本發(fā)明涉及生物陶瓷支架材料的制備方法。

背景技術(shù)：

由于創(chuàng)傷、炎癥、腫瘤的外科治療所導(dǎo)致的骨缺損特別是大段骨缺損，是除了由骨折所致的骨不連外，引起功能喪失并影響生活質(zhì)量的主要原因。目前傳統(tǒng)自體松質(zhì)骨移植是治療局部骨缺損的金標(biāo)準(zhǔn)。但是其存在不可否認(rèn)的局限性，如供骨區(qū)損傷，術(shù)后并發(fā)癥和治療費用等問題，更重要的是來源與數(shù)量有限。異體骨移植則不受形狀與數(shù)量的限制，可達(dá)到即時的骨量要求，其骨愈合過程與傳統(tǒng)的長段自體移植骨基本類似。但是異體骨經(jīng)各種滅菌處理后缺乏自身成骨作用，骨愈合過程緩慢且多存在不同程度的排斥反應(yīng)，因此效果不佳。

隨著生物材料科學(xué)的興起，以生物材料來制作移植替代物的組織工程學(xué)正在不斷的發(fā)展。因此，組織工程骨修復(fù)骨缺損也成為當(dāng)前研究熱點。

骨組織工程支架材料是指能與成骨細(xì)胞結(jié)合并能置入生物體的材料，它是組織工程化骨的最基本構(gòu)架。植入體內(nèi)后，支架材料與宿主組織接觸部分發(fā)生化學(xué)結(jié)合，能長期發(fā)揮功能，而不至于在界面處發(fā)生松動與破壞。理想的骨組織工程支架材料應(yīng)具備以下條件：良好的組織相容性和良好的表面活性，有利于細(xì)胞的粘附，并為細(xì)胞在其表面生長、增殖和分泌基質(zhì)提供良好的微環(huán)境；具有可塑性，可被加工成所需的形狀，并有一定的機(jī)械強(qiáng)度，在置入體內(nèi)后的一定時間內(nèi)仍可保持其形狀，使新形成的組織具有一定的外形；具有三維立體結(jié)構(gòu)，材料必須是高度多孔的，類似泡沫狀，孔隙率應(yīng)達(dá)到80%以上，具有較大的內(nèi)表面積，一方面有利于細(xì)胞的植入粘附，另一方面有利于細(xì)胞營養(yǎng)成分的滲入和細(xì)胞代謝產(chǎn)物的排除。

目前，骨組織工程支架材料主要分為三類：生物衍生材料、陶瓷材料和高分子材料。生物衍生材料具有抗原性，特別是植體較大時，常常會引起劇烈的免疫排斥反應(yīng)。羥基磷灰石是最主要的陶瓷材料，它是骨的無機(jī)成分。合成的羥基磷灰石具有良好的生物活性和生物相容性，具有較高的骨結(jié)合能力。但是由于它的力學(xué)性能較差，無法滿足多數(shù)生物體內(nèi)植入的生物力學(xué)要求。而高分子材料應(yīng)用過程中，根據(jù)生物醫(yī)用材料的要求，支架材料植入體內(nèi)后，應(yīng)盡量避免其與宿主骨之間的炎性反應(yīng)，以保證植入材料的長期安全性。Roel Kuijer等人對聚酯共聚物的支架材料研究表明，不管支架上是否種細(xì)胞，植入兔體內(nèi)后均有部分支架與宿主骨之間出現(xiàn)感染癥狀。

因此，我們通過干鋪-燒結(jié)方法制備出ZrO₂多孔生物骨修復(fù)支架。為骨缺損治療提供一種孔隙率高、抗壓強(qiáng)度大、韌性強(qiáng)的生物陶瓷人工骨支架材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述問題，本發(fā)明的目的提供一種二氧化鋯多孔生物骨修復(fù)支架的掛漿方法，采用該方法掛漿后二氧化鋯多孔生物骨修復(fù)支架經(jīng)過燒結(jié)制備的二氧化鋯多孔生物骨修復(fù)支架抗壓及抗彎強(qiáng)度大，孔隙率高，孔徑大小合適，能與宿主骨牢固結(jié)合，不會產(chǎn)生明顯的異物反應(yīng)，生物相容性好。

為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案：

一種二氧化鋯多孔生物骨修復(fù)支架的掛漿方法，該方法包括以下的步驟：

1）聚氨酯泡沫模型材料預(yù)處理，提高材料的親水性和粘附性能；

2）在聚氨酯泡沫模型材料上掛漿，所述的掛漿包括2~4次，第一次掛漿，漿料中ZrO₂粉體的質(zhì)量百分比為55~70%；掛漿后置于室溫下自然干燥；然后放入烘箱中，在 100~120℃條件下烘干，使水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至1%以下；以后每次掛漿ZrO₂粉體的質(zhì)量百分比相對于前一次掛漿減少1%~5%，掛漿后以相同的方法干燥并烘干。

作為優(yōu)選，步驟1）中將有機(jī)聚氨酯泡沫材料采用50~70℃、10~20wt% 氫氧化鈉溶液浸泡 3.0~4.0 h，用清水反復(fù)揉搓2~4遍，晾干；再以表面活性劑繼續(xù)對有機(jī)聚氨酯泡沫體材料進(jìn)行表面處理，最后用5% PVA浸泡20~30h后干燥。

作為優(yōu)選，步驟2）中第一次掛漿的漿料按質(zhì)量百分比計包括以下的組分：

ZrO₂粉體 55~70%

聚乙烯醇 0.2~1.0%

羧甲基纖維素 0.2~1.0%

硅溶膠 8~15%

聚丙稀酸銨 0.2~1.2%。

作為優(yōu)選，步驟2）中第一次掛漿的漿料按質(zhì)量百分比計包括以下的組分：

ZrO₂粉體 60~65%

聚乙烯醇 0.2~1.0%

羧甲基纖維素 0.2~1.0%

硅溶膠 8~15%

聚丙稀酸銨 0.2~1.2%。

作為優(yōu)選，步驟2）第一次掛漿以后每次掛漿ZrO₂粉體的質(zhì)量百分比相對于前一次掛漿減少1%~5%，其他成分不變。

作為優(yōu)選，步驟2）中掛漿制漿前ZrO₂粉體進(jìn)行預(yù)燒處理，處理溫度在30℃至800℃之間時升溫速度為2℃/min，800℃至1250℃之間時升溫速度為4℃/min，升溫至 1250℃后保溫4h完成粉體預(yù)處理。

作為優(yōu)選，步驟2）中漿料的制備過程如下：對原料進(jìn)行完全混合研磨后，采用粉球質(zhì)量比1：2，轉(zhuǎn)速300r/min的高速球磨機(jī)研磨3h以制取漿料，然后先將一定量去離子水和硅溶膠攪拌10 min，加入CMC 和消泡劑辛醇，ZrO₂粉體，再攪拌3 h，等待掛漿。

本發(fā)明針對現(xiàn)有生物陶瓷支架一旦孔隙率增高就難以滿足對人工骨抗壓強(qiáng)度和韌性要求這一缺陷，以納米二氧化鋯作為生物骨修復(fù)支架，從而為骨缺損治療提供一種孔隙率高、抗壓強(qiáng)度大、韌性強(qiáng)的生物陶瓷人工骨支架。采用該方法掛漿后二氧化鋯多孔生物骨修復(fù)支架經(jīng)過燒結(jié)制備的二氧化鋯多孔生物骨修復(fù)支架由于孔隙率高，孔徑大小合適，抗壓強(qiáng)度大、韌性強(qiáng)，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)，生物相容性好，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)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式泡沫陶瓷人工椎體尺寸圖。

圖2為本發(fā)明具體實施方式泡沫陶瓷人工椎體超景深圖片。

圖3為本發(fā)明具體實施方式術(shù)后12周椎體標(biāo)本及X片。

具體實施方式

下面以犬腰椎椎體HA/ZrO₂生物陶瓷支架材料作為實例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。

1.1 模型有機(jī)泡沫材料預(yù)處理

采用聚氨酯作為泡沫模型材料，由于聚氨酯材料存在網(wǎng)絡(luò)間膜，而間膜的存在使?jié){料很難進(jìn)入泡沫體模型內(nèi)部，將造成堵孔、漿料無法均勻分布、燒結(jié)后的泡沫陶瓷的空隙率和力學(xué)性能較差。故需先將膜打通，使有機(jī)體泡沫形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。另外，有機(jī)泡沫模型存在親水性較差、潤濕角小故漿料不易吸附。為改善泡沫體模型材料的掛漿性能，需要進(jìn)行預(yù)處理。將有機(jī)聚氨酯泡沫材料切割為高24cm、半徑9cm半圓柱型大小，采用60℃、15wt% 氫氧化鈉溶液浸泡 3.5 h，用清水反復(fù)揉搓3遍，晾干備用。處理后的有機(jī)聚氨酯泡沫材料由于被堿液腐燭，表面粗糙度明顯增加，故使其親水性和粘附性能有所改善。再以表面活性劑繼續(xù)對有機(jī)聚氨酯泡沫體材料進(jìn)行表面處理，最后用5% PVA浸泡24h后干燥。

1.2 ZrO₂粉體、漿料的制備

采用箱式電阻爐對粉體進(jìn)行預(yù)燒處理，處理溫度在30℃至800℃之間時升溫速度為2℃/min，800℃至1250℃之間時升溫速度為4℃/min，升溫至 1250℃后保溫4h完成粉體預(yù)處理。漿料制備采用添加劑配比：聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纖維素（CMC）的含量均為0.5%，加入10% 硅溶膠，聚丙稀酸銨(PAA-NH₄)的含量為0.6%。首次掛漿加入ZrO₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，故整體漿料固相率約為60%。對原料進(jìn)行完全混合研磨后，采用粉球質(zhì)量比1：2，轉(zhuǎn)速300r/min的高速球磨機(jī)研磨3h以制取漿料，然后先將一定量去離子水和硅溶膠攪拌10 min，加入CMC 和消泡劑辛醇，ZrO₂粉體，再攪拌3 h，等待掛漿。將掛漿過程中有機(jī)泡沫內(nèi)部多余漿料通過擠壓法去除，保證其通孔率。再將試樣置于室溫下18h~24 h后自然干燥。然后放入烘箱中，在 110℃條件下烘干12 h，使水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至1%以下。然后進(jìn)行第二次研磨、掛漿，采用同樣添加劑配比，但加入ZrO₂粉料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至57%，使整體漿料固相率降至57%。第二次起使用離心掛漿法，即先將未處理有機(jī)泡沫材料放入離心管底部，以便于隔離甩出的漿料，再將浸泡好的含漿料有機(jī)泡沫放入，1500r/min離心1min。經(jīng)過相同工藝烘干后行第3次掛漿，第3次同樣采用前兩次添加劑配比，但ZrO₂粉料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54%，整體漿料固相率調(diào)整至54%。

1.3 ZrO₂陶瓷的燒結(jié)

對上述掛漿后預(yù)制體試樣采用了三段式燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，分別為（1）烘干階段：在室溫至100℃時，升溫速度為2℃/min，目的使預(yù)制體試樣內(nèi)殘余的水分揮發(fā)。（2）揮發(fā)階段：在100℃至200℃時,控制升溫速度為1℃/min，在200至500℃時，控制升溫速度在1℃/2min，升溫至500℃時，保溫1h，后升溫到500至750℃時，控制升溫速度為2℃/3min，升溫至750℃后，保溫1h，后升溫到750至1200℃時，控制升溫速度為2℃/min。（3）高溫焙燒階段：后持續(xù)燒結(jié)溫度保持在3℃/min，到達(dá)1550℃的最高燒結(jié)溫度后，再保溫3h并隨爐冷卻。得到高24cm、半徑9cm半圓柱型純ZrO₂人工椎體。

1.4 在純ZrO₂泡沫陶瓷人工椎體表面浸涂HA 梯度涂層

采取兩步法浸涂法涂覆梯度HA涂層。第一次浸涂漿料配比為：ZrO₂粉體31.1%、HA粉體13.3%，磷酸乙酯1.4%，乙基纖維素0.2%，雙蒸水53%。先將HA粉體加熱至800℃后保溫2h預(yù)處理，再將上述原料在50℃熱水中混合，并攪拌5h。將燒結(jié)出的純ZrO₂泡沫陶瓷人工椎體浸入漿料，等完全浸透后取出，甩去多余漿料。100℃烘干5h，再加熱到900℃保溫5h，最后加熱到1250℃保持1h。第二次浸涂漿料配比為：ZrO₂粉體3.9%，HA粉體35.5%，磷酸乙酯1.4%，乙基纖維素0.2%，雙蒸水58%，配置好漿料后重復(fù)上述步驟。得到HA/ZrO₂梯度復(fù)合泡沫陶瓷人工椎體。

上述制備的HA/ZrO₂梯度復(fù)合泡沫陶瓷人工椎體的具體數(shù)據(jù)為平均抗壓強(qiáng)度14.28 MPa，平均孔隙率80.95%，體外細(xì)胞毒性試驗（MTT）（—）。