CN1554449A - 纳米氧化锆强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨支架及其制法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医用生物陶瓷材料技术领域，是一种纳米强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨支架及其制备方法。本发明针对现有磷酸钙生物陶瓷一旦孔隙率增高就难于满足对人工骨抗压强度和韧性要求这一缺陷，在磷酸钙中加入纳米氧化锆颗粒以增强人工骨支架的抗压强度和韧性，从而为骨缺损治疗提供一种孔隙率高、抗压强度大、韧性强的生物陶瓷人工骨支架。本发明人工骨支架是用纳米氧化锆颗粒与羟基磷灰石以适当比例混合制成料浆，再涂于适当孔径和孔隙率的聚氨脂海绵烧结而成。由于孔隙率高，孔径大小适当，不仅使β－磷酸钙易被降解吸收，而且骨组织易于长入，融合速度快，与宿主骨牢固结合，不会产生明显的异物反应。本发明生物陶瓷既可用于骨组织损伤修复，还可以用于体外细胞培养。

Description

纳米氧化锆强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨支架及其制法

                           技术领域

本发明涉及医用生物陶瓷材料技术领域，是一种用于骨缺损治疗的由纳米氧化锆和磷酸钙制成的高孔隙率抗压增韧生物陶瓷人工骨支架。

                           背景技术

各种原因造成的骨缺损、骨不连一直是外科领域中的老难题。其根本原因是尚未找到一种理想的骨替代物，其要求是：1、与人体组织相容性好，无免疫源反应；2、与人骨力学性能相似，具有一定的强度和支撑力；3、应有良好的诱导成骨活性；4、取材方便，易于大量制作；5、能被宿主骨组织吸收替代。在骨组织修复领域，现行的材料都不十分理想，传统的植入材料，例如：金属、陶瓷、高分子植入物在人体内永远是异物，在生物相容性、生物活性、生物可降解性及与宿主骨的力学匹配性等方面都有各自的缺点，自体骨移植效果虽好，但来源有限，尤其是儿童和老人。因此，全世界都在寻找一种易塑形、生物相容性好、有足够强度的骨缺损修复材料。

骨组织工程的三个关键要素是信号分子(骨生长因子、骨诱导因子)、特定组织的细胞和细胞载体材料。其中研制合用的细胞载体材料是组织工程的关键。一方面，它必须满足各种生物相容性、生物可降解性及力学性能要求；另一方面，它还必须易于制成各种理想的形状以适于细胞与载体的组装、实现细胞在三维空间的生长、组织再生。这也是目前骨组织工程的难点。细胞载体材料分为可吸收材料与不可吸收材料两大类，从目前的使用情况看，可吸收材料比不可吸收材料更好。可吸收材料(多孔结构)包括以下几类：(1)合成和天然矿物：活性生物陶瓷、脱有机物的骨矿、磷酸三钙。(2)天然高分子：各类胶原；(3)合成高分子：聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸。活性生物陶瓷一般具有促使人体硬组织的再生和修复的作用，其中磷酸钙盐生物陶瓷材料对宿主组织具有良好的生物相容性，对人体无毒，无刺激，无过敏，不致癌，在人体内不产生免疫排斥反应。因此人们不由地把希望的目光投向生物陶瓷材料。人体不同组织长入需要不同的孔径。例如***长入，微孔径应为50μm即可，而骨组织长入需100μm以上，对于完整骨单位长入则需孔径大于250μm。而且为了增加骨融合速度，还要求孔隙率高，而对于骨组织来讲，必须有一定抗压强度和韧性，现有磷酸钙盐生物陶瓷一旦孔径增大，孔隙率增高，就很难满足对于人工骨抗压强度和韧性的要求。

                           发明内容

本发明提供一种孔隙率高、抗压强度大、韧性强的生物陶瓷人工骨支架。本发明的关键是在磷酸钙中掺入纳米氧化锆颗粒以增强人工骨支架的抗压强度和韧性，即选用纳米氧化锆颗粒和羟基磷灰石以适当比例混合制成料浆，再涂于适当孔径和孔隙率的聚氨酯海绵烧结而成。

β-磷酸钙由羟基磷灰石高温烧结而成，具有明确的成骨细胞诱导能力，但其强度本身较低，而在临床需要高孔隙率的前提下，制备成多孔陶瓷，其强度更加难以保证，严重限制了其作为一种成骨细胞爬行支架的应用，因此需要对其进行改性，以增加强度和韧性。纳米氧化锆颗粒本身具有增强陶瓷强度和韧性的特殊作用，而且在烧结的过程中，颗粒间重新结晶，发生相变，伴随晶格切变和体积效应，在通过引入Y2O3稳定剂，其四方相亚稳态在低于1000℃的温度范围可以保存下来，具有明显的相变增韧作用。本发明根据需要将不同体积配比的纳米氧化锆颗粒和羟基磷灰石混匀制成料浆，将适当孔径和孔隙率的聚氨酯海绵浸于料浆，再挤去多余的料浆，聚氨酯海绵即成为料浆的支架，在高温烧制后，聚氨酯海绵被去除，留下的即为由纳米氧化锆颗粒增强补韧的成骨细胞爬行陶瓷支架。只要根据聚氨酯海绵的适当孔径和孔隙率，选择纳米氧化锆颗粒与羟基磷灰石相应的配比，可以制成不同抗压强度的生物陶瓷人工骨支架。

本发明人工骨支架植入体内后，由于其孔隙率大幅增加，不仅使磷酸钙易于被降解吸收，而且骨组织易于长入，融合速度快，其与宿主骨结合后，形成类似“钢筋混凝土结构”，与宿主骨牢固结合，不产生明显异物反应。本发明生物陶瓷既可作为人工骨支架用于骨组织缺损修复，亦可用作体外细胞培养以及药物释放载体。

本发明人工骨支架的制备方法如下：

1、制备羟基磷灰石粉末

本发明以医用级碳酸钙(CaCO₃)和二水磷酸氢钙(CaHPO₄·2H₂O)为原料，按Ca/P摩尔比为1.67将所称料倒入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆磨球。按原料∶磨球∶水质量比为1∶3∶2.2进行配比，将混合料高速球磨24小时。再将混合料移入水热反应釜中，反应温度为120℃，压力为3MPa，反应40分钟之后将混合料取出，在烘箱中恒温干燥，干燥后在800℃煅烧2小时，获得针状羟基磷灰石粉末。

2、制备纳米氧化锆颗粒

氧化锆(ZrOCl₂·8H₂O)和氧化钇(Y₂O₃)以摩尔比97∶3混合，再按混合物与水质量比9∶10溶入40℃去离子水中，过滤去除杂质，获得含Zr⁴⁺，Y³⁺离子的溶液；另外在恒温容器中加入40℃去离子水，用量为上述离子溶液两倍体积量，以此作为基液；将上述Zr⁴⁺和Y³⁺离子溶液和浓度为3N的氨水同时滴入基液中，并不断搅拌，待沉淀完全后再继续搅拌半小时；过滤沉淀，再用去离子水和分析纯乙醇洗，直至AgNO₃检测过滤液中无Cl^-离子；把过滤后的沉淀物在烘箱中干燥，干燥后粉末过80目筛，于800℃煅烧1小时，冷却后过200目筛，制得的ZrO₂(Y₂O₃)复合粉末粒径在20～50nm之间，此为纳米氧化锆颗粒。

3、制备纳米氧化锆强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨支架

将上述纳米氧化锆颗粒和针状羟基磷灰石粉末按1-98∶99-2比例混合，加入适量的去离子水，在微粒球磨机上混磨4小时，磨球为氧化锆球；混磨后的料浆倒入盛料槽中；选用相应孔隙率和孔径的聚氨酯海绵，先用50％NaOH碱液处理，再浸入料浆中，而后将浸有料浆的海绵取出，通过碾轮将海绵中的多余料浆碾出；被料浆包裹的海绵成型体置室温干燥，再在烘箱中干燥；然后将其在烧结炉中烧结，可制得所需孔隙率和孔径的耐压增韧多孔生物陶瓷，即本发明人工骨支架。

本方法制备的多孔生物陶瓷的力学性能、微观结构和生物学评价如下：

力学性能和微观结构

将本发明制得的各组多孔陶瓷用万能抗压机测抗压强度，加载速度为1mm/分钟，5个为一组，检测了12组，各组取平均值。测试结果表明：本发明得到的多孔材料的抗压强度为0.1～50MPa。再用光学显微镜和扫描电镜观察孔形孔貌和分布，孔隙率为45％～93％之间，孔径的大小分布为50～650μm，孔分布均匀，贯通。

生物学评价

本发明严格按照《中华人民共和国国家标准医疗器械生物学评价》进行评价，结果为：1、细胞毒性试验结果阴性；2、全身毒性试验结果：未见明显全身毒性反应；3、溶血试验结果：未见明显体外溶血反应。

                           具体实施方式

实施例1：羟基磷灰石粉末制备

以医用级碳酸钙(CaCO₃)和二水磷酸氢钙(CaHPO₄·2H₂O)为原料，按Ca/P摩尔比为1.67称取342.2克CaHPO₄·2H₂O和134克CaCO₃，将所称料倒入球磨罐中，加入去离子水和氧化锆磨球。按料∶磨球∶水质量比为1∶3∶2.2进行配比，将混合料高速球磨24小时。再将混合料移入水热反应釜中，反应温度为120℃，压力为3MPa，反应40分钟之后将混合料取出，在烘箱中于85℃恒温干燥，干燥后在800℃煅烧2小时，获得长径比约为10的针状羟基磷灰石粉末。

实施例2：纳米氧化锆颗粒制备

取氧化锆(ZrOCl₂·8H₂O)和氧化钇(Y₂O₃)的摩尔比为97∶3的混合物450克，溶入500毫升40℃去离子水中，过滤去除杂质，获得含Zr⁴⁺，Y³⁺离子的溶液，另外在恒温容器中加入1000毫升40℃去离子水，以此作为基液；将上述500毫升Zr⁴⁺和Y³⁺溶液和浓度为3N的氨水同时滴入基液中，并不断搅拌，在整个反应过程中溶液的温度保持在40～45℃之间，pH值在9～10之间，待沉淀完全生成后再继续搅拌半小时；将沉淀过滤、去离子水洗3遍，再分析纯乙醇洗2遍，用AgNO₃检测过滤液中无Cl^-离子，把过滤后的沉淀物在烘箱中干燥，温度不超过80℃，干燥后粉末过80目筛，于800℃煅烧1小时，冷却后过200目筛，制得的ZrO₂(Y₂O₃)复合粉末粒径在20～50nm之间，此为纳米氧化锆颗粒。

实施例3：纳米氧化锆强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨支架的制备

1、将上述制备的纳米氧化锆颗粒12克和羟基磷灰石粉末136克混合成复合粉末，另取98毫升去离子水，加入0.7克聚乙烯醇粘合剂，混匀，再加入上述复合粉末，在微粒球磨机上混磨4小时，磨球为氧化锆球，混磨后的料浆倒入盛料槽中；选用孔隙率89％，孔径300μm的聚氨酯海绵，先用50％NaOH碱液处理，再浸入料浆中，而后将浸有料浆的海绵取出，通过碾轮将海绵中的多余料浆碾出；被料浆包裹的海绵成型体置室温干燥12小时后，再在烘箱中干燥；然后将其在烧结炉中预烧，升温速度为：室温至180℃为2℃/分钟，180℃至400℃为1℃/分钟，400至600℃为1.2℃/分钟；预烧后再将其升温至1200℃，升温速度为3℃/分钟，并保温半小时，再继续升温至1350℃，升温速度为1.6℃/分钟，保温2小时，制得孔隙率为87％的多孔陶瓷，孔径大小在200～350μm之间，抗压强度1.1MPa。其纳米氧化锆含量低，强韧性差；β-磷酸钙含量高，骨诱导能力强，用于不负重骨缺损处的充填修复。

2、将上述制备的纳米氧化锆颗粒60克和羟基磷灰石粉末49.7克混合成复合粉末，另取90毫升去离子水，加入0.6克聚乙烯醇粘合剂，混匀，再加入上述复合粉末，在微粒球磨机上混磨4小时，磨球为氧化锆球，混磨后的料浆倒入盛料槽中；选用孔隙率92％，孔径300μm的聚氨酯海绵，先用50％NaOH碱液处理，再浸入料浆中，而后将浸有料浆的海绵取出，通过碾轮将海绵中的多余料浆碾出；被料浆包裹的海绵成型体置室温干燥12小时后，再在烘箱中干燥；然后将其在烧结炉中预烧，升温速度为：室温至180℃为2℃/分钟，180℃至400℃为1℃/分钟，400至600℃为1.2℃/分钟；预烧后再将其升温至1200℃，升温速度为3℃/分钟，并保温半小时，再继续升温至1350℃，升温速度为1.6℃/分钟，保温2小时，制得孔隙率为93％的多孔陶瓷，孔径大小在200～350μm之间，抗压强度2.4MPa。其纳米氧化锆和β-磷酸钙含量适中，接近人体松质骨强度，骨诱导能力较强，可用于松质骨骨缺损的修复。

3、将上述制备的纳米氧化锆颗粒140克和羟基磷灰石粉末5.5克混合成复合粉末，另取74毫升去离子水，加入0.5克聚乙烯醇粘合剂，混匀，再加入上述复合粉末，在微粒球磨机上混磨4小时，磨球为氧化锆球，混磨后的料浆倒入盛料槽中；选用孔隙率92％，孔径350μm的聚氨酯海绵，先用50％NaOH碱液处理，再浸入料浆中，而后将浸有料浆的海绵取出，通过碾轮将海绵中的多余料浆碾出；被料浆包裹的海绵成型体置室温干燥12小时后，再在烘箱中干燥；然后将其在烧结炉中预烧，升温速度为：室温至180℃为2℃/分钟，180℃至400℃为1℃/分钟，400至600℃为1.2℃/分钟；预烧后再将其升温至1200℃，升温速度为3℃/分钟，并保温半小时，再继续升温至1350℃，升温速度为1.6℃/分钟，保温2小时，制得孔隙率为93％的多孔陶瓷，孔径大小在300～500μm之间，抗压强度19MPa。其纳米氧化锆含量高，强度大韧性强；β-磷酸钙含量低，骨诱导能力较弱，用于负重骨缺损处的支撑修复或者作为人工椎体。

将上述制备的各种纳米氧化锆强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨支架用高压蒸汽或其它方法消毒后，就可作为体外细胞培养支架。例如，将消毒好的人工骨支架置于含有细胞的培养基内培养，细胞遂爬行长入支架的孔隙内。如果选用成骨细胞培养，就可将复合有成骨细胞的人工骨支架直接植入骨缺损部位，可提高骨修复速度。

Claims (3)

1、纳米氧化锆强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨支架的制备方法，其特征在于操作步骤如下：

(1)制备针状羟基磷灰石粉末

将CaCO₃和CaHPO₄·2H₂O按Ca/P摩尔比1.67混合作为原料，加入去离子水和氧化锆磨球，以原料∶磨球∶水质量比为1∶3∶2.2在球磨罐中高速球磨24小时，将混合料移入水热反应釜中，反应温度为120℃，压力为3MPa，反应40分钟之后将混合料取出，恒温干燥后在800℃煅烧2小时，获得针状羟基磷灰石粉末；

(2)制备纳米氧化锆颗粒

将ZrOCl₂·8H₂O和Y₂O₃按摩尔比97∶3混合，混合物与水按质量比为9∶10溶入40℃去离子水中，过滤去除杂质，获得Zr⁴⁺和Y³⁺离子溶液备用；以该离子溶液两倍体积量的40℃去离子水作为基液，将上述Zr⁴⁺和Y³⁺离子溶液和3N的氨水同时滴入基液中，并不断搅拌，待沉淀完全后再继续搅拌半小时；过滤，沉淀分别用去离子水和分析纯乙醇洗，直至AgNO₃检测过滤液中无氯离子；将沉淀烘干，干燥后粉末过80目筛，于800℃煅烧1小时，冷却后过200目筛，制得的ZrO₂(Y₂O₃)复合粉末，此为纳米氧化锆颗粒；

(3)制备纳米氧化锆强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨支架

将上述纳米氧化锆颗粒和针状羟基磷灰石粉末按1-98∶99-2比例混合，加入适量的去离子水，在微粒球磨机上混磨4小时得料浆，磨球为氧化锆球；选用相应孔隙率和孔径的聚氨酯海绵，用50％NaOH处理后浸入料浆，再取出海绵挤压出多余料浆，干燥后置烧结炉中烧结，升温速度为：室温至180℃为2℃/分钟，180℃至400℃为1℃/分钟，400℃至600℃为1.2℃/分钟；然后再将其升温至1200℃，升温速度为3℃/分钟，并保温半小时，再继续升温至1350℃，升温速度为1.6℃/分钟，保温2小时，得纳米氧化锆强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨支架。

2、权利要求1所述方法制备的纳米氧化锆强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨支架。

3、按权利要求2所述纳米氧化锆强韧化高孔隙率磷酸钙人工骨支架作为骨组织损伤修复材料或体外细胞培养支架的应用。