CN101041087A - 高强可降解含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由高强可降解含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架及其制备方法。采用的初始原料为缺钙含锶磷灰石骨水泥，其固相粉末为Ca₄(PO₄)₂O、SrHPO₄、CaHPO₄混合物，液相为0.1mol/L～1mol/L的H₃PO₄水溶液。采用骨架结构可控的快速打印成型RP光敏树脂为负模，经过浆料浇注、固化、负模热处理去除以及后续烧结方法等工艺，得到相组成可调的含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架。该骨支架的总孔隙率为42.5％～75％，宏孔尺寸为300μm～600μm，宏孔体积为0％～50％，微孔尺寸为2μm～10μm，抗压强度为3.15MPa～21.53MPa，将具有广阔的应用前景和开发价值。

Description

高强可降解含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，涉及一种高强可降解含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架的制备方法，尤其涉及一种降解速率可控、孔结构可调的适合于人体承力部位骨组织工程应用的含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架的制备方法。

背景技术

骨组织工程为实现人体骨缺损永久性修复提供了新的思路。然而，开发一种具有良好综合性能的骨组织工程支架材料是决定其最终临床修复手术得以成功的关键因素之一。研究表明，骨组织工程支架材料必须具备如下条件：(1)良好的生物相容性；(2)适度的生物降解性，降解速度需与骨再生速度相匹配；(3)良好的结构相容性和骨传导性，包括合适的孔洞尺寸与连通性、孔隙率以及材料表面微结构及化学性质；(4)足够的强度和易成型性；(5)与信号分子的相容性；(6)易消毒性。目前人们着手研究的骨组织工程支架材料中，以可降解高分子材料和多孔羟基磷灰石的研究最为普遍。前者虽然具有良好生物降解性，且易实现孔洞结构可控性与连通性，但其强度往往较低，且生物相容性相对较差。后者虽然具有良好的生物相容性、生物活性，但羟基磷灰石的降解性极其缓慢，孔洞结构可控性相对较差，且现有高孔隙率羟基磷灰石骨支架的强度很低，一般不超过5MPa(Kim HW，et al.PorousZrO2 bone scaffold coated with hydroxyapatite with fluorapatite intermediate layer.Biomaterials，2003；24：3277-3284)，不适于人体承力部位骨组织工程的力学要求。开发一种新型的骨组织工程支架材料体系并辅以合适的孔洞构造方法是目前骨组织工程领域急需解决的重要课题。

双相磷酸钙BCP陶瓷是上世纪80年代初美国学者Lynch、Nery以及LeGeros共同努力下提出来的由羟基磷灰石HA、磷酸三钙β-TCP按一定比例组成的重要磷酸钙复合陶瓷。该材料结合了HA较高强度、高生物活性，以及β-TCP快速降解等优点，一直受到生物材料领域学者们的高度重视，目前已在牙科、整形外科等领域得到了广泛的应用。近年来，国内外学者开始对BCP这种优异的传统骨修复材料进行了骨组织工程化研究，以期获得一种具有良好综合性能的骨组织工程支架材料。然而研究表明，开发的BCP骨支架的降解性虽较之羟基磷灰石骨支架得到明显改善，但其机械强度仍比较低，这是因为：一方面，高孔隙率与宏孔是削弱材料机械强度的重要因素；另一方面，在BCP复合体系中，HA作为强度的主要贡献相，不仅其本身强度有限，而且其极其缓慢的降解速率限制了它在BCP中的含量。例如，当总孔隙率高达73％、内连通孔直径为30μm、宏孔百分含量为18％时，BCP骨支架材料的抗压强度仅为1.5MPa(Bignon A，et al.Effect of micro-andmacroporosity of bone substitues on their mechanical properties and celluarresponse.J Mater Sci：Mater Med，2003；14：1089-1097)。为了进一步提高BCP骨组织工程化支架的机械强度，国内外学者提出了一些改进方法，例如改进烧结技术(季金苟等.微波等离子体烧结多孔HA/b-TCP双相生物陶瓷的研究.无机材料学报，2004；19(4)：845-850)、添加生物玻璃相(赵俊亮等.有机泡沫浸渍法制备多孔羟基磷灰石复相陶瓷.中国陶瓷，2003；39(1)：4-7)等，虽在一定程度上提高了BCP骨支架的强度，但强度增幅不够明显，而且添加的玻璃相过量会降低支架材料的生物活性。最近，美国学者Ramay HRR等运用“纳米纤维增强”的思路，用HA纳米纤维代替常规BCP中的HA粉体，获得了HA纳米纤维增强型BCP骨支架材料，其强度得到了较为显著的提高(RamayHRR，et al.Biphasic calcium phosphate nanocomposite porous scaffolds forload-bearing bone tissue engineering.Biomaterials.2004；25：5171-5180)。但不足的是，他们使用模板调制技术时未能对有机泡沫模板的骨架结构进行有效调控，故最终获得的骨支架在孔洞结构上缺乏可调性。因此，采用常规的改进方法，难以使BCP陶瓷骨支架在理想孔隙结构与较高机械强度之间达成理想的兼顾。

已有研究表明，掺锶磷灰石Sr-HA具有比常规HA更好的机械强度、体内降解速率以及生物活性。若从成分改性或者元素掺杂的角度入手，采用锶离子掺杂技术，构建出新型含锶双相磷酸钙陶瓷Sr-BCP体系，并辅以合适的孔洞构造技术与烧结工艺，则有可能获得在机械强度、降解性能、生物活性等方面均优于传统BCP的新型Sr-BCP骨支架材料。以此思路，我们曾采用缺钙掺锶磷灰石骨水泥为原料，应用泡沫模板浸渍原理，通过烧结方法获得了可降解泡沫状掺锶磷酸钙双相陶瓷骨支架，并通过“缺陷修复与二次烧结”的改进工艺明显改善了该骨支架的强度(郭大刚等，可降解泡沫状掺锶磷酸钙陶瓷骨支架材料的制备工艺，中国发明专利，CN1762897A)，但不足的是强度仍不超过5MPa。而一般认为，骨支架抗压强度高于5MPa以上才有可能适用于人体承力部位骨缺损的骨组织工程应用(Ramay HRR，et al.Biphasiccalcium phosphate nanocomposite porous scaffolds for load-bearing bone tissueengineering.Biomaterials.2004；25：5171-5180)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强可降解含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架及其制备方法，该骨支架材料具有较高的抗压强度、良好可控的降解速率、合适的孔隙结构以及良好的生物相容性、骨传导性、生物活性。该制备方法融合了快速打印光敏树脂负模的骨架结构可控性、缺钙掺锶磷灰石骨水泥的高温分解性、以及含锶磷灰石良好的生物活性、高强度与可控的降解速率、含锶磷酸三钙快速降解等多种优势。

本发明的技术方案是这样解决的：

高强可降解含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架，其最终获得的骨支架的组成为含锶磷酸三钙和含锶磷灰石的混合物，其中含锶磷酸三钙的质量百分含量为0.5％～80％，含锶磷灰石的质量百分含量为20％～99.5％；骨支架的总孔隙率为42.5％～75％，宏孔尺寸为300μm～600μm，宏孔体积为0％～50％，微孔尺寸为2μm～10μm，微孔体积为21.38％～44.70％。

高强可降解含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架的制备方法，按如下步骤进行：

1)缺钙掺锶磷灰石骨水泥SrCPC浆料的制备：

将平均粒度范围分别为10.0μm～50.0μm、0.7μm～10.0μm、0.7μm～10.0μm的磷酸四钙Ca₄(PO₄)₂O、磷酸氢锶SrHPO₄、磷酸氢钙CaHPO₄粉末按照摩尔比2∶x∶(2-x)混和，得到SrCPC的固相粉末，其中x＝0.1～1；配制浓度为0.1mol/L～1mol/L的磷酸H₃PO₄水溶液，作为SrCPC的液相；将固相粉末与液相调和30s～60s，得到SrCPC水泥浆料，其中调和时固相粉末与液相质量比为1.5～3.0；

2)浆料浇注与固化方法：

将上述制备的缺钙掺锶磷灰石骨水泥SrCPC浆料注入快速打印成型光敏树脂负模中，其中负模外形呈圆柱体状，高为15mm～17mm，外径为Φ10mm～Φ11mm，壁厚0.5mm～1.0mm，内部骨架直径为200μm～800μm，孔径为400μm～1000μm，孔隙率为50％～100％；浆料浇注时，不断振动RP负模，以消除骨水泥浆料在浇注过程中混入的气泡，使骨水泥浆料充分填实RP负模；刮平RP负模表面多余的骨水泥浆料后，将填满水泥浆料的RP负模置入37℃、100％湿度空气环境下固化24h～96h，得到缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体；

3)RP负模热处理去除与后续烧结方法：

将固化后的缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体置于在100℃～120℃的烘箱中烘烤5h～10h，然后放入可控硅烧结炉中以加热速率0.5℃/min～1.5℃/min缓慢加热至400℃～600℃下保温2h～10h，以充分去除RP负模，得到多孔含锶磷酸钙多孔块体；将此多孔块体进一步以2℃/min～10℃/min的加热速率继续加热至1000℃～1200℃下保温1h～10h，然后随炉冷却至室温，得到含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架。

采用本发明的制备工艺制成的含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架，其最终抗压强度为3.15MPa～21.53MPa，总孔隙率为42.5％～75％，宏孔尺寸为300μm～600μm，宏孔体积为0％～50％，微孔尺寸为2μm～10μm，微孔体积为21.38％～44.70％；其良好的孔洞结构不仅满足骨组织与细胞长入的要求，而且满足磷酸钙类陶瓷具有骨诱导性的必备条件。

采用本发明的制备工艺制成的含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架，其抗压强度明显高于现有磷酸盐骨支架的相应水平，接近人体松质骨上限抗压强度2MPa～12MPa，适合于人体承力部位的骨组织工程应用。

采用本发明的制备工艺制成的含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架，不仅具有强度高、孔隙结构可控、降解速率可调、相组成可变的特点，而且材料体内服役后逐渐释放出锶离子，发挥锶离子对新骨组织生长与矿化过程的有益作用。

采用本发明的制备工艺制成的含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架，经急性毒性试验、热原试验、溶血试验测试，结果均为合格，体外细胞毒性为0～1级，具有良好的生物相容性；通过家兔肌肉与骨骼埋植实验表明，该含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架具有良好的骨传导性、生物活性与体内降解性能。

具体实施方式

实施例1：

将平均粒度分别为13.0μm、6.7μm、1.0μm的Ca₄(PO₄)₂O、SrHPO₄、CaHPO₄粉末按照摩尔比2∶1.5∶0.5进行混合，制成含锶磷酸钙骨水泥固相粉末。用50ml小烧杯称量1.379g该粉末，然后与0.7ml浓度为0.75mol/L的稀磷酸固化液进行混合，并用药匙调和30s以形成均匀一致的含锶磷酸钙骨水泥浆料。采用快速打印成型RP技术，以光敏树脂为负模材料，按照打印原理，制备出高为17mm，外径为Φ11mm，壁厚0.5mm的内空圆桶型负模。将含锶磷酸钙骨水泥浆料注入该负模，并不断振动负模，以消除骨水泥浆料在浇注过程中混入的气泡，使骨水泥浆料充分填实负模。刮平RP负模表面多余的骨水泥浆料后，将填满水泥浆料的RP负模置入37℃、100％湿度空气环境下固化48h，得到缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体。将固化后的缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体置于在110℃的烘箱中烘烤8h，然后放入可控硅烧结炉中以加热速率0.5℃/min缓慢加热至500℃下保温4h，充分去除RP负模，然后再以5℃/min的加热速率继续加热至1200℃下保温2h，最后随炉冷却至室温，得到含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架。

所得骨支架相组成为含锶磷灰石和含锶磷酸三钙的混合物，质量百分含量比例为30％∶70％，最终抗压强度为13.22MPa，总孔隙率为44.06％，宏孔体积为0％，微孔尺寸为2μm～5μm，微孔体积为44.06％。

实施例2：

将平均粒度分别为13.0μm、6.7μm、1.0μm的Ca₄(PO₄)₂O、SrHPO₄、CaHPO₄粉末按照摩尔比2∶1.5∶0.5进行混合，制成含锶磷酸钙骨水泥固相粉末。用50ml小烧杯称量1.379g该粉末，然后与0.7ml浓度为0.75mol/L的稀磷酸固化液进行混合，并用药匙调和30s以形成均匀一致的含锶磷酸钙骨水泥浆料。采用快速打印成型RP技术，以光敏树脂为负模材料，按照打印原理，制备出高为17mm，外径为Φ11mm，壁厚0.5mm，内部骨架直径为600μm，孔径为800μm，孔隙率为30％的多孔负模。将含锶磷酸钙骨水泥浆料注入该负模，并不断振动负模，以消除骨水泥浆料在浇注过程中混入的气泡，使骨水泥浆料充分填实负模。刮平RP负模表面多余的骨水泥浆料后，将填满水泥浆料的RP负模置入37℃、100％湿度空气环境下固化48h，得到缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体。将固化后的缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体置于在110℃的烘箱中烘烤8h，然后放入可控硅烧结炉中以加热速率0.5℃/min缓慢加热至500℃下保温4h，充分去除RP负模，然后再以5℃/min的加热速率继续加热至1200℃下保温2h，最后随炉冷却至室温，得到含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架。

所得骨支架相组成为含锶磷灰石和含锶磷酸三钙的混合物，质量百分含量比例为30％∶70％，最终抗压强度为3.32MPa，总孔隙率为62.01％，宏孔尺寸为600μm，宏孔体积为30％，微孔尺寸为2μm～5μm，微孔体积为32.01％。

实施例3：

将平均粒度分别为13.0μm、6.7μm、1.0μm的Ca₄(PO₄)₂O、SrHPO₄、CaHPO₄粉末按照摩尔比2∶1.5∶0.5进行混合，制成含锶磷酸钙骨水泥固相粉末。用50ml小烧杯称量1.5486g该粉末，然后与0.6ml浓度为0.40mol/L的稀磷酸固化液进行混合，并用药匙调和30s以形成均匀一致的含锶磷酸钙骨水泥浆料。采用快速打印成型RP技术，以光敏树脂为负模材料，按照打印原理，制备出高为17mm，外径为Φ11mm，壁厚0.5mm的内空圆桶型负模。将含锶磷酸钙骨水泥浆料注入该负模，并不断振动负模，以消除骨水泥浆料在浇注过程中混入的气泡，使骨水泥浆料充分填实负模。刮平RP负模表面多余的骨水泥浆料后，将填满水泥浆料的RP负模置入37℃、100％湿度空气环境下固化48h，得到缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体。将固化后的缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体置于在110℃的烘箱中烘烤8h，然后放入可控硅烧结炉中以加热速率0.5℃/min缓慢加热至500℃下保温4h，充分去除RP负模，然后再以5℃/min的加热速率继续加热至1200℃下保温2h，最后随炉冷却至室温，得到含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架。

所得骨支架相组成为含锶磷灰石和含锶磷酸三钙的混合物，质量百分含量比例为78％∶22％，最终抗压强度为21.53MPa，总孔隙率为44.21％，宏孔体积为0％，微孔尺寸为2μm～5μm，微孔体积为44.21％。

实施例4：

将平均粒度分别为13.0μm、6.7μm、1.0μm的Ca₄(PO₄)₂O、SrHPO₄、CaHPO₄粉末按照摩尔比2∶1.5∶0.5进行混合，制成含锶磷酸钙骨水泥固相粉末。用50ml小烧杯称量1.5486g该粉末，然后与0.6ml浓度为0.40mol/L的稀磷酸固化液进行混合，并用药匙调和30s以形成均匀一致的含锶磷酸钙骨水泥浆料。采用快速打印成型RP技术，以光敏树脂为负模材料，按照打印原理，制备出高为17mm，外径为Φ11mm，壁厚0.5mm，内部骨架直径为600μm，孔径为800μm，孔隙率为30％的多孔负模。将含锶磷酸钙骨水泥浆料注入该负模，并不断振动负模，以消除骨水泥浆料在浇注过程中混入的气泡，使骨水泥浆料充分填实负模。刮平RP负模表面多余的骨水泥浆料后，将填满水泥浆料的RP负模置入37℃、100％湿度空气环境下固化48h，得到缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体。将固化后的缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体置于在110℃的烘箱中烘烤8h，然后放入可控硅烧结炉中以加热速率0.5℃/min缓慢加热至500℃下保温4h，充分去除RP负模，然后再以5℃/min的加热速率继续加热至1200℃下保温2h，最后随炉冷却至室温，得到含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架。

所得骨支架相组成为含锶磷灰石和含锶磷酸三钙的混合物，质量百分含量比例为78％∶22％，最终抗压强度为9.20MPa，总孔隙率为63.01％，宏孔尺寸为600μm，宏孔体积为30％，微孔尺寸为2μm～5μm，微孔体积为33.01％。

实施例5：

将平均粒度分别为13.0μm、6.7μm、1.0μm的Ca₄(PO₄)₂O、SrHPO₄、CaHPO₄粉末按照摩尔比2∶1.5∶0.5进行混合，制成含锶磷酸钙骨水泥固相粉末。用50ml小烧杯称量1.130g该粉末，然后与0.2ml浓度为0.25mol mol/L的稀磷酸固化液进行混合，并用药匙调和30s以形成均匀一致的含锶磷酸钙骨水泥浆料。采用快速打印成型RP技术，以光敏树脂为负模材料，按照打印原理，制备出高为17mm，外径为Φ11mm，壁厚0.5mm，内部骨架直径为600μm，孔径为800μm，孔隙率为30％的多孔负模。将含锶磷酸钙骨水泥浆料注入该负模，并不断振动负模，以消除骨水泥浆料在浇注过程中混入的气泡，使骨水泥浆料充分填实负模。刮平RP负模表面多余的骨水泥浆料后，将填满水泥浆料的RP负模置入37℃、100％湿度空气环境下固化48h，得到缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体。将固化后的缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体置于在110℃的烘箱中烘烤8h，然后放入可控硅烧结炉中以加热速率0.5℃/min缓慢加热至500℃下保温4h，充分去除RP负模，然后再以5℃/min的加热速率继续加热至1200℃下保温2h，最后随炉冷却至室温，得到含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架。

所得骨支架相组成为含锶磷灰石和含锶磷酸三钙的混合物，质量百分含量比例为99.5％∶0.5％，最终抗压强度为3.44MPa，总孔隙率为61.85％，宏孔尺寸为600μm，宏孔体积为30％，微孔尺寸为2μm～5μm，微孔体积为31.85％。

实施例6：

将平均粒度分别为13.0μm、6.7μm、1.0μm的Ca₄(PO₄)₂O、SrHPO₄、CaHPO₄粉末按照摩尔比2∶1.5∶0.5进行混合，制成含锶磷酸钙骨水泥固相粉末。用50ml小烧杯称量1.5486g该粉末，然后与0.6ml浓度为0.40mol/L的稀磷酸固化液进行混合，并用药匙调和30s以形成均匀一致的含锶磷酸钙骨水泥浆料。采用快速打印成型RP技术，以光敏树脂为负模材料，按照打印原理，制备出高为17mm，外径为Φ11mm，壁厚0.5mm，内部骨架直径为600μm，孔径为800μm，孔隙率为50％的多孔负模。将含锶磷酸钙骨水泥浆料注入该负模，并不断振动负模，以消除骨水泥浆料在浇注过程中混入的气泡，使骨水泥浆料充分填实负模。刮平RP负模表面多余的骨水泥浆料后，将填满水泥浆料的RP负模置入37℃、100％湿度空气环境下固化48h，得到缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体。将固化后的缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体置于在110℃的烘箱中烘烤8h，然后放入可控硅烧结炉中以加热速率0.5℃/min缓慢加热至500℃下保温4h，充分去除RP负模，然后再以5℃/min的加热速率继续加热至1200℃下保温2h，最后随炉冷却至室温，得到含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架。

所得骨支架相组成为含锶磷灰石和含锶磷酸三钙的混合物，质量百分含量比例为78％∶22％，最终抗压强度为7.65MPa，总孔隙率为74.80％，宏孔尺寸为600μm，宏孔体积为50％，微孔尺寸为2μm～5μm，微孔体积为34.80％。

Claims (2)

1、高强可降解含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架，其特征在于，其最终获得的骨支架的组成为含锶磷酸三钙和含锶磷灰石的混合物，其中含锶磷酸三钙的质量百分含量为0.5％～80％，含锶磷灰石的质量百分含量为20％～99.5％；骨支架的总孔隙率为42.5％～75％，宏孔尺寸为300μm～600μm，宏孔体积为0～50％，微孔尺寸为2μm～10μm，微孔体积为21.38％～44.70％。

2、一种如权利要求1所述的高强可降解含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

1)缺钙掺锶磷灰石骨水泥SrCPC浆料的制备：

将平均粒度范围分别为10.0μm～50.0μm、0.7μm～10.0μm、0.7μm～10.0μm的磷酸四钙Ca₄(PO₄)₂O、磷酸氢锶SrHPO₄、磷酸氢钙CaHPO₄粉末按照摩尔比2∶x∶(2-x)混和，得到SrCPC的固相粉末，其中x＝0.1～1；配制浓度为0.1mol/L～1mol/L的磷酸H₃PO₄水溶液，作为SrCPC的液相；将固相粉末与液相调和30s～60s，得到SrCPC水泥浆料，其中调和时固相粉末与液相质量比为1.5～3.0；

2)浆料浇注与固化方法：

将上述制备的缺钙掺锶磷灰石骨水泥浆料注入快速打印成型光敏树脂负模中，其中负模外形呈圆柱体状，高为15mm～17mm，外径为Φ10mm～Φ11mm，壁厚0.5mm～1.0mm，内部骨架直径为200μm～800μm，孔径为400μm～1000μm，孔隙率为50％～100％；浆料浇注时，不断振动RP负模，以消除骨水泥浆料在浇注过程中混入的气泡，使骨水泥浆料充分填实RP负模；刮平RP负模表面多余的骨水泥浆料后，将填满水泥浆料的RP负模置入37℃、100％湿度空气环境下固化24h～96h，得到缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体；

3)RP负模热处理去除与后续烧结方法：

将固化后的缺钙掺锶磷灰石骨水泥/RP负模复合体置于在100℃～120℃的烘箱中烘烤5h～10h，然后放入可控硅烧结炉中以加热速率0.5℃/min～1.5℃/min缓慢加热至400℃～600℃下保温2h～10h，以充分去除RP负模，得到多孔含锶磷酸钙多孔块体；将此多孔块体进一步以2℃/min～10℃/min的加热速率继续加热至1000℃～1200℃下保温1h～10h，然后随炉冷却至室温，得到含锶磷酸钙双相陶瓷骨支架。