本發明涉及生物陶瓷支架材料的制備方法。

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能否有正常的新生骨組織長入。其主要體現在：1、骨移植處是否產生足量的新生骨；2、在移植骨與正常骨組織連接處是否產生牢固的結合。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并使之融為一體。這也意味著移植骨在患者體內存在著耗損、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、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898.67 MPa，最高可達1112.4MPa，KⅠC可達7.3-11.4 MPa.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節其強度，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。

技術實現要素：

本發明針對上述問題，本發明的目的提供一種基于干鋪-燒結技術制備的骨修復生物陶瓷支架材料的制備方法，該方法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，不會產生明顯的異物反應，生物相容性好。

為了實現上述的目的，本發明采用了以下的技術方案：

一種基于干鋪-燒結技術制備的骨修復生物陶瓷支架材料的制備方法，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，使水分質量分數降至1%以下；以后每次掛漿ZrO₂粉體的質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）上述掛漿后預制體試樣采用了三段式燒結工藝進行燒結，燒結的步驟如下：

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：后持續燒結溫度保持在2~4℃/min，到達1500~1600℃的最高燒結溫度后，再保溫2~4h并隨爐冷卻，得到ZrO₂多孔生物骨修復支架；

4）采取兩步法浸涂法涂覆梯度HA涂層；

4.1）第一次浸涂漿料，納米級HA粉末占漿料質量的百分比為10~15%，納米級ZrO₂粉末占漿料質量的百分比為25~35%，將燒結出的ZrO₂多孔生物骨修復支架浸入漿料，等完全浸透后取出，甩去多余漿料；90~110℃烘干4~6h，再加熱到800~1000℃保溫4~6h，最后加熱到1200~1300℃保持0.8~1.5；

4.2）第二次浸涂漿料，納米級HA粉末占漿料質量的百分比為30~40%，納米級ZrO₂粉末占漿料質量的百分比為2~5%，將被步驟4.1）燒結出的ZrO₂多孔生物骨修復支架浸入漿料，等完全浸透后取出，甩去多余漿料；90~110℃烘干4~6h，再加熱到800~1000℃保溫4~6h，最后加熱到1200~1300℃保持0.8~1.5；冷卻得到骨修復生物陶瓷支架材料。

作為優選，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 3.0~4.0 h，用清水反復揉搓2~4遍，晾干；再以表面活性劑繼續對有機聚氨酯泡沫體材料進行表面處理，最后用5% PVA浸泡20~30h后干燥。

作為優選，步驟2）中第一次掛漿的漿料按質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。

作為優選，步驟2）中掛漿制漿前ZrO₂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。

作為優選，步驟2）中漿料的制備過程如下：對原料進行完全混合研磨后，采用粉球質量比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10 min，加入CMC 和消泡劑辛醇，ZrO₂粉體，再攪拌3 h，等待掛漿。

作為優選，步驟4.1）中第一層漿料按質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%。

作為再優選，步驟4.1）中第一層漿料按質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%。

作為優選，步驟4.2）中第二層漿料按質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%。

作為再優選，步驟4.2）中第二層漿料按質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%。

本發明的第二個目的是提供采用上述的方法制備得到的骨修復生物陶瓷支架材料。

本發明由于采用了上述的技術方案，先使用聚氨酯作為泡沫模型材料，進行預處理，是得到的模型材料空隙率，親水性和粘附性有所改善，符合實驗要求。再對ZrO₂粉體、漿料進行掛漿，使得到的ZrO₂粉料質量分數為54%，整體漿料固相率調整至54%。掛漿后預制體試樣采用了三段式燒結工藝進行燒結，得到HA/ZrO₂骨修復生物陶瓷支架材料。

HA/ZrO₂梯度復合材料本身具有一定表面粗糙度（1.95μm），而本實驗將其制成蜂窩狀泡沫陶瓷后平均空隙率達72.99%，這使材料與新生骨的接觸表面積明顯增加，可使材料與自體骨間形成牢固的骨性結合。另外，HA/ZrO₂梯度復合材料在制備成蜂窩狀泡沫陶瓷之后同樣具有足夠的力學強度，可以滿足術后的即時穩定性。

本發明針對現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，不會產生明顯的異物反應，生物相容性好，本發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。

附圖說明

圖1為本發明具體實施方式泡沫陶瓷人工椎體尺寸圖。

圖2為本發明具體實施方式泡沫陶瓷人工椎體超景深圖片。

圖3為本發明具體實施方式術后12周椎體標本及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明進行詳細的說明。

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絡間膜，而間膜的存在使漿料很難進入泡沫體模型內部，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 3.5 h，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。

1.2 ZrO₂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的質量分數為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。將掛漿過程中有機泡沫內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，使水分質量分數降至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粉料的質量分數降至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粉料質量分數為54%，整體漿料固相率調整至54%。

1.3 ZrO₂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殘余的水分揮發。（2）揮發階段：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據為平均孔隙率77.47%，平均抗壓強度10.25 MPa，體外細胞毒性試驗（MTT）（—）。