。

按本例中相同的工藝條件，獲得塊體壓坯后，置入放電等離子燒結爐中，分別按850℃、900℃、950℃、1000℃燒結，連同本例在800℃下燒結獲得的不同燒結溫度的功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架材料。利用阿基米德法對不同燒結溫度的功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架材料進行測量，并通過計算獲得該材料的孔隙率。結果表明隨溫度從800℃到1000℃不斷升高，其外層孔徑逐漸減小，孔隙率從65%到30%不斷降低。將材料與成年兔骨髓間充質(zhì)細胞共培養(yǎng)2周后，發(fā)現(xiàn)五種材料都具有優(yōu)異的生物活性。

實施例3

（1）按羥基磷灰石（HA） 85%、Sr 15%的質(zhì)量百分比，分別稱取100 nm的羥基磷灰石（HA）粉末和Sr粉末，將粉末放入瑪瑙球磨罐中進行球磨，用酒精密封后抽真空至25Pa，然后球磨80 h，所得混合HA-Sr粉末仍置于酒精中，備用；

（2）將步驟（1）中得到的混合HA-Sr粉末與NH₄HCO₃粉末在混料機內(nèi)混合200min得到混合粉末A；混合粉末A中HA-Sr粉末的質(zhì)量百分比為80%，NH₄HCO₃粉末的質(zhì)量百分比為20%，篩分平均粒徑500μm。

（3）按Sr 粉末90%、NH₄HCO₃粉末10%的質(zhì)量百分比，分別稱取Sr粉末和NH₄HCO₃粉末在混料機內(nèi)混合55min得到混合粉末B。

（4）稱取15g ，純度超過99.7%，粒度為100nm的HA粉末，記為粉末C，備用。

（5）將步驟（2）、步驟（3）和步驟（4）得到的粉末梯度鋪放裝入鍍Cr的合金鋼模具中，首先裝混合粉末A，再裝混合粉末B作為活性夾層，再裝粉末C，最后裝混合粉末B和混合粉末A，形成中心層是羥基磷灰石，次層為混合粉末B，最外層是混合粉末A的夾層結構；將裝好粉末的模具在60 MPa的單項壓力下冷壓成型，退模后得到塊體壓坯。

（6）將步驟（5）得到的塊體壓坯裝入石墨模具中，再置入放電等離子燒結爐中，系統(tǒng)真空抽至5 Pa后進行燒結，升溫速率為80min/℃，在900℃下保溫8 min，隨爐冷卻至室溫即可得功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架材料。

按本例中相同的工藝條件，將HA-Sr粉末與篩分的200μm、300μm 400μm、600μm、的不同粒徑的NH₄HCO₃粉末混合，連同本例在燒結得到的功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架材料，用相對密度法進行測量，并通過計算得到功能梯度多孔HA-Sr骨填充支架材料的平均孔隙率和平均孔隙尺度分別在40%和500μm左右，這樣的孔隙結構有利于成骨細胞的長入和體液的傳輸，加快骨組織缺損處的愈合過程。