β-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法和应用的制作方法
专利名称：β-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明包括一种骨组织工程生物支架材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种生物陶瓷支架及其制备方法和应用。
背景技术：
组织工程是应用细胞生物学、生物材料和工程学的原理，研究开发用于修复或改善人体病损组织或器官的结构、功能的生物活性替代物的交叉学科。其研究主要包括三个方面种子细胞、生物材料支架和生长信号。生物支架材料是组织工程的关键因素，因而开发构建理想的细胞外支架材料是现阶段组织工程的研究重点和热点之一。骨组织工程是组织工程的一个分支。骨组织工程是指将分离的成骨细胞、骨髓基质干细胞或软骨细胞，经体外扩增培养后种植于具有良好生物相容性的支架材料上；细胞在预制形态的三维支架上生长增殖后，将这种细胞-材料复合体植入骨缺损部位，在生物材料逐步降解的同时，种植的骨细胞不断增殖，逐步形成骨组织并发挥相应的功能作用，从而达到修复骨组织缺损的目的。支架材料在组织工程研究中的作用为为组织或器官体外构建提供细胞生长的三维支架，使细胞形成适宜的空间 分布和细胞间的信号传导与相互作用；提供特殊的生长和分化信号，维持细胞的定向分化，是组织工程研究及其临床应用的关键。理想的组织工程支架材料应具有以下特点(1)无毒性且具有良好的生物组织相容性，支架材料本体及其降解产物均不会引起机体的免疫排斥反应；(2)具有高孔隙率的结构来支持和诱导细胞的贴附、增殖以及细胞外基质的产生；(3)具有生物可降解性，且降解速率可控；(4)适宜的可塑性和机械强度，以维持支架材料微环境的稳定。目前骨组织工程支架材料主要有三类其一是天然生物衍生材料，具有来源丰富，制作简便，组织相容性良好以及具有一定的生物降解性的优点。其二是人工合成材料，如钙磷陶瓷、生物活性玻璃等。其三为复合材料，如无机高分子复合材料、金属高分子复合材料等。生物陶瓷以其良好的生物相容性以及骨诱导性，同时兼具良好的机械性能和可塑性，能够满足骨组织工程对支架材料成形、力学性能和骨诱导性等方面的要求，在骨组织工程中受到了较大的关注和应用。尽管目前已对多种生物支架材料进行了不少研究，但生物支架材料存在的种种技术难题如细胞贴附性、机械强度等依然没有临到很好的解决。尤其在骨组织工程中，支架材料的机械强度往往成为制约其应用的关键因素。目前多孔生物陶瓷支架普遍缺乏足够的强度，羟基磷灰石多孔生物陶瓷支架的抗压强度一般不超过lOMPa，磷酸三钙多孔支架的抗压强度一般不超过15MPa，也只能勉强达到松质骨的强度要求。β -硅酸二钙与活性玻璃同属CaO-SiO2体系，被认为具有生物活性。已有研究表明成骨细胞能够在硅酸二钙涂层表面正常贴附生长，并增殖分化，表明硅酸二钙涂层具有良好的生物相容性，因而拟用β-硅酸二钙生物陶瓷支架来解决上述难题并将其用于骨组织工程。
发明内容
本发明拟解决的技术问题是克服现有骨组织工程支架材料的不足，提供一种机械强度高、开孔率高、对生物体无毒性、生物相容性良好的3 -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架，并相应地提供了一种该3-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法和应用。为实现上述目标，本发明提出的技术方案为一种￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架，所述3-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架按如下的方法制备而成。具体包括以下步骤(I)前驱体模板处理根据产品所需的形状和尺寸，用有机泡沫加工处理得到多孔支架模板。(2)陶瓷原料制备将Ca源和Si源按适当的比例配比，同时添加适量水和稳定剂进行球磨，球磨后的粉料烘干过筛备用。(3)浸溃挂浆称取步骤(2)所制备粉料，按比例加入粘结剂和蒸馏水搅拌均匀，配成浆料。将步骤(I)制备的海绵前驱体置于浆料中反复挤压浸溃，并挤压出海绵前驱体中多余浆料。(4)干燥将步骤(3)中得到的样品进行鼓风干燥。(5)烧成干燥后的样品放入烧结炉中高温烧结，并于烧成温度下保温。(6)冷却保温结束立即将样品从炉中取出冷却。为了更好的解决上述技术问题，所述前驱体模板优选为聚氨脂海绵。所述Ca源和Si源的优选的摩尔比为1:1至3:1，特别优选为摩尔比2:1的比例。所用稳定剂优选为磷酸钙盐，其优选用量为碳酸钙和二氧化硅混合粉料质量的
0.5% 3%。所述Ca源优选为CaC03、CaO或Ca (HCO3)2，所述Si源优选为Si02、白炭黑或者气溶硅。所述粘结剂优选为羧甲基纤维素钠(CMC)，其用量优选为球磨所得粉料质量的
2% 4%。 所配浆料中的含水率优选为30% 70%。所述烧结炉优选为硅钥炉。所述鼓风干燥的温度优选控制在8(Tl2(TC，干燥时间优选为9-15小时。所述烧成制度优选为分段进行，不同温度段的升温速度不同，烧成温度优选控制在1200°C 1400°C，并优选于烧成温度下保温2 4小时。所述保温结束后，优选将样品立即由炉中取出并急冷。本发明还提供一种 根据前述方法制备的￠-硅酸二钙生物陶瓷支架。作为一个完整的技术构思，本发明提供一种上述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架在骨组织工程中的应用，即可将种有成骨细胞的3 -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架植入体内以修复或替代体内缺损或坏死的骨组织。与现有技术相比，本发明的优点在于(I)本发明所制备的P -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的抗压强度为18 30MPa，达到甚至超过了人体内松质骨的机械强度，可用于修复松质骨损伤。(2)本发明采用模板法制备工艺，具有可塑性强、产品形状和尺寸可控的特点。
(3)通过工艺控制，本发明制备的3 -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架内部和表面均为连通孔结构，大大提高了支架中的物质交换速率和效率，为细胞的增殖和组织的修复再生提供了更为有效且真实的微环境，细胞可在支架里外良好的贴附生长并增殖。由此，本发明所阐述的β_硅酸二钙多孔生物陶瓷支架是一种极具应用前景的组织工程支架材料。
图1为本发明实施例1制得的β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的微观形貌显微照片。图2为本发明实施例制得的β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架种植细胞后的显微照片；其中，A图、B图分别为细胞培养7天、11天后的显微照片。图3为本发明实施例2制得的β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的微观形貌显微照片。图4为本发明实施例2制备的β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架种植细胞后7天的显微照片。
具体实施例方式实施例一一种如图1所示的本发明的β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架，该β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架是以多孔有机聚氨酯泡沫作为前驱体经浸溃挂浆后烧结而成。如图2所示的本发明的硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，包括以下步骤(I)前驱体模板处理根据产品所需的形状和尺寸，将聚氨脂海绵加工得到直径约为19mm，厚约为IOmm的圆柱体多孔支架模板；再将该模板浸入10%的NaOH溶液中浸泡6小时，此后将模板浸入蒸馏水中浸泡清洗12小时，并取出烘干备用。(2)粉体的制备将CaCO3和SiO2摩尔比2:1配比，同时添加上述粉料质量O. 8%的磷酸三I丐(TCP)作为稳定剂。球磨采用行星球磨机球磨,球磨机转速为600r/min,球磨时间为4. 5小时。球磨后的粉料立即取出烘干过100目筛备用。(3)浸溃挂浆称取步骤(2)中的混合粉料，加入其质量分数2. 5%的羧甲基纤维素钠(CMC)作为粘结剂。搅拌混合均匀后，加入双重蒸馏水配成含水率为40%的浆料，搅拌均匀。将步骤(1)制备的海绵前驱体浸入浆料中反复挤压浸溃，浸溃完成后取出并挤去多余浆料。(4)干燥将步骤(3)中得到的样品放入烘箱中于90°C下干燥12小时。(5)烧成干燥后的样品放入硅钥炉中烧结即可得到硅酸二钙多孔生物陶瓷支架。烧成制度分段进行，不同温度段的升温速度不同且进行严格控制。烧成温度为1250°C，在烧成温度下保温4小时。具体升温制度如下表所示表1:升温制度
权利要求
1.一种3 -硅酸二钙生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)前驱体模板处理根据产品所需的形状和尺寸，用有机泡沫加工处理得到多孔支架模板。
(2)陶瓷原料制备将Ca源和Si源按适当的比例配比，同时添加适量水和稳定剂进行球磨，球磨后的粉料烘干过筛备用。
(3)浸溃挂浆称取步骤(2)所制备粉料，按比例加入粘结剂和蒸馏水搅拌均匀，配成浆料，将步骤(I)制备的海绵前驱体置于浆料中反复挤压浸溃，并挤压出海绵前驱体中多余浆料。
(4)干燥将步骤(3)中得到的样品进行鼓风干燥。
(5)烧成干燥后的样品放入烧结炉中高温烧结，并于烧成温度下保温。
(6)冷却保温结束立即将样品从炉中取出冷却。
2.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于所述前驱体模板为聚氨脂海绵。
3.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于Ca源和Si源的摩尔比为1:1至3:1，所用稳定剂为磷酸钙盐，其用量为碳酸钙和二氧化硅混合粉料质量的0. 59^3%。
4.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于所述粘结剂为羧甲基纤维素钠(CMC)，其用量为球磨所得粉料质量的29T4%。
5.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于所配浆料中的含水率为30% 70%。
6.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于样品的鼓风干燥的温度控制在8(T12(TC，干燥时间为9-15小时。
7.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于烧成制度分段进行，不同温度段的升温速度不同，烧成温度控制在1200°C 1400°C，并于烧成温度下保温2 4小时。
8.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于保温结束后立即由炉中取出急冷。
9.一种根据权利要求1至8任何一项所述方法制备的3 -硅酸二钙生物陶瓷支架。
10.一种根据权利要求9中所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架在组织工程中的应用，可应用于骨组织工程中硬骨组织的修复和替代。
全文摘要
本发明公开了一种β-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法和应用。该β-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架制备方法为采用多孔有机泡沫作为前驱体，泡沫前驱体经处理后加入陶瓷浆料中浸渍挂浆，去除多余陶瓷浆料后烘干、烧成制得β-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架。该生物陶瓷支架具有良好的通孔性、机械性能和生物相容性，可应用于骨组织工程中。
文档编号A61L27/10GK103058707SQ201210528010
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者刘海蓉, 戴瑶, 刘斌斌, 周征, 夏磊磊 申请人:湖南大学
技术领域：
本发明包括一种骨组织工程生物支架材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种生物陶瓷支架及其制备方法和应用。
背景技术：
组织工程是应用细胞生物学、生物材料和工程学的原理，研究开发用于修复或改善人体病损组织或器官的结构、功能的生物活性替代物的交叉学科。其研究主要包括三个方面种子细胞、生物材料支架和生长信号。生物支架材料是组织工程的关键因素，因而开发构建理想的细胞外支架材料是现阶段组织工程的研究重点和热点之一。骨组织工程是组织工程的一个分支。骨组织工程是指将分离的成骨细胞、骨髓基质干细胞或软骨细胞，经体外扩增培养后种植于具有良好生物相容性的支架材料上；细胞在预制形态的三维支架上生长增殖后，将这种细胞-材料复合体植入骨缺损部位，在生物材料逐步降解的同时，种植的骨细胞不断增殖，逐步形成骨组织并发挥相应的功能作用，从而达到修复骨组织缺损的目的。支架材料在组织工程研究中的作用为为组织或器官体外构建提供细胞生长的三维支架，使细胞形成适宜的空间 分布和细胞间的信号传导与相互作用；提供特殊的生长和分化信号，维持细胞的定向分化，是组织工程研究及其临床应用的关键。理想的组织工程支架材料应具有以下特点(1)无毒性且具有良好的生物组织相容性，支架材料本体及其降解产物均不会引起机体的免疫排斥反应；(2)具有高孔隙率的结构来支持和诱导细胞的贴附、增殖以及细胞外基质的产生；(3)具有生物可降解性，且降解速率可控；(4)适宜的可塑性和机械强度，以维持支架材料微环境的稳定。目前骨组织工程支架材料主要有三类其一是天然生物衍生材料，具有来源丰富，制作简便，组织相容性良好以及具有一定的生物降解性的优点。其二是人工合成材料，如钙磷陶瓷、生物活性玻璃等。其三为复合材料，如无机高分子复合材料、金属高分子复合材料等。生物陶瓷以其良好的生物相容性以及骨诱导性，同时兼具良好的机械性能和可塑性，能够满足骨组织工程对支架材料成形、力学性能和骨诱导性等方面的要求，在骨组织工程中受到了较大的关注和应用。尽管目前已对多种生物支架材料进行了不少研究，但生物支架材料存在的种种技术难题如细胞贴附性、机械强度等依然没有临到很好的解决。尤其在骨组织工程中，支架材料的机械强度往往成为制约其应用的关键因素。目前多孔生物陶瓷支架普遍缺乏足够的强度，羟基磷灰石多孔生物陶瓷支架的抗压强度一般不超过lOMPa，磷酸三钙多孔支架的抗压强度一般不超过15MPa，也只能勉强达到松质骨的强度要求。β -硅酸二钙与活性玻璃同属CaO-SiO2体系，被认为具有生物活性。已有研究表明成骨细胞能够在硅酸二钙涂层表面正常贴附生长，并增殖分化，表明硅酸二钙涂层具有良好的生物相容性，因而拟用β-硅酸二钙生物陶瓷支架来解决上述难题并将其用于骨组织工程。
发明内容
本发明拟解决的技术问题是克服现有骨组织工程支架材料的不足，提供一种机械强度高、开孔率高、对生物体无毒性、生物相容性良好的3 -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架，并相应地提供了一种该3-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法和应用。为实现上述目标，本发明提出的技术方案为一种￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架，所述3-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架按如下的方法制备而成。具体包括以下步骤(I)前驱体模板处理根据产品所需的形状和尺寸，用有机泡沫加工处理得到多孔支架模板。(2)陶瓷原料制备将Ca源和Si源按适当的比例配比，同时添加适量水和稳定剂进行球磨，球磨后的粉料烘干过筛备用。(3)浸溃挂浆称取步骤(2)所制备粉料，按比例加入粘结剂和蒸馏水搅拌均匀，配成浆料。将步骤(I)制备的海绵前驱体置于浆料中反复挤压浸溃，并挤压出海绵前驱体中多余浆料。(4)干燥将步骤(3)中得到的样品进行鼓风干燥。(5)烧成干燥后的样品放入烧结炉中高温烧结，并于烧成温度下保温。(6)冷却保温结束立即将样品从炉中取出冷却。为了更好的解决上述技术问题，所述前驱体模板优选为聚氨脂海绵。所述Ca源和Si源的优选的摩尔比为1:1至3:1，特别优选为摩尔比2:1的比例。所用稳定剂优选为磷酸钙盐，其优选用量为碳酸钙和二氧化硅混合粉料质量的
0.5% 3%。所述Ca源优选为CaC03、CaO或Ca (HCO3)2，所述Si源优选为Si02、白炭黑或者气溶硅。所述粘结剂优选为羧甲基纤维素钠(CMC)，其用量优选为球磨所得粉料质量的
2% 4%。 所配浆料中的含水率优选为30% 70%。所述烧结炉优选为硅钥炉。所述鼓风干燥的温度优选控制在8(Tl2(TC，干燥时间优选为9-15小时。所述烧成制度优选为分段进行，不同温度段的升温速度不同，烧成温度优选控制在1200°C 1400°C，并优选于烧成温度下保温2 4小时。所述保温结束后，优选将样品立即由炉中取出并急冷。本发明还提供一种 根据前述方法制备的￠-硅酸二钙生物陶瓷支架。作为一个完整的技术构思，本发明提供一种上述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架在骨组织工程中的应用，即可将种有成骨细胞的3 -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架植入体内以修复或替代体内缺损或坏死的骨组织。与现有技术相比，本发明的优点在于(I)本发明所制备的P -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的抗压强度为18 30MPa，达到甚至超过了人体内松质骨的机械强度，可用于修复松质骨损伤。(2)本发明采用模板法制备工艺，具有可塑性强、产品形状和尺寸可控的特点。
(3)通过工艺控制，本发明制备的3 -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架内部和表面均为连通孔结构，大大提高了支架中的物质交换速率和效率，为细胞的增殖和组织的修复再生提供了更为有效且真实的微环境，细胞可在支架里外良好的贴附生长并增殖。由此，本发明所阐述的β_硅酸二钙多孔生物陶瓷支架是一种极具应用前景的组织工程支架材料。
图1为本发明实施例1制得的β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的微观形貌显微照片。图2为本发明实施例制得的β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架种植细胞后的显微照片；其中，A图、B图分别为细胞培养7天、11天后的显微照片。图3为本发明实施例2制得的β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的微观形貌显微照片。图4为本发明实施例2制备的β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架种植细胞后7天的显微照片。
具体实施例方式实施例一一种如图1所示的本发明的β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架，该β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架是以多孔有机聚氨酯泡沫作为前驱体经浸溃挂浆后烧结而成。如图2所示的本发明的硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，包括以下步骤(I)前驱体模板处理根据产品所需的形状和尺寸，将聚氨脂海绵加工得到直径约为19mm，厚约为IOmm的圆柱体多孔支架模板；再将该模板浸入10%的NaOH溶液中浸泡6小时，此后将模板浸入蒸馏水中浸泡清洗12小时，并取出烘干备用。(2)粉体的制备将CaCO3和SiO2摩尔比2:1配比，同时添加上述粉料质量O. 8%的磷酸三I丐(TCP)作为稳定剂。球磨采用行星球磨机球磨,球磨机转速为600r/min,球磨时间为4. 5小时。球磨后的粉料立即取出烘干过100目筛备用。(3)浸溃挂浆称取步骤(2)中的混合粉料，加入其质量分数2. 5%的羧甲基纤维素钠(CMC)作为粘结剂。搅拌混合均匀后，加入双重蒸馏水配成含水率为40%的浆料，搅拌均匀。将步骤(1)制备的海绵前驱体浸入浆料中反复挤压浸溃，浸溃完成后取出并挤去多余浆料。(4)干燥将步骤(3)中得到的样品放入烘箱中于90°C下干燥12小时。(5)烧成干燥后的样品放入硅钥炉中烧结即可得到硅酸二钙多孔生物陶瓷支架。烧成制度分段进行，不同温度段的升温速度不同且进行严格控制。烧成温度为1250°C，在烧成温度下保温4小时。具体升温制度如下表所示表1:升温制度
权利要求
1.一种3 -硅酸二钙生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)前驱体模板处理根据产品所需的形状和尺寸，用有机泡沫加工处理得到多孔支架模板。
(2)陶瓷原料制备将Ca源和Si源按适当的比例配比，同时添加适量水和稳定剂进行球磨，球磨后的粉料烘干过筛备用。
(3)浸溃挂浆称取步骤(2)所制备粉料，按比例加入粘结剂和蒸馏水搅拌均匀，配成浆料，将步骤(I)制备的海绵前驱体置于浆料中反复挤压浸溃，并挤压出海绵前驱体中多余浆料。
(4)干燥将步骤(3)中得到的样品进行鼓风干燥。
(5)烧成干燥后的样品放入烧结炉中高温烧结，并于烧成温度下保温。
(6)冷却保温结束立即将样品从炉中取出冷却。
2.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于所述前驱体模板为聚氨脂海绵。
3.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于Ca源和Si源的摩尔比为1:1至3:1，所用稳定剂为磷酸钙盐，其用量为碳酸钙和二氧化硅混合粉料质量的0. 59^3%。
4.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于所述粘结剂为羧甲基纤维素钠(CMC)，其用量为球磨所得粉料质量的29T4%。
5.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于所配浆料中的含水率为30% 70%。
6.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于样品的鼓风干燥的温度控制在8(T12(TC，干燥时间为9-15小时。
7.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于烧成制度分段进行，不同温度段的升温速度不同，烧成温度控制在1200°C 1400°C，并于烧成温度下保温2 4小时。
8.根据权利要求1所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于保温结束后立即由炉中取出急冷。
9.一种根据权利要求1至8任何一项所述方法制备的3 -硅酸二钙生物陶瓷支架。
10.一种根据权利要求9中所述的￠-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架在组织工程中的应用，可应用于骨组织工程中硬骨组织的修复和替代。
全文摘要
本发明公开了一种β-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法和应用。该β-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架制备方法为采用多孔有机泡沫作为前驱体，泡沫前驱体经处理后加入陶瓷浆料中浸渍挂浆，去除多余陶瓷浆料后烘干、烧成制得β-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架。该生物陶瓷支架具有良好的通孔性、机械性能和生物相容性，可应用于骨组织工程中。
文档编号A61L27/10GK103058707SQ201210528010
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者刘海蓉, 戴瑶, 刘斌斌, 周征, 夏磊磊 申请人:湖南大学
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