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用的制作方法
技術領域：
本發明包括一種骨組織工程生物支架材料及其制備方法和應用，尤其涉及一種生物陶瓷支架及其制備方法和應用。
背景技術：
組織工程是應用細胞生物學、生物材料和工程學的原理，研究開發用于修復或改善人體病損組織或器官的結構、功能的生物活性替代物的交叉學科。其研究主要包括三個方面種子細胞、生物材料支架和生長信號。生物支架材料是組織工程的關鍵因素，因而開發構建理想的細胞外支架材料是現階段組織工程的研究重點和熱點之一。骨組織工程是組織工程的一個分支。骨組織工程是指將分離的成骨細胞、骨髓基質干細胞或軟骨細胞，經體外擴增培養后種植于具有良好生物相容性的支架材料上；細胞在預制形態的三維支架上生長增殖后，將這種細胞-材料復合體植入骨缺損部位，在生物材料逐步降解的同時，種植的骨細胞不斷增殖，逐步形成骨組織并發揮相應的功能作用，從而達到修復骨組織缺損的目的。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建提供細胞生長的三維支架，使細胞形成適宜的空間 分布和細胞間的信號傳導與相互作用；提供特殊的生長和分化信號，維持細胞的定向分化，是組織工程研究及其臨床應用的關鍵。理想的組織工程支架材料應具有以下特點(1)無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物均不會引起機體的免疫排斥反應；(2)具有高孔隙率的結構來支持和誘導細胞的貼附、增殖以及細胞外基質的產生；(3)具有生物可降解性，且降解速率可控；(4)適宜的可塑性和機械強度，以維持支架材料微環境的穩定。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，具有來源豐富，制作簡便，組織相容性良好以及具有一定的生物降解性的優點。其二是人工合成材料，如鈣磷陶瓷、生物活性玻璃等。其三為復合材料，如無機高分子復合材料、金屬高分子復合材料等。生物陶瓷以其良好的生物相容性以及骨誘導性，同時兼具良好的機械性能和可塑性，能夠滿足骨組織工程對支架材料成形、力學性能和骨誘導性等方面的要求，在骨組織工程中受到了較大的關注和應用。盡管目前已對多種生物支架材料進行了不少研究，但生物支架材料存在的種種技術難題如細胞貼附性、機械強度等依然沒有臨到很好的解決。尤其在骨組織工程中，支架材料的機械強度往往成為制約其應用的關鍵因素。目前多孔生物陶瓷支架普遍缺乏足夠的強度，羥基磷灰石多孔生物陶瓷支架的抗壓強度一般不超過lOMPa，磷酸三鈣多孔支架的抗壓強度一般不超過15MPa，也只能勉強達到松質骨的強度要求。β -硅酸二鈣與活性玻璃同屬CaO-SiO2體系，被認為具有生物活性。已有研究表明成骨細胞能夠在硅酸二鈣涂層表面正常貼附生長，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解決上述難題并將其用于骨組織工程。

發明內容
本發明擬解決的技術問題是克服現有骨組織工程支架材料的不足，提供一種機械強度高、開孔率高、對生物體無毒性、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用。為實現上述目標，本發明提出的技術方案為一種￠-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)前驅體模板處理根據產品所需的形狀和尺寸，用有機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源按適當的比例配比，同時添加適量水和穩定劑進行球磨，球磨后的粉料烘干過篩備用。(3)浸潰掛漿稱取步驟(2)所制備粉料，按比例加入粘結劑和蒸餾水攪拌均勻，配成漿料。將步驟(I)制備的海綿前驅體置于漿料中反復擠壓浸潰，并擠壓出海綿前驅體中多余漿料。(4)干燥將步驟(3)中得到的樣品進行鼓風干燥。(5)燒成干燥后的樣品放入燒結爐中高溫燒結，并于燒成溫度下保溫。(6)冷卻保溫結束立即將樣品從爐中取出冷卻。為了更好的解決上述技術問題，所述前驅體模板優選為聚氨脂海綿。所述Ca源和Si源的優選的摩爾比為1:1至3:1，特別優選為摩爾比2:1的比例。所用穩定劑優選為磷酸鈣鹽，其優選用量為碳酸鈣和二氧化硅混合粉料質量的
0.5% 3%。所述Ca源優選為CaC03、CaO或Ca (HCO3)2，所述Si源優選為Si02、白炭黑或者氣溶硅。所述粘結劑優選為羧甲基纖維素鈉(CMC)，其用量優選為球磨所得粉料質量的
2% 4%。 所配漿料中的含水率優選為30% 70%。所述燒結爐優選為硅鑰爐。所述鼓風干燥的溫度優選控制在8(Tl2(TC，干燥時間優選為9-15小時。所述燒成制度優選為分段進行，不同溫度段的升溫速度不同，燒成溫度優選控制在1200°C 1400°C，并優選于燒成溫度下保溫2 4小時。所述保溫結束后，優選將樣品立即由爐中取出并急冷。本發明還提供一種 根據前述方法制備的￠-硅酸二鈣生物陶瓷支架。作為一個完整的技術構思，本發明提供一種上述的￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架在骨組織工程中的應用，即可將種有成骨細胞的3 -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架植入體內以修復或替代體內缺損或壞死的骨組織。與現有技術相比，本發明的優點在于(I)本發明所制備的P -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的抗壓強度為18 30MPa，達到甚至超過了人體內松質骨的機械強度，可用于修復松質骨損傷。(2)本發明采用模板法制備工藝，具有可塑性強、產品形狀和尺寸可控的特點。
(3)通過工藝控制，本發明制備的3 -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架內部和表面均為連通孔結構，大大提高了支架中的物質交換速率和效率，為細胞的增殖和組織的修復再生提供了更為有效且真實的微環境，細胞可在支架里外良好的貼附生長并增殖。由此，本發明所闡述的β_硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架是一種極具應用前景的組織工程支架材料。


圖1為本發明實施例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為本發明實施例制得的β -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架種植細胞后的顯微照片；其中，A圖、B圖分別為細胞培養7天、11天后的顯微照片。圖3為本發明實施例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為本發明實施例2制備的β -硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架種植細胞后7天的顯微照片。
具體實施例方式實施例一一種如圖1所示的本發明的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聚氨酯泡沫作為前驅體經浸潰掛漿后燒結而成。如圖2所示的本發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)前驅體模板處理根據產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，此后將模板浸入蒸餾水中浸泡清洗12小時，并取出烘干備用。(2)粉體的制備將CaCO3和SiO2摩爾比2:1配比，同時添加上述粉料質量O. 8%的磷酸三I丐(TCP)作為穩定劑。球磨采用行星球磨機球磨,球磨機轉速為600r/min,球磨時間為4. 5小時。球磨后的粉料立即取出烘干過100目篩備用。(3)浸潰掛漿稱取步驟(2)中的混合粉料，加入其質量分數2. 5%的羧甲基纖維素鈉(CMC)作為粘結劑。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)制備的海綿前驅體浸入漿料中反復擠壓浸潰，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。(5)燒成干燥后的樣品放入硅鑰爐中燒結即可得到硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架。燒成制度分段進行，不同溫度段的升溫速度不同且進行嚴格控制。燒成溫度為1250°C，在燒成溫度下保溫4小時。具體升溫制度如下表所示表1:升溫制度
權利要求
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)前驅體模板處理根據產品所需的形狀和尺寸，用有機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源按適當的比例配比，同時添加適量水和穩定劑進行球磨，球磨后的粉料烘干過篩備用。
(3)浸潰掛漿稱取步驟(2)所制備粉料，按比例加入粘結劑和蒸餾水攪拌均勻，配成漿料，將步驟(I)制備的海綿前驅體置于漿料中反復擠壓浸潰，并擠壓出海綿前驅體中多余漿料。
(4)干燥將步驟(3)中得到的樣品進行鼓風干燥。
(5)燒成干燥后的樣品放入燒結爐中高溫燒結，并于燒成溫度下保溫。
(6)冷卻保溫結束立即將樣品從爐中取出冷卻。
2.根據權利要求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體模板為聚氨脂海綿。
3.根據權利要求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，所用穩定劑為磷酸鈣鹽，其用量為碳酸鈣和二氧化硅混合粉料質量的0. 59^3%。
4.根據權利要求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劑為羧甲基纖維素鈉(CMC)，其用量為球磨所得粉料質量的29T4%。
5.根據權利要求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.根據權利要求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干燥的溫度控制在8(T12(TC，干燥時間為9-15小時。
7.根據權利要求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。
8.根據權利要求1所述的￠-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架的制備方法，其特征在于保溫結束后立即由爐中取出急冷。
9.一種根據權利要求1至8任何一項所述方法制備的3 -硅酸二鈣生物陶瓷支架。
10.一種根據權利要求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用，可應用于骨組織工程中硬骨組織的修復和替代。
全文摘要
本發明公開了一種β-硅酸二鈣多孔生物陶瓷支架及其制備方法和應用。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泡沫作為前驅體，泡沫前驅體經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、機械性能和生物相容性，可應用于骨組織工程中。
文檔編號A61L27/10GK103058707SQ201210528010
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者劉海蓉, 戴瑤, 劉斌斌, 周征, 夏磊磊 申請人:湖南大學