CN114452439B - 一种仿生天然骨矿组成的羟基磷灰石/白磷钙石生物活性陶瓷支架及其制备方法 - Google Patents

一种仿生天然骨矿组成的羟基磷灰石/白磷钙石生物活性陶瓷支架及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种仿生天然骨矿组成的羟基磷灰石/白磷钙石生物活性陶瓷支架及其制备方法。这种支架的制备方法为，将有机高分子泡沫模板用不同比例混合的羟基磷灰石和β‑磷酸三钙颗粒与粘结剂组成的浆料均匀浸渍后，经高温烧结完全去除有机物后，使无机支架在含镁离子的水溶液中发生水热反应，得到羟基磷灰石/白磷钙石复合支架。本发明制备的复合陶瓷支架组成和降解速率可控，力学性能优良，支架孔隙率适于细胞进入生长，无细胞毒性且促成骨效果显著。该羟基磷灰石/白磷钙石复合陶瓷支架的制备方法简单易行，工艺可控，易于放大。

Description

一种仿生天然骨矿组成的羟基磷灰石/白磷钙石生物活性陶 瓷支架及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种骨组织工程用生物活性陶瓷支架及其制备技术，具体是指一种能够仿生天然骨组织中无机矿物组成的、适用于骨缺损再生修复的多孔陶瓷支架的制备方法。
背景技术
骨组织在人体中广泛存在并且发挥躯体支撑、运输营养和造血等重要的生理功能，由无机矿物质和有机物复合而成。血管化骨虽然具有较强的生理重塑和自愈能力，但是当缺损尺寸超过其能自愈的临界值后，需要通过骨移植或组织工程手段进行干预治疗。鉴于自体和同种异体骨移植的种种限制和不利因素，基于人工细胞外基质的骨组织工程显示出优异的临床应用前景，能够为骨再生提供仿生微环境的骨组织工程支架是保障再生修复和功能重建成功实现的重要前提。
从材料学出发，一般认为骨骼是由胶原纳米纤维和非化学剂量的纳米羟基磷灰石(HA：Ca10(PO4)6(OH)2)组装得到的纳米复合材料，更新的研究表明，镁元素作为人体骨矿中丰度最大的阳离子掺杂元素，形成了占比超过20％的白磷钙石(WH：Ca8Mg2(HPO4)2(PO4)12)。羟基磷灰石和白磷钙石在天然骨中的比例约3:1，它们具有不同的晶体结构和物理化学性质，在骨骼发育和稳态维持中发挥各自不同的独特作用。其中，通常认为由规整排列的羟基磷灰石增强胶原纤维提供机械强度和骨传导的作用，而白磷钙石因在中性环境下具有较快的降解速率，被认为具有显著的诱导成骨的作用。研究发现，白磷钙石作为人体硬组织中占比第二的无机矿物质，是以分散相存在于天然骨矿中的，在年幼的生物体内和骨矿化的早期阶段比例相对较高，这也说明了白磷钙石促进生物矿化和具有成骨活性的生理功能。无疑，合理配比的羟基磷灰石/白磷钙石复合陶瓷支架应该是最仿生天然骨矿成分的生物活性无机骨修复材料。
在现有的研究中，人工制备的无机陶瓷骨修复材料最常见的成分是羟基磷灰石和β-磷酸三钙(β-TCP，Ca3(PO4)2)的单一相或双相支架，其中，羟基磷灰石降解性能差，通常被认为是占位性修复，只能被新生骨整合而不能被吸收，因此常需要和具有降解性能的β-磷酸三钙复合来获得更快的初期成骨和后期的骨整合效果，但β-磷酸三钙的新骨诱导能力也很有限，引导骨再生的速率仍有待提高。白磷钙石具有和β-磷酸三钙相似的晶体结构，但由于掺杂的镁离子取代了部分钙离子的位置，具有菱形的晶体空间结构，表面带负电荷，相比于大多数磷酸钙陶瓷在中性和碱性条件下稳定，白磷钙石在微酸环境下的热力学稳定更高。白磷钙石的这些特性，预示着它比羟基磷灰石和β-磷酸三钙有更强的吸附蛋白能力，在体内中性环境下具有更快的降解和离子释放速率，即除Ca2+和和PO4 3-的释放量提高外，Mg2+的释放量也随之提高，同时得益于镁离子的促细胞迁移、促血管生成和促成骨分化等多种生物学功能的发挥，白磷钙石显示出生物可吸收性和促血管化骨组织再生的显著优势。但是，目前并没有仿生天然骨矿组成的羟基磷灰石/白磷钙石生物活性多孔陶瓷支架及其制备方法的相关报导，分析其主要原因，一是由于纯相白磷钙石的制备难度大，直到2014才首次报导了采用Ca(OH)2-Mg(OH)2-H3PO4三元体系进行溶液沉淀反应批量制备纯相白磷钙石纳米颗粒(ACS Nano,2014,8(1):634-641)；二是因为将白磷钙石纳米粒子与羟基磷灰石纳米粒子直接混合高温烧结，很难获得具有足够力学强度的多孔陶瓷支架。虽然在专利201710242976.3中公开了一种在磷酸钙类生物陶瓷基体表面构建白磷钙石涂层的制备方法，但并未涉及羟基磷灰石和白磷钙石复合的多孔支架的制备技术。因此，需要发展一种合适的方法来制备仿生天然骨矿组成的羟基磷灰石/白磷钙石生物活性多孔陶瓷支架，促进血管化骨的再生修复。
发明内容
本发明的目的在于提出一种骨组织工程用羟基磷灰石/白磷钙石仿生多孔陶瓷支架及其制备技术，它是基于天然骨矿主要由羟基磷灰石和白磷钙石复合而成的事实而提出的，意图利用β-磷酸三钙与白磷钙石具有结晶相似性的特点，通过将β-磷酸三钙与羟基磷灰石按一定比例复合的多孔陶瓷支架浸泡在含Mg2+的模拟体液中，在水热条件下将β-磷酸三钙转化为白磷钙石，从而制备出羟基磷灰石/白磷钙石仿生多孔双相陶瓷支架。该制备技术中，是从简单易得的羟基磷灰石和β-磷酸三钙出发，制备成混合浆料，采用有机高分子泡沫为支架模板，通过浸渍、高温烧结、水热处理等步骤完成目标多孔羟基磷灰石/白磷钙石双相陶瓷支架的制备，工艺可控，易于放大，且双相支架组成可控，以匹配不同缺损的新骨再生速率，实现修复和功能重建。
一种仿生天然骨矿组成的羟基磷灰石/白磷钙石生物活性多孔陶瓷支架的制备方法，包括如下步骤：
(1)溶液共沉淀法制备羟基磷灰石纳米颗粒：以含磷化合物和含钙化合物为原料，按照钙磷摩尔比为1.67，分别称取两种原料并分别溶于去离子水，在恒温90℃且持续搅拌下，将含磷化合物水溶液滴加到含钙化合物水溶液中，并用氨水控制体系pH＝10，滴加完毕后继续恒温搅拌反应3h以上，然后收集沉淀产物，用去离子水洗涤、真空干燥后得到羟基磷灰石纳米颗粒。
(2)溶液共沉淀法结合高温烧结制备β-磷酸三钙：以含磷化合物和含钙化合物为原料，按照钙磷摩尔比为1.5，分别称取两种原料并分别溶于去离子水，在室温且持续搅拌下，将含钙化合物水溶液滴加到含磷化合物水溶液中，并用氨水控制体系pH＝8.2，滴加完毕后继续室温搅拌反应10min，然后收集沉淀产物，用去离子水和无水乙醇洗涤、真空干燥后，将得到的粉末放入马弗炉，以10℃/min的升温速度至850℃并在此温度恒温3h后，采取随炉自然降温冷却至室温即得到β-磷酸三钙颗粒。
(3)有机高分子泡沫模板浸渍成型：根据羟基磷灰石/白磷钙石复合支架的目标组成计算羟基磷灰石和β-磷酸三钙的重量比，以高分子的乙醇溶液为分散液与预设比例的步骤(1)制备的羟基磷灰石粉体和步骤(2)制备的β-磷酸三钙粉体以固液比为1:4(g/mL)进行混合，通过行星式球磨机进行球磨后获得颗粒分散、混合均匀的浆料，将一定孔径和孔隙率的有机高分子泡沫模板浸渍于浆料中，采用真空浸渍-离心-干燥-真空浸渍的重复操作3-5次，直至孔壁达到一定厚度后(50-200μm)，置于80℃真空烘箱内干燥48h，得到以亲水性高分子为粘接剂，有机高分子泡沫模板赋型的多孔支架。
(4)将步骤(3)制备的多孔支架置于马弗炉中，以10℃/min的升温速度至1000℃，并在此温度恒温保持3h，对支架进行高温处理烧结以除去有机高分子泡沫模板及高分子粘接剂，得到羟基磷灰石和β-磷酸三钙复合的无机陶瓷支架；
(5)将步骤(4)制备的羟基磷灰石/β-磷酸三钙复合陶瓷支架置于模拟体液中，在120℃水热反应2天，直至所有的β-磷酸三钙转化为白磷钙石后，取出用去离子水洗涤后，置于80℃真空烘箱内干燥48h，得到羟基磷灰石和白磷钙石复合的无机陶瓷支架。
前述步骤(1)和步骤(2)中所述的含磷化合物是磷酸氢二铵、磷酸二氢铵中的一种，优选地，为磷酸氢二铵。
前述步骤(1)和步骤(2)中所述的含钙化合物是四水合硝酸钙、氯化钙中的一种。
前述步骤(3)中所述的有机高分子泡沫模板为不使用重金属催化发泡的开孔聚氨酯泡沫，孔径范围在200-600μm，孔隙率大于80％。
前述步骤(3)中进行羟基磷灰石和β-磷酸三钙球磨分散制备浆液所使用的高分子粘接剂是聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的一种，用乙醇进行溶解，粘接剂的浓度为0.4-0.8g/mL。
前述步骤(5)中所述的模拟体液为按照ISO 23317-2014《外科植入物.植入材料磷灰石形成能力的体外评估》中规定的标准模拟体液配置。
前述步骤(5)中所制备的羟基磷灰石和白磷钙石复合的无机陶瓷支架，羟基磷灰石的质量百分数可为90-10％，白磷钙石的质量百分数可为10-90％，优选地，羟基磷灰石和白磷钙石的质量比为仿生天然骨矿的75:25。
本发明的有益效果：
本发明所述方法制备的双相磷酸钙支架由仿生人体硬组织无机物的两大主要成分，即羟基磷灰石和白磷钙石组成，依据已报道的研究结果，它们在支架中的组成比原则上可以按照天然骨组织中的羟基磷灰石和白磷钙石的比例进行设定，以实现最佳的骨传导性和骨诱导性。由难以降解的羟基磷灰石和体内降解性较好的白磷钙石组成的陶瓷支架，在降解速率的控制方面，通过调节两者的质量比，可以实现支架的降解速率与新骨生成的速率相匹配，不会因提前崩塌或持续占位而不利于缺损部位的新骨生成和组织整合。有机泡沫浸渍陶瓷浆料、干燥后热处理去除有机泡沫模板，是一种获得多孔陶瓷的简单方法，它适用于制备具有高度贯穿孔结构、高孔隙率、孔径可控的骨组织工程多孔陶瓷支架，但不足是支架的力学强度偏低。而本发明采用此法是先制备了羟基磷灰石和β-磷酸三钙复合的多孔支架，随后再采用水热法将β-磷酸三钙全部转变为白磷钙石，在这个过程中，多孔陶瓷支架会因为晶型的转变而致密化，从而提高了支架的强度，且随着白磷钙石在支架中所占比例的升高，支架的力学性能逐步提高。因此，结合有机模板的孔结构特征，可以调控羟基磷灰石/白磷钙石复合多孔支架的孔结构、力学强度、降解和离子溶出速率等性能，使其更加满足不同骨缺损再生修复的需求。最后，通过本发明技术制备的羟基磷灰石/白磷钙石复合多孔支架，显然具有简便易行、条件可控、性价比高的特点，具备批量化制备的可行性，在骨再生修复领域中具有宽广的应用范围。
附图说明
图1是本发明提供的羟基磷灰石/白磷钙石复合陶瓷支架的宏观图。
图2a、b是本发明实施例1制备的羟基磷灰石/白磷钙石复合陶瓷支架的扫描电镜观察图，图2a是放大100倍，可清楚看到复合陶瓷支架的空隙，图2b是放大10000倍，可清楚看到HA纳米棒和WH纳米板均匀混合。
图3是本发明实施例1和实施例2制备的具有不同羟基磷灰石和白磷钙石质量比的复合陶瓷支架的XRD图。
图4是本发明制备的具有不同质量比的羟基磷灰石/白磷钙石复合多孔陶瓷支架在应变为20％时的压缩强度对比。
图5是骨髓间充质干细胞在本发明实施例1制备的羟基磷灰石/白磷钙石复合陶瓷支架上生长并向支架内部迁移的观察图。
具体实施方式
下面结合实例进一步阐明本发明的工艺过程和显著的特点，但本发明的实施方式不限于此。
一种仿生天然骨矿组成的羟基磷灰石/白磷钙石生物活性多孔陶瓷支架的制备方法，采用如下步骤：
制备例
制备例1：羟基磷灰石纳米棒的制备
在250mL的圆底烧瓶中加入4.25g的磷酸氢二胺，500mL的三口烧瓶中加入13.8g的四水合硝酸钙，两者的Ca/P摩尔比为1.67，分别加入100mL的去离子水溶解，然后置于90℃的恒温水浴锅中，在持续搅拌下，用恒压分液漏斗将磷酸氢二胺溶液逐滴加入到硝酸钙溶液中，滴加速度控制在0.5～1滴/s，同时用氨水控制体系pH＝10，滴加完毕后继续恒温搅拌陈化3h，然后过滤收集产物，用去离子水和无水乙醇先后洗涤3遍后，置于60℃的真空烘箱中干燥48h以上，得到羟基磷灰石纳米棒备用。
制备例2：β-磷酸三钙粉末的制备
制备β-磷酸三钙的钙源和磷源物质分别是无水氯化钙和磷酸氢二胺，将两者按照Ca/P摩尔比为1.5准确称量后，分别溶于去离子水中形成浓度为0.25mol/L的溶液，然后用恒压分液漏斗将氯化钙溶液匀速逐滴加入磷酸氢二胺溶液中，同时用氨水调节体系pH＝8.2，滴加完成后反应10min，过滤收集沉淀，用去离子水和无水乙醇分别清洗3遍后，将沉淀放入60℃真空烘箱干燥48h，然后将其转移到马弗炉，以10℃/min升温至850℃并恒温3h后，采取随炉自然降温至室温后取出，得到β-磷酸三钙粉末备用。
制备例3：模拟体液的配置
按照ISO 23317-2014《外科植入物.植入材料磷灰石形成能力的体外评估》中规定的标准模拟体液配方配置模拟体液，配置1L溶液所用到的药品和用量如下表所示。
Figure BDA0003437134630000061
Figure BDA0003437134630000071
具体操作如下：向内壁光滑的塑料容器中加入800mL去离子水，水浴加热至37℃，依次加入表中所列1-6号药品，用pH计实时监测溶液酸碱度，并用1mol/L的盐酸溶液调节体系pH＝7.4。这个过程中需注意，需待加入的上一份药品完全溶解后，方可加入下一份药品。待1-6号药品全部加入后，向溶液中加入Tris，同时用1mol/L的盐酸溶液调节保持体系pH在7.4-7.6范围内，直至10g Tris全部加入，再在体系pH＝7.4下，滴加已预先溶解的氯化钙水溶液后，定容溶液至1000mL，调节pH＝7.4后备用。
制备例4：聚氨酯泡沫模板的准备
选择型号为60PPI的聚氨酯泡沫，使用打孔器将其制成高10mm，直径10mm的圆柱体后，将其浸没于无水乙醇中，超声清洗10min×3次后，置于40℃真空烘箱内充分干燥后备用。
实施例
实施例1：
将聚乙烯醇缩丁醛与乙醇混合，室温搅拌3h以上使聚合物充分溶解后配置成0.6g/mL的透明溶液，将4.5g制备例1得到的羟基磷灰石纳米棒、1.33g制备例2得到的β-磷酸三钙粉末，和25mL前述聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液混合，置于球磨罐内，使用行星式球磨机将上述混合物先平转研磨1h，再旋转研磨1h后，得到均匀稳定的悬浊浆液，取出后转移到烧杯中，将制备例4准备的聚氨酯泡沫模板完全浸没于浆液中，抽真空至模板完全浸润后，低速离心(300rpm)1min去除模板孔内多余的浆料后，在80℃的真空烘箱内干燥10min，然后再重复上述真空浸渍-离心-干燥的过程3次，最后将浸渍后的复合物置于80℃的真空烘箱中干燥48h后，转移到马弗炉中进行高温烧结处理，以10℃/min的升温速率升温至1000℃，并在此温度保持3h，以确保完全去除有机模板和粘接剂聚乙烯醇缩丁醛，得到羟基磷灰石/β-磷酸三钙复合的多孔陶瓷支架，再将此复合陶瓷支架浸没于制备例3配置的模拟体液中，固液比设定为4mg/mL，在120℃下水热反应96h，待水热釜自然降至室温后取出支架，用乙醇洗涤、80℃真空烘箱内干燥48h后得到羟基磷灰石和白磷钙石理论质量比为75:25的复合多孔陶瓷支架。
实施例2：
本实施例所用原料和制备过程与实施例1相同，但改变羟基磷灰石和β-磷酸三钙的起始投料比，即称取1.5g制备例1得到的羟基磷灰石纳米棒、3.98g制备例2得到的β-磷酸三钙粉末，和25mL 0.6g/mL的聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液混合，通过平转研磨1h和旋转研磨1h得到均匀稳定的悬浊浆液用于浸渍法制备支架，经高温烧结和水热反应后得到羟基磷灰石和白磷钙石理论质量比为25:75的复合多孔陶瓷支架。
羟基磷灰石/白磷钙石复合多孔支架的表征：
图1为本发明实施例1制备的羟基磷灰石和白磷钙石复合多孔支架的宏观主视图，图片显示出所制备的支架为圆柱状，从支架表面能看到其丰富的孔隙结构。
图2为实施例1的制备的羟基磷灰石和白磷钙石复合多孔支架在扫描电子显微镜下的微观形貌，能够看出支架具有连续贯通的孔隙结构，孔壁为粗糙的陶瓷孔壁结构，且孔壁的微观放大图能清晰地看出，同时存在棒型的羟基磷灰石和六边形的白磷钙石晶片，在该组成比例下，明显以羟基磷灰石纳米棒为主。
图3为本发明实施例1和实施例2制备的不同组成的羟基磷灰石/白磷钙石复合多孔支架的X射线衍射分析图。根据羟基磷灰石标准XRD卡片(PDF#84-1998)可知，结晶型羟基磷灰石纳米棒的衍射图谱主峰位置，按照峰高排序分别为31.79°、32.92°、32.22°和25.90°，对应的晶面分别为(1 2 1)、(1 1 2)、(3 0 0)和(0 0 2)；根据白磷钙石标准XRD卡片(PDF#70-2064)可知，结晶型白磷钙石的衍射图谱主峰位置，按照峰高排序分别为31.03°、34.37°和27.77°，对应的晶面分别为(0 2 10)、(2 2 0)和(2 1 4)。从图中实施例1、2所制备的支架与标准谱图的对比，可以确认实施例1和2所制备的陶瓷支架均由羟基磷灰石和白磷钙石组成，实施例1制备的支架以羟基磷灰石为主要成分，实施例2制备的支架以白磷钙石为主要成分。
图4是根据本发明提供的羟基磷灰石/白磷钙石复合多孔支架的制备方法所制备的具有不同组成的复合支架，在压缩形变20％时所得到的支架压缩强度的数据，可见，随着复合支架中白磷钙石的比例增加，支架的压缩强度显著提高。
图5是将骨髓间充质干细胞(BMSCs)接种在高压蒸汽灭菌处理后的复合支架(实施例1制备)表面，在生长培养基中培养3天和7天后，通过钙黄绿素(Calcein-AM)荧光染色后，使用激光共聚焦显微镜观察细胞迁移进入支架内部生长的情况，荧光信号强度和铺展面积指示细胞数量。如图所示，细胞在经过3天和7天的孵育后，数量增加，增殖明显，证实所制备的支架材料无明显的细胞毒性，细胞贴附良好，支持细胞生长。同时，从激光共聚焦显微镜拍摄的三维图像可见，在细胞接种7天后，细胞向支架内部迁移明显，进入深度约为120mm，证实所制备的支架具有连通的孔结构，植入体内后，将利于周围组织的细胞向支架内生长，促进支架与周围组织的整合。
本发明实施例仅仅是便于本领域技术人员理解和使用发明，并不是对本发明的限制，熟悉本领域的人员在阅读完说明书后根据需要对本实施例做出的各种修改，但不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都受到专利法的保护。

Claims (1)

1.一种仿生天然骨矿组成的羟基磷灰石/白磷钙石生物活性多孔陶瓷支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）溶液共沉淀法制备羟基磷灰石纳米颗粒：以磷酸氢二铵或磷酸二氢铵为含磷化合物，以四水合硝酸钙或氯化钙为含钙化合物，按照钙磷摩尔比为1.67，分别称取两种原料并分别溶于去离子水，在恒温90℃且持续搅拌下，将含磷化合物水溶液滴加到含钙化合物水溶液中，并用氨水控制体系pH = 10，滴加完毕后继续恒温搅拌反应3 h以上，然后收集沉淀产物，用去离子水洗涤、真空干燥后得到羟基磷灰石纳米颗粒；（2）溶液共沉淀法结合高温烧结制备β-磷酸三钙：以磷酸氢二铵或磷酸二氢铵为含磷化合物，以四水合硝酸钙或氯化钙为含钙化合物，按照钙磷摩尔比为1.5，分别称取两种原料并分别溶于去离子水，在室温且持续搅拌下，将含钙化合物水溶液滴加到含磷化合物水溶液中，并用氨水控制体系pH = 8.2，滴加完毕后继续室温搅拌反应10 min，然后收集沉淀产物，用去离子水和无水乙醇洗涤、真空干燥后，将得到的粉末放入马弗炉，以10℃/min的升温速度至850℃并在此温度恒温3 h后，采取随炉自然降温冷却至室温即得到β-磷酸三钙颗粒；（3）有机高分子泡沫模板浸渍成型：以聚乙烯醇缩丁醛或聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液为分散液，分散液的浓度为0.4-0.8 g/mL，与预设比例的步骤（1）制备的羟基磷灰石粉体和步骤（2）制备的β-磷酸三钙粉体以固液比为1 g/4 mL进行混合，通过行星式球磨机进行球磨后获得颗粒分散、混合均匀的浆料，将孔径范围在200 - 600 微米，孔隙率大于80%的开孔聚氨酯泡沫模板浸渍于浆料中，采用真空浸渍-离心-干燥-真空浸渍的重复操作3-5次，直至孔壁达到50-200 微米，置于80℃真空烘箱内干燥48 h，得到以亲水性高分子为粘接剂，有机高分子泡沫模板赋型的多孔支架；（4）将步骤（3）制备的多孔支架置于马弗炉中，以10℃/min的升温速度至1000℃，并在此温度恒温保持3 h，得到羟基磷灰石和β-磷酸三钙复合的无机陶瓷支架；（5）将步骤（4）制备的羟基磷灰石/β-磷酸三钙复合陶瓷支架置于按照ISO23317-2014《外科植入物. 植入材料磷灰石形成能力的体外评估》中规定配置的标准模拟体液中，在120℃水热反应2天，直至所有的β-磷酸三钙转化为白磷钙石后，取出用去离子水洗涤后，置于80℃真空烘箱内干燥48 h，得到羟基磷灰石和白磷钙石复合的无机陶瓷支架，所制备的羟基磷灰石和白磷钙石复合的无机陶瓷支架，羟基磷灰石的质量百分数为90-10%，白磷钙石的质量百分数为10-90%。
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