本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，具體涉及一種三維打印多孔白硅鈣石生物陶瓷支架及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

由創(chuàng)傷、腫瘤、先天性畸形、老齡化及事故等原因?qū)е碌墓侨睋p是威脅人體健康的主要原因。目前被視作臨床金標(biāo)準(zhǔn)的自體骨移植經(jīng)常受供體來源和二次創(chuàng)傷的限制，同種異體或異種骨修復(fù)材料存在病毒傳播及免疫排斥等風(fēng)險，因此具有良好的促進(jìn)骨再生特性的人工合成骨修復(fù)材料有著迫切的臨床需求和廣闊的發(fā)展前景。

目前在臨床中廣泛使用的合成骨修復(fù)材料為磷酸鹽類生物陶瓷，如羥基磷灰石和β-磷酸三鈣陶瓷，其顯著優(yōu)點在于組成與天然骨組織的無機組分類似，因此具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，但存在不能主動誘導(dǎo)骨再生及降解過慢等不足。近年來，鈣硅基生物活性材料由于在力學(xué)、降解性及生物學(xué)效應(yīng)方面表現(xiàn)出了顯著優(yōu)于傳統(tǒng)磷酸鹽陶瓷的獨特優(yōu)點，因此獲得了大量的關(guān)注和研究。白硅鈣石(bredigite，ca7mgsi4o16)作為一類具有代表性的硅酸鹽生物活性陶瓷，表現(xiàn)出了優(yōu)異的生物相容性、磷灰石礦化能力和生物活性。白硅鈣石生物陶瓷在模擬體液中浸泡后能在其表面形成一層羥基磷灰石礦化層，成骨細(xì)胞可在其表面進(jìn)行良好的貼附和鋪展(wuc,changj,wangj,etal.preparationandcharacteristicsofacalciummagnesiumsilicate(bredigite)bioactiveceramic.[j].biomaterials,2005,26(16):2925-2931.)，同時在降解過程中白硅鈣石陶瓷可釋放ca²⁺,mg²⁺,si⁴⁺等多種離子產(chǎn)物，ca²⁺和si⁴⁺能夠促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖和分化，mg²⁺也被證實可通過免疫調(diào)控過程對血管化和骨再生有顯著的促進(jìn)作用，是制備具有骨誘導(dǎo)功能再生修復(fù)材料的理想組成(wangm,yuy,daik,etal.improvedosteogenesisandangiogenesisofmagnesium-dopedcalciumphosphatecementviamacrophageimmunomodulation[j].biomaterialsscience,2016,4(11):1574-1583.)。

除在組成上含有可促進(jìn)成骨及成血管的營養(yǎng)元素外，理想的骨修復(fù)材料還需要具有良好的多孔結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的力學(xué)強度。傳統(tǒng)采用造孔劑法、發(fā)泡法及凍干法等制備得到的多孔骨修復(fù)支架材料存在孔徑連通性差、力學(xué)性能不足等問題，限制了其在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架及其制備方法和用途。該生物陶瓷支架通過三維打印成型可以獲得可控的多孔結(jié)構(gòu)，通過高溫?zé)Y(jié)可以獲得致密的微結(jié)構(gòu)與良好的力學(xué)性能，并具有良好的生物相容性、成骨以及成血管活性。

本發(fā)明的第一方面是提供一種生物陶瓷支架。

本發(fā)明所提供的生物陶瓷支架，是利用三維打印技術(shù)制備的白硅鈣石生物陶瓷支架，即三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架。

所述三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架，具有可控的孔結(jié)構(gòu)，孔徑為100～500μm，孔隙率為20％～80％。

所述三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架，由白硅鈣石和燒結(jié)助劑組成，其中白硅鈣石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80～99％。

所述燒結(jié)助劑具體可為生物玻璃。

本發(fā)明的第二方面是提供上述三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的制備方法，包括以下步驟：

(1)將白硅鈣石粉末、燒結(jié)助劑與粘結(jié)劑水溶液混合，得到三維打印漿料；

(2)以所述三維打印漿料為原料利用三維打印技術(shù)制備白硅鈣石生物陶瓷支架坯體；

(3)將所述白硅鈣石生物陶瓷支架坯體進(jìn)行燒結(jié)，得到所述生物陶瓷支架。

上述方法步驟(1)中，所述白硅鈣石粉末由溶膠凝膠法或沉淀法合成。

上述方法步驟(1)中，所述燒結(jié)助劑具體可為生物玻璃。

上述方法步驟(1)中，燒結(jié)助劑與白硅鈣石粉末的質(zhì)量比為：0.01～0.2:1。

上述方法步驟(1)中，所述粘結(jié)劑可選自：f127、p123、聚乙烯醇、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉、羧甲基淀粉、羧甲基殼聚糖、膠原蛋白、透明質(zhì)酸鈉、明膠以及它們的混合物。

上述方法步驟(1)中，所述三維打印漿料中粘結(jié)劑水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30～50％，所述粘結(jié)劑水溶液中粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～30％。

上述方法步驟(3)中，所述燒結(jié)的溫度可為1150～1450℃，具體可為1300℃、1350℃，燒結(jié)的時間為2～15小時，具體可為3小時、4小時、5小時。

上述三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架在各種類型骨缺損再生修復(fù)材料中的應(yīng)用也屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)支架材料的孔徑連通性好，孔隙率高，且可方便地通過三維打印設(shè)備的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2)支架材料經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)成型，微結(jié)構(gòu)致密，無粘結(jié)劑殘留。

(3)生物陶瓷支架的主相為白硅鈣石，生物相容性好，生物活性高，具有誘導(dǎo)成骨活性以及成血管活性。

(4)力學(xué)性能顯著優(yōu)于同結(jié)構(gòu)的磷酸鹽陶瓷支架，同時降解性與骨再生同步。

本發(fā)明采用三維打印技術(shù)制備的生物陶瓷支架由于具有完全貫通的孔結(jié)構(gòu)，同時力學(xué)強度也顯著優(yōu)于模板法制備的支架材料，在體內(nèi)應(yīng)用時能夠促進(jìn)骨組織長入以及營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸，有利于促進(jìn)早期成骨，提升骨再生效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1制備的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的外觀照片(a、b)，實施例2制備的結(jié)構(gòu)精細(xì)的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的外觀照片(c、d)和實施例3制備得到的圓片形三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的外觀照片(e、f)。

圖2為本發(fā)明實施例1制備的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的微觀照片(a)和sem照片(b)。

圖3為本發(fā)明實施例1制備的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的xrd分析結(jié)果。

圖4為本發(fā)明實施例3制備的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架與三維打印β-tcp陶瓷支架的抗壓強度測試結(jié)果。

圖5為在兔子橈骨缺損處植入本發(fā)明實施例4制備的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架與三維打印β-tcp陶瓷支架12周后的micro-ct照片(a)和組織切片染照片(b)。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行說明，但本發(fā)明并不局限于此。

下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法；下述實施例中所用的試劑、材料等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。

實施例1、三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的制備

1.原料準(zhǔn)備：

(1)白硅鈣石粉體合成

以四水硝酸鈣、六水硝酸鎂及正硅酸乙酯為原料，硝酸作為催化劑，采用溶膠-凝膠法制備白硅鈣石(ca7mgsi4o16)粉體。

取112ml正硅酸乙酯與72ml水及40ml的2mol·l^-1硝酸(取69.4ml市售65～68％濃硝酸與適量水?dāng)嚢杌旌虾蠖ㄈ葜?00ml，可得2mol·l-1硝酸)混合，攪拌水解0.5h。依次加入206.6g四水硝酸鈣和64.1g硝酸鎂，攪拌5h。密封在60℃陳化24h后在120℃干燥48h得到干凝膠。干凝膠球磨后在1150℃溫度下煅燒3h，自然冷卻后球磨并過200目篩，得到白硅鈣石粉體。

(2)粘結(jié)劑水溶液的準(zhǔn)備

粘結(jié)劑選擇f127和海藻酸鈉。稱量20g購買的f127固體粉末和10g海藻酸鈉放入玻璃瓶，加入100ml去離子水，蓋封，放入-20℃環(huán)境30min，取出磁力攪拌30min，得到粘結(jié)劑水溶液。

(3)燒結(jié)助劑的準(zhǔn)備

燒結(jié)助劑選擇購買的45s5生物活性玻璃粉體。

(4)三維打印設(shè)備的準(zhǔn)備

三維打印機使用德國gesim公司成產(chǎn)的nano-plotter^tm2.1，送料氣壓3.0～5.5個大氣壓，打印速度6mm/s，打印針頭內(nèi)徑0.9mm。

2.三維打印制備白硅鈣石生物陶瓷支架：

(1)稱取4.5g白硅鈣石粉末、0.5g生物玻璃粉體、2.5g粘結(jié)劑水溶液充分調(diào)和混勻，制備三維打印漿料；

(2)打印漿料放入料筒，安裝好針頭，裝入三維打印機，按照預(yù)先設(shè)定的程序(層高0.8mm，股間距1.45mm)制備白硅鈣石生物陶瓷支架坯體；

(3)將白硅鈣石生物陶瓷支架坯體以2℃/min的升溫速率升至1300℃，保溫3h后自然冷卻，即可得到三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架(圖1a,b)。由圖2可以看出支架具有大孔結(jié)構(gòu)，孔徑約0.4mm，阿基米德法測得孔隙率為44.6％。

實施例2、結(jié)構(gòu)精細(xì)的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的制備

1.原料準(zhǔn)備：

(1)白硅鈣石粉體合成，原料和方法與實施例1相同。

(2)粘結(jié)劑水溶液的準(zhǔn)備，原料和方法與實施例1相同。

(3)燒結(jié)助劑的準(zhǔn)備

燒結(jié)助劑選擇購買的45s5生物活性玻璃粉體。

(4)三維打印設(shè)備的準(zhǔn)備

三維打印機使用德國gesim公司成產(chǎn)的nano-plotter^tm2.1，送料氣壓2.0～3.0個大氣壓，打印速度6.5mm/s，打印針頭內(nèi)徑0.41mm。

2.三維打印制備白硅鈣石生物陶瓷支架：

(1)稱取4.3g白硅鈣石粉末、0.7g生物玻璃粉體、2.8g粘結(jié)劑水溶液充分調(diào)和混勻，制備三維打印漿料；；

(2)打印漿料裝入料筒，開啟3d打印機，按照預(yù)先設(shè)定的程序(層高0.36mm，股間距1.2mm)制備白硅鈣石生物陶瓷支架坯體；

(3)將白硅鈣石生物陶瓷支架坯體以3℃/min的升溫速率升至1350℃，保溫5h后自然冷卻，即可得到三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架。

圖1(c)和(d)為制備得到結(jié)構(gòu)精細(xì)的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的外觀照片。

實施例3、圓片形三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的制備

1.原料準(zhǔn)備：

(1)白硅鈣石粉體合成，原料和方法與實施例1相同。

(2)粘結(jié)劑水溶液的準(zhǔn)備

粘結(jié)劑選擇聚乙烯醇(聚合度：1750±50)。稱量6g購買的聚乙烯醇加入100ml沸水中，攪拌至溶解，得到粘結(jié)劑水溶液。

(3)燒結(jié)助劑的準(zhǔn)備

燒結(jié)助劑選擇購買的45s5生物活性玻璃粉體。

(4)三維打印設(shè)備的準(zhǔn)備

三維打印機使用德國gesim公司成產(chǎn)的nano-plottertm2.1，送料氣壓2.5～3.5個大氣壓，打印速度6.0mm/s，打印針頭內(nèi)徑0.41mm。

2.三維打印制備白硅鈣石生物陶瓷支架：

(1)稱取6.2g白硅鈣石粉末、0.3g生物玻璃粉體、3.5g粘結(jié)劑水溶液充分調(diào)和混勻，制備三維打印漿料；

(2)打印漿料裝入料筒，開啟3d打印機，按照預(yù)先設(shè)定的程序(層高0.36mm，股間距1.1mm)制備白硅鈣石生物陶瓷支架坯體；

(3)將白硅鈣石生物陶瓷支架坯體以2℃/min的升溫速率升至1300℃，保溫4h后自然冷卻，即可得到三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架(圖1e,f)。

實施例4、三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的抗壓強度

1.實驗組準(zhǔn)備：

以實施例1的方法制備出φ8mm×10mm的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架，作為實驗組。

2.對照組準(zhǔn)備：

制備φ8mm×10mm的三維打印β-tcp陶瓷支架作為對照組，粘結(jié)劑和打印方法與實施例1相同。

(1)稱取5gβ-磷酸三鈣粉末、2.75g粘結(jié)劑水溶液充分調(diào)和混勻，制備漿料；

(2)打印漿料放入料筒，安裝好針頭，裝入三維打印機，制備β-磷酸三鈣陶瓷支架坯體；

(3)將β-磷酸三鈣陶瓷支架坯體以2℃/min的升溫速率升至1100℃，保溫3h后自然冷卻，即可得到三維打印β-磷酸三鈣陶瓷支架。

3.力學(xué)強度測試：

將白硅鈣石生物陶瓷支架，β-磷酸三鈣陶瓷支架各取9個，通過力學(xué)測試機(ag-i，shimadzu，japan)進(jìn)行測試，壓頭速度為0.5mm/min。

記錄測試所得抗壓強度并進(jìn)行對比，實驗結(jié)果見圖4。

實施例5、三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架的體內(nèi)成骨活性

為驗證本發(fā)明在體內(nèi)的成骨活性，對制備的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架進(jìn)行動物實驗驗證。

本實驗選擇的動物模型為健康的新西蘭大白兔橈骨間斷缺損模型。以實施例1的方法制備出的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架，作為實驗組植入體；以的三維打印β-磷酸三鈣陶瓷支架，作為對照組植入體；植入前均進(jìn)行高溫蒸汽滅菌處理。

實驗中，選用12只體重在2-2.5kg的雄性新西蘭大白兔，隨機分配成2組。在無菌狀態(tài)下，肌肉注射5％的戊巴比妥使之麻醉；然后在左腿橈骨處劃開2-2.5cm的矢狀切口，在橈骨中間將1cm長的骨連同表面骨膜一起截取；植入三維打印陶瓷支架，經(jīng)過0.9％無菌生理鹽水沖洗后，將肌肉和皮膚分別復(fù)位、縫合。手術(shù)后正常飼養(yǎng)，注射抗生素3天。

術(shù)后12周處死動物取種植體，將標(biāo)本在福爾馬林磷酸鹽緩沖液中固定24-48h。

樣品通過micro-ct(μct-100,scancomedicalag,switzerland)掃描后，采用gehcmicroview軟件(gehealthcarebiosciences,chalfontst.giles,uk)進(jìn)行三維成像處理并獲得3維圖像來顯示整體形態(tài)學(xué)。

此外，樣本經(jīng)梯度乙醇(70％、80％、90％、100％)逐級脫水后放入聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)進(jìn)行包埋，然后使用硬組織切片機(sp1600；leica,wetzlar,germany)縱向切片，切片經(jīng)打磨、拋光處理后進(jìn)行vangieson(苦味酸品紅)染色。切片在顯微鏡下進(jìn)行觀察和拍照，照片中，成熟骨組織呈鮮紅色。

micro-ct圖片顯示出兩組支架種植在兔子橈骨缺損12周后周圍新骨形成的形態(tài)，實驗組比對照組有更好的骨再生效果：缺損處的重新連接程度更高、再生形態(tài)更規(guī)則。vangieson染色結(jié)果顯示兩組支架材料周圍都有新骨形成，且實驗組比對照組有更多的新骨生成量(圖5)。

結(jié)論：本發(fā)明的三維打印白硅鈣石生物陶瓷支架具有良好的組織相容性和體內(nèi)成骨能力和骨修復(fù)效果，可在骨組織工程用于硬骨組織缺損的修復(fù)和再生。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限制。對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或改進(jìn)，凡是在本發(fā)明的精神和原則的前提下所作的任何變化和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。