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，并有一定的機械強度，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。roelkuijer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、抗壓強度大、韌性強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)明的目的提供一種基于干鋪-燒結(jié)技術(shù)制備的二氧化鋯多孔生物骨修復(fù)支架的制備方法，該方法制備的二氧化鋯多孔生物骨修復(fù)支架抗壓及抗彎強度大，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：

一種基于干鋪-燒結(jié)技術(shù)制備的二氧化鋯多孔生物骨修復(fù)支架的制備方法，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；

3）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)，燒結(jié)的步驟如下：

3.1）烘干階段：在室溫至90~110℃時，升溫速度為2~3℃/min；

3.2）揮發(fā)階段：在90~110℃至190~210℃時，控制升溫速度，1~2℃/min，在190~210℃至490~510℃時，控制升溫速度1~2℃/2min，升溫至490~510℃時，保溫1~1.5h，后升溫到490~510℃至700~800℃時，控制升溫速度為1~2℃/3min，升溫至700~800℃后，保溫1~1.5h，后升溫到700~800℃至1200~1300℃時，控制升溫速度為1~2℃/min；

3.3）高溫焙燒階段：后持續(xù)燒結(jié)溫度保持在2~4℃/min，到達(dá)1500~1600℃的最高燒結(jié)溫度后，再保溫2~4h并隨爐冷卻，得到zro2多孔生物骨修復(fù)支架。

作為優(yōu)選，步驟1）中將有機聚氨酯泡沫材料采用50~70℃、10~20wt%氫氧化鈉溶液浸泡3.0~4.0h，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%；

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10min，加入cmc和消泡劑辛醇，zro2粉體，再攪拌3h，等待掛漿。

本發(fā)明的第二個目的是提供采用上述的方法制備得到的zro2多孔生物骨修復(fù)支架。

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)明人工骨支架是以納米zro2顆粒涂于適當(dāng)孔徑和孔隙率的聚氨脂海綿燒結(jié)而成。由于孔隙率高，孔徑大小合適，抗壓強度大、韌性強，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，使有機體泡沫形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。另外，有機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3.5h，用清水反復(fù)揉搓3遍，晾干備用。處理后的有機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。

1.2zro2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10min，加入cmc和消泡劑辛醇，zro2粉體，再攪拌3h，等待掛漿。將掛漿過程中有機泡沫內(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~24h后自然干燥。然后放入烘箱中，在110℃條件下烘干12h，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%。

1.3zro2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)為平均抗壓強度14.28mpa，平均孔隙率80.95%，體外細(xì)胞毒性試驗（mtt）（—）。