本發(fā)明涉及生物陶瓷支架材料的制備。

背景技術：

目前，臨床上通過移植人工骨的方法來治療骨缺損病人已經(jīng)變得十分普遍。不管人工骨來源于何種材料，其移植成功的關鍵在于術后移植骨內(nèi)能否有正常的新生骨組織長入。其主要體現(xiàn)在：1、骨移植處是否產(chǎn)生足量的新生骨；2、在移植骨與正常骨組織連接處是否產(chǎn)生牢固的結合。值得注意的是，目前臨床上大部分的骨移植都只能起到骨替代的作用，還無法讓新生骨很好地長入移植物內(nèi)并使之融為一體。這也意味著移植骨在患者體內(nèi)存在著耗損、老化的風險。并且大段骨移植后骨折的愈合是個復雜的過程，其愈合時間的延長增加了植入物引起異物感染的幾率，感染后則導致更大范圍的假體周圍骨溶解。那么，提高人工移植骨的成骨性能和骨融合率，也就意味著提高了整個骨移植手術的成功率。因此，如何提高人工骨組織材料的成骨性能和與骨融合率受到了廣泛的關注。ha/zro2復合材料在體內(nèi)、外實驗中顯示出完全的生物相容性，在骨組織、肌肉組織界面沒有不良反應，細胞毒性試驗和溶血試驗的反應是微弱的、可接受的。因此，zro2梯度復合ha組織工程骨為骨移植提供良好的替代材料。研究顯示ha/zro2致密復合材料，平均抗彎強度達898.67mpa，最高可達1112.4mpa，kⅰc可達7.3-11.4mpa.m^1/2，遠超過人體自然骨強度。而致密體強度過大同時也帶來應力遮蔽的問題。而將ha/zro2致密體制成泡沫陶瓷材料后通過改變空隙率來調(diào)節(jié)其強度，得到力學性能最貼近自然骨結構的高仿真人工骨材料，這也是ha/zro2泡沫陶瓷材料的最大優(yōu)勢所在。

ha具有與人體硬組織相似的化學成分結構，ha材料植入人體后，在體液的浸潤下，會被部分降解并釋放出人體所必需的鈣、磷元素，并被組織吸收、利用，結合入新的組織，從而使ha和人體骨組織獲得良好的結合。單純ha作為支架材料存在強度低、韌性差、脫粒等缺陷。二氧化鋯（zro2）陶瓷材料正好具有較高的彎曲強度、斷裂韌性和較低的彈性模量，并且zro2也具有一定的生物相容性。用zro2作為ha增強體后可獲得力學性能和生物相容性俱佳的生物復合材料。而致密體強度過大同時也帶來應力遮蔽的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述問題，本發(fā)明的目的提供一種制備zro2骨修復生物陶瓷支架材料的ha浸涂漿料，采用該漿料制備的骨修復生物陶瓷支架材料孔隙率高，孔徑大小合適，不僅使羥基磷灰石易于被降解吸收，而且骨組織易于長入，融合速度快，與宿主骨牢固結合，不會產(chǎn)生明顯的異物反應，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方案：

一種制備zro2骨修復生物陶瓷支架材料的ha浸涂漿料，該漿料按質(zhì)量百分比計由以下的組分構成：

zro2粉末2~35%

ha粉末10~40%

雙蒸水50~65%

磷酸乙酯1.0~2.5%

乙基纖維素0.1~0.5%。

作為優(yōu)選，該漿料按質(zhì)量百分比計由以下的組分構成：

zro2粉末25~35%

ha粉末10~18%

雙蒸水50~60%

磷酸乙酯1.0~2.5%

乙基纖維素0.1~0.5%。

作為再優(yōu)選，該漿料按質(zhì)量百分比計由以下的組分構成：

zro2粉末30~32%

ha粉末12~15%

雙蒸水50~60%

磷酸乙酯1.0~2.5%

乙基纖維素0.1~0.5%。

作為優(yōu)選，該漿料按質(zhì)量百分比計由以下的組分構成：

zro2粉末2~5%

ha粉末30~40%

雙蒸水55~65%

磷酸乙酯1.0~2.5%

乙基纖維素0.1~0.5%。

作為再優(yōu)選，步驟1）中第二層漿料按質(zhì)量百分比計由以下的組分構成：

zro2粉末3~4%

ha粉末32~36%

雙蒸水56~60%

磷酸乙酯1.0~2.5%

乙基纖維素0.1~0.5%。

本發(fā)明針對現(xiàn)有生物陶瓷材料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，在ha中加入納米zro2顆粒以增強支架材料的抗壓強度和韌性，從而為骨缺損治療提供一種孔隙率高、抗壓強度大、韌性強的骨修復生物陶瓷支架。本發(fā)明骨修復生物陶瓷支架材料是納米zro2與ha以適當比例混合成漿料，再涂于適當孔徑和孔隙率的聚氨脂海綿燒結而成。由于孔隙率高，孔徑大小合適，不僅使羥基磷灰石易于被降解吸收，而且骨組織易于長入，融合速度快，與宿主骨牢固結合，不會產(chǎn)生明顯的異物反應，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，還可以用于體外細胞培養(yǎng)。

附圖說明

圖1為實施例1泡沫陶瓷人工椎體尺寸圖。

圖2為實施例1泡沫陶瓷人工椎體超景深圖片。

圖3為實施例1術后12周椎體標本及x片。

圖4實施例2microct平掃及三維圖像。

圖5實施例2數(shù)據(jù)后期處理形成的材料三維結構。

圖6實施例2光固化成型及后期脫脂燒結所制備的ha/zro2生物陶瓷材料。

圖7實施例2ha/zro2生物陶瓷材料掃描電鏡圖。

圖8實施例2ha/zro2生物陶瓷材料粉末xrd分析圖。

圖9實施例2ha/zro2生物陶瓷材料mtt試驗od值。

圖10實施例2ha/zro2生物陶瓷材料植入物取材后新生骨二、三維ct重建。

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)明進行詳細的說明。

實施例1

1.1模型有機泡沫材料預處理

采用聚氨酯作為泡沫模型材料，由于聚氨酯材料存在網(wǎng)絡間膜，而間膜的存在使?jié){料很難進入泡沫體模型內(nèi)部，將造成堵孔、漿料無法均勻分布、燒結后的泡沫陶瓷的空隙率和力學性能較差。故需先將膜打通，使有機體泡沫形成三維網(wǎng)狀結構。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，需要進行預處理。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行預燒處理，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)量分數(shù)為60%，故整體漿料固相率約為60%。對原料進行完全混合研磨后，采用粉球質(zhì)量比1：2，轉速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)量分數(shù)降至1%以下。然后進行第二次研磨、掛漿，采用同樣添加劑配比，但加入zro2粉料的質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為54%，整體漿料固相率調(diào)整至54%。

1.3zro2陶瓷的燒結

對上述掛漿后預制體試樣采用了三段式燒結工藝進行燒結，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)燒結溫度保持在3℃/min，到達1550℃的最高燒結溫度后，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預處理，再將上述原料在50℃熱水中混合，并攪拌5h。將燒結出的純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%，配置好漿料后重復上述步驟。得到ha/zro2梯度復合泡沫陶瓷人工椎體。

上述只的ha/zro2梯度復合泡沫陶瓷人工椎體的具體數(shù)據(jù)為平均孔隙率77.47%，平均抗壓強度10.25mpa，體外細胞毒性試驗（mtt）（—）。

實施例2

1.1股骨干骨缺損動物模型

實驗采用雄性成年比格犬，體重7.3±1.2kg，根據(jù)犬股骨干骨缺損臨界值15mm，實驗中截去犬股骨中段15mm，建立股骨干缺損模型。手術方式：術前12h禁食，用3%的戊巴比妥鈉(1m1/kg)經(jīng)靜脈麻醉，麻醉完畢，行氣管插管，手術過程持續(xù)吸氧。手術區(qū)皮膚脫毛、清潔、消毒、鋪巾，取右下肢股外側正中切口約8cm，逐層切開皮膚、皮下組織，電凝止血，顯露大腿肌肉，從肌肉間筋膜間隙行鈍性分離，暴露股骨，測量長度后，截去股骨中段15mm(全層包括骨膜)制成骨缺損模型，行有限接觸鋼板內(nèi)固定，c-臂形x線機下透視見螺釘長度合適，鋼板固定穩(wěn)妥，用生理鹽水反復沖洗，確認無器械紗布等殘留后逐層縫合關閉切口。術后青霉素鈉160萬u肌注，每日一次，持續(xù)3d，以預防感染，常規(guī)飼養(yǎng)。

1.2micro-ct數(shù)據(jù)采集

將犬股骨干骨缺損模型放入動物專用microct，進行容積掃描，ct掃描核定電壓90kv，電流278ua，掃面層厚34.92um。所有圖像經(jīng)數(shù)字接口傳至圖形工作站，以dicom數(shù)據(jù)格式輸出。

1.3micro-ct數(shù)據(jù)轉化及后期處理

將microct已輸出的dicom數(shù)據(jù)通過magics軟件進行轉化，具體操作如下：將比格犬股骨干中段ct醫(yī)學圖像源三維數(shù)據(jù)按原始尺寸導入magics軟件，設置圖片坐標，使用剖面線工具測量出該部位的密度分布，使用區(qū)域增長命令閾值（threshholding），對其所在密度范圍進行選取，過濾出骨骼組織。生成的股骨橫切面有時會形成空洞，空洞的產(chǎn)生是由于醫(yī)學圖像本身閾值的差別造成的，因此要通過調(diào)節(jié)閾值范圍或者編輯蒙板工具進行編輯，這樣處理不影響后續(xù)計算。經(jīng)過修補后，選取適當精度，對股骨干所在灰度值進行三維重建，導出三維打印所用的stl文件。

根據(jù)所需復合材料的孔隙率要求，對stl格式文件進行進一步地處理。調(diào)取圖像，取犬股骨干中段平均直徑，包括外圈直徑14mm，內(nèi)圈直徑8mm。拉伸中空圓柱，長度設計為15cm，沿長度方向陣列，作樣條曲線，再畫一個球切除實體，沿旋轉陣列，用半球實體切割上平面，采用填充陣列。圓柱切割貫通整個實體，圓柱相交為90°，再延長度進行陣列。保存修改結果，導出stl文件。

1.4光固化成型打印zro2陶瓷

將犬股骨干ct掃描數(shù)據(jù)轉化為stl文件并進一步加工處理后，導入至cerafab7500光固化三維打印機中。設置平面分辨率為40μm（635dpi），像素（x,y）1920*1080，工作臺大?。▁,y,z）76mm*43mm*150mm，層厚25μm，曝光時間為1s，開始打印層厚參數(shù)設置為10μm。配制納米級zro2泥漿，加入光敏樹脂，使zro2與樹脂質(zhì)量比為15%，導入料桶。根據(jù)設定參數(shù)啟動打印程序，通過led紫外光源使樹脂引起聚合反應，材料逐層固化成型，形成復合光敏樹脂初胚。初胚形成后，對其進一步脫脂燒結處理，此過程中脫脂與燒結同時進行。具體步驟如下：（1）烘干及揮發(fā)階段：從25℃至75℃，升溫時間4h，升溫速度為0.208k/min，保溫時間6h，使多余水分蒸發(fā)。進而繼續(xù)上升溫度直至500℃，其中上升到額定溫度時其升溫時間、升溫速度及保溫時間均有差異。（2）脫脂及高溫燒結階段：從500℃至1250℃時,控制升溫時間7.5h，速度為1.677k/min，溫度至1250℃后無需保溫，繼續(xù)上升溫度至1450℃，控制升溫速度在3.333k/min，耗時1h，保溫2h。（3）冷卻階段：達到1450℃的最高燒結溫度后，再保溫2h，之后以-0.660k/min進行冷卻，耗時36h至25℃。整個脫脂燒結過程共耗時120.5h。

1.5浸涂法制備ha/zro2梯度復合材料

采取浸涂法制備ha/zro2梯度復合材料。具體步驟如下：第一層漿料配比，31.1%納米級zro2粉末、13.3%納米級ha粉末，53%雙蒸水，1.4%磷酸乙酯，0.2%乙基纖維素。ha加熱至800℃后保溫2h，備用，雙蒸水加熱至50℃，將上述材料混合導入雙蒸水中，充分攪拌。將光固化成型的純zro2陶瓷浸入漿料中使其充分滲透，取出，甩去多余漿料。100℃電爐中烘干2h，再加熱到900℃，保溫5h，最后加熱到1250℃，保溫1h。第二層漿料配比，3.9%納米級zro2粉末，35.5%納米級ha粉末，58%雙蒸水，磷酸乙酯與乙基纖維素配比不變，重復上述步驟。冷卻后得到ha/zro2梯度復合材料。