CN103272279A - 一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料、制备方法及应用。异质离子分别摻杂的β-磷酸三钙、硅酸钙交替包裹而成的多层化微球。将异质离子摻杂的β-磷酸三钙、硅酸钙粉体分别分散于海藻酸盐水溶胶中形成糊状物，并分别置入与同轴多层管状喷头相连的各个储液池中，将各储液池中的糊状物同步推射到多层管状喷头出口并形成同心的多层化糊状物液滴，将该糊状物液滴用无机钙盐水溶液接收并干燥、煅烧而成。该微球在生理液中降解速度呈快-慢交替特征，逐层降解时释放无机离子组合物，微球的颗粒度、各层厚度以及无机离子释放速率容易控制。可在骨缺损修复以及骨再生医学中应用。

Description

一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及生物医用材料，尤其是涉及一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料、制备方法及应用。

背景技术

因机械力所致的骨缺损、骨质疏松所致的骨流失和骨折、肿瘤和炎症所致的骨组织坏死等一系列骨损伤的快速、完全再生修复是目前临床医学的难题。Larry Hench教授率先发现了一种由CaO、SiO₂ 、P₂O₅和Na₂O组分的化合物烧制而成的玻璃粉末在骨损伤组织内诱导类骨磷灰石沉积，能与活体骨组织形成骨性化学键合，并发展成为临床应用的骨修复材料(45S5 Bioglass®)。这一材料的发现，使得人们对生物活性材料的设计获得了全新的认识。迄今人们已经发现不少以钙-硅(CaO-SiO₂) 和钙-磷(CaO-P₂O₅)为基质的无机材料能与骨组织直接骨性结合，不会出现以往惰性材料-组织界面间的非黏连纤维隔膜。现有技术中，各种磷酸钙材料如羟基磷灰石(HA)、β-磷酸三钙(β-TCP)、磷酸四钙(CCPD)或者无水磷酸钙等以烧结致密或多孔块体、生理液调和形成的糊状物或者与骨基质胶原蛋白复合的仿生骨材料被应用于临床。通常，临床骨缺损填充用HA颗粒或者块状材料制品降解极为缓慢，传导骨再生能力相当有限，应用大大受限。β-TCP也被广泛研究报道，其陶瓷材料目前已经在骨缺损填充修复中得到应用。但是，这种材料损伤修复以爬行替代为主，也存在降解缓慢、修复期长等重要问题。近来，中国专利CN1456534公开的一种多孔磷酸钙陶瓷旨在提高新生骨组织长入速度并加速材料降解，但是成骨相关(干)细胞对材料响应性差等根本问题尚未解决，新生组织长入孔道以爬行替代为主，骨缺损再生修复时间长。

在现有技术中，45S5 Bioglass®尽管在诱导类骨磷灰石沉积能力、与宿主骨组织键合强度和促进成骨细胞增殖分化方面显示优良的效果，而且溶出的硅、钙和磷离子还能激活成骨细胞中大量转录因子和细胞周期调节因子表达，并促进碱性磷酸酶和骨钙蛋白等与骨形成相关的蛋白快速地表达，但是以45S5 Bioglass®为代表的生物活性玻璃类材料降解与组织再生速率不能很好协同匹配。又如中国专利CN1389184A公开了一种以无机元素硅为主要活性诱导物质、钙和磷元素为协同活性物质、有机聚合物为载体的多孔块体材料，这种材料显示出主动诱导人体成骨细胞增殖、分化和骨形成相关基因和蛋白表达，骨形成速度加快等效果。但是在制备方法上通过对含硅、钙、磷等成分的不同物质进行机械组合筛选，并通过机械球磨方式制备不同尺度的无机粉体颗粒，这样的制备方法难以控制材料微颗粒度、材料制品的降解速度和生物活性离子的溶出速度，很难获得对成骨细胞产生最佳刺激所需成分配伍的活性材料。

随着材料学、化学、细胞生物学、组织病理学以及再生医学的发展，人们发现，不仅由钙、硅、磷三种成分按适当比例加工制备的材料具有优良的细胞诱导活性，而且人体健康所必需的一些微量元素，如硅能激活成骨细胞基因表达(Xynos I.D., Biochem. Biophys. Res. Commun. 2000, 276, 461)；锶能调节骨骼内钙浓度和骨代谢(Marie P.J.,Calcif. Tissue Int. 2001, 69, 121)；硅和锶能改善骨矿物密度和防治骨质疏松(Jugdaohsingh R., J Bone Miner Res. 2004, 19, 297；McNaughton S.A., Bri. J. Nutr. 2005, 94, 813-817; Tournis S., N. Y. Acad. Sci. 2006,1092,403)；镁摄入不足引起钙代谢失调并造成骨强度下降(Heroux O., Can. J. Pharmacol. 1975, 53, 304)；锌能增加碱性磷酸酶活性并提高DNA含量、改善骨骼强度(Ovesen J., Bone, 2001, 29, 565; Yamaguchi M., Biochem. Pharmacol. 1986, 35, 773)，还显示出抑制破骨细胞骨吸收活性等效应(Moonga B.S., J. Bone Miner. Res. 1995, 10, 453)。同时，近年来的研究也证实，硅、锶、镁或者锌被掺入磷酸钙材料后能改善材料骨缺损修复效果(Pietal A.M., Biomaterials 2007, 28, 4023; Wong C.T., J Biomed. Mater Res. 2004, 513; Ishikawa K., Biomaterials 2002, 23, 423；Serre C.M., J Biomed. Mater. Res. 1998, 42, 626)。但是，相关研究结果也证实硅、锶、镁和锌等微量元素对成骨细胞活性和骨组织生长代谢调节存在显著剂量依赖关系，从植入材料中释放过高剂量的硅、锶、镁和锌会引起细胞毒性或者造成其它离子代谢失调。现有技术中，不少研究者试图通过掺杂等途径在β-TCP或者HA中引入硅、锶、镁或锌等生物活性物质，提高材料的细胞诱导活性，促进细胞增殖和基因表达，加快骨缺损再生修复和材料降解速度。但是，材料的降解性并不能与骨再生速率匹配。

近年来，一些学者在钙-硅基(CaO-SiO₂)生物材料的开拓性研究中发现，硅酸钙(俗名硅灰石，CaSiO₃)等具有促进成骨相关(干)细胞生长、增殖等生物活性效应(Zhai W, et al. Acta Biomater.2012; 8: 341； Wu C, et al, Biomaterials, 2005, 26: 2925)；含镁、锌的硅酸钙盐(如镁黄长石、锌黄长石)在促进血管化、骨再生方面显示极为优良的生物学效应(Xia L, et al. Europ Cells Mater. 2011, 22:68；Liu Q, et al. Biomaterials, 2008,29:4792； Gu H, et al. Biomaterials. 2011; 32:7023.)。但是相关研究也发现，纯硅灰石多孔陶瓷降解速率快于新骨生长速度而难以实现协同匹配的骨再生，与β-磷酸三钙等机械混合构建的多孔复合陶瓷材料的降解性才得以改善(Xu S, et al. Biomaterials, 2008; 29: 2588；Wang C, et al. Acta Biomaterialia, 2012; 8:350；Lin K, et al. Biomed Mater.2009,4:065009.)。同样，这样的机械式复合仍然难以满足骨损伤再生过程不同阶段对材料生物活性、降解性以及孔道网络拓展演化的特定需求。

在迄今钙硅酸盐、钙磷酸盐类生物活性复合材料研究中，尚未有针对降解性广域调节，尤其是实现以降解速率呈现阶段性“快-慢”交替波动特征的材料设计，以满足骨再生过程对材料多孔网络拓展、演化相匹配的需求，以及由此建立的阶段性不同无机矿物质离子组合物释放刺激并促进骨再生的完成的报道。

根据现有专利技术、临床应用文献报道来看，迫切需要探索在化学组成、微结构构造以及生物学效应上均满足临床上人体骨缺损实现快速、完全修复更为理想的可降解生物诱导活性材料，这样的材料必须不仅具备在细胞及分子水平上实现对成骨相关(干)细胞增殖和分化的主动调控，激活与骨再生相关的基因快速表达，实现在宿主分子、细胞和组织上接受植入体提供的“活性因子”准确调控和应答，达到缺损组织自我快速修复并重建相关生理机能的生物活性，同时材料中诱导活性物质的释放速度同材料与组织界面接触区域的降解速度呈现阶段性波动特征，以达到对骨缺损再生修复协同匹配的最佳效果。中国专利ZL200610049179.5中运用层-层组装技术制备了一种以硅凝胶纳米球为内核载体，磷酸钙盐为外壳，多元微量元素协同组装的壳-核多层微结构纳米颗粒材料，该法首次解决了多元活性物质协同组装的难题，实现了多元微量元素协同控制释放的优良效果，但是在制备方法上自主调控硅凝胶纳米球颗粒载体降解速度的技术手段仍然有限，因而该材料存在降解进程与骨损伤速度协调匹配不足的问题。中国专利ZL200810121187.5中运用湿化学工艺实现了多元微量元素协同摻杂磷酸钙多孔微球材料的制备，但是在活体骨组织内磷酸钙逐渐转化成为更为稳定的磷灰石相，因而存在早期修复较快但是因材料降解速率下降而造成骨完全修复时间也较长的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料、制备方法及应用，能够明显促进骨损伤快速、完全再生修复的多层化复相陶瓷微球材料。

本发明采用的技术方案是：

一、本发明的生物活性多层化复相陶瓷微球材料：

本发明它是由异质离子摻杂的β-磷酸三钙和异质离子摻杂的硅酸钙交替包裹而成的多层化复相陶瓷微球，异质离子镁、锶、锌的一种或任意二种或三种替代钙，硅替代磷，微球的颗粒度为300 μm~4 mm；多层化复相陶瓷微球中掺杂硅、锶、锌和镁的质量百分含量分别为0~2.0%、0~1.5%、0~1.5%和0~5.0%，并且掺杂的锶、锌和镁中至少一种不为0。

所述的硅酸钙是β-硅酸钙、α-硅酸钙或任意比例的复合物。

所述的多层化复相陶瓷微球是由两层构成：β-磷酸三钙核层-硅酸钙外壳层，或硅酸钙核层-β-磷酸三钙外壳层；或者由三层构成：β-磷酸三钙核层-硅酸钙内壳层-β-磷酸三钙外壳层，或硅酸钙核层-β-磷酸三钙内壳层-硅酸钙外壳层；或者由四层构成：β-磷酸三钙核层-硅酸钙内壳层-β-磷酸三钙次外壳层-硅酸钙外壳层，或硅酸钙核层-β-磷酸三钙内壳层-硅酸钙次外壳层-β-磷酸三钙外壳层，微球中不存在严格的层数和各层厚度限制。

二、本发明的生物活性多层化复相陶瓷微球材料的制备方法，包括以下步骤：

1) 将含异质离子无机盐和无机钙盐的混合水溶液滴入到pH为10.2~11.0的含PO₄ ^3-、SiO₃ ^2-无机盐水溶液中，Ca²⁺和异质离子总的摩尔浓度与PO₄ ^3-和SiO₃ ^2-的总摩尔浓度为之比为3:2, Ca²⁺与异质离子的摩尔浓度之比1:(0.02~0.2)，PO₄ ^3-与SiO₃ ^2-的摩尔浓度为之1:(0~0.2)，持续搅拌并将反应沉积物过滤、去离子水洗涤后，再用无水乙醇洗涤，烘干，经700~1300^oC下煅烧和球磨处理，从而获得异质离子摻杂的β-磷酸三钙粉体；

2) 将总摩尔浓度为0.1~0.35 mol/L的无机钙盐和异质离子无机盐的混合水溶液滴入到等摩尔浓度pH值为10.2~10.8的含SiO₃ ^2-无机盐水溶液中，Ca²⁺与异质离子的摩尔浓度之比1:(0.01~0.20)，将反应沉积物过滤、去离子水洗涤后，再用无水乙醇洗涤，烘干，经700~1280^oC下煅烧和球磨处理，从而获得异质离子摻杂的硅酸钙粉体；

3) 将异质离子摻杂β-磷酸三钙粉体、硅酸钙粉体分别分散到浓度为0.3~ 3.5%的海藻酸钠水溶胶中，搅拌形成糊状物，粉体在水溶胶中的质量百分含量均为5~45%；再将两种糊状物分别置入分别与同轴多层管状喷头相连的各个储液池中，再同步推射到喷头口形成同心的多层化糊状物液滴，保证糊状物液滴中相邻层无机盐互不相同，再将该多层化糊状物液滴用含0.05~0.2 mol/L钙离子的无机盐水溶液接收形成凝固微球颗粒，再将该凝固微球颗粒干燥出去水分，在700~1300^oC下煅烧处理，从而得到多层化复相陶瓷微球材料。

所述的无机钙盐是Ca(CH₃COO)₂、CaCl₂、Ca(NO₃)₂中的一种或者几者的任意组合；所述的异质离子无机盐是SrCl₂、Sr(NO₃)₂、ZnCl₂、Zn(NO₃)₂、MgCl₂和Mg(NO₃)₂中的一种或者几者的任意组合。

所述的含PO₄ ^3-的无机盐是Na₃PO₄、Na₂HPO₄·2H₂O、(NH₄)₂HPO₄或者任意间的组合；所述的含SiO₃ ^2-的无机盐是Na₂SiO₃。

三、一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料的应用：

在骨科，口腔科，整形外科，颌面外科，脑外科或五官科的骨缺损原位修复和骨再生医学中的应用。

本发明制备过程中，通过改变海藻酸钠水溶胶中异质离子摻杂β-磷酸三钙、硅酸钙的质量百分数可以调节微球中各层的厚度。

本发明制备过程中，通过改变海藻酸钠水溶胶中海藻酸钠的浓度可以调节微球颗粒尺寸。

本发明对掺杂锶、锌和镁活性物质所使用的无机盐均不存在严格的种类、比例和配伍限制，不局限于上述的SrCl₂、Sr(NO₃)₂、ZnCl₂、Zn(NO₃)₂、MgCl₂、和Mg(NO₃)₂。

本发明对生物活性多层化复相陶瓷微球的层数不存在严格的数量限制，不局限于上述的两层、三层和四层。

本发明具有的有益效果是：

1）在组成上，硅酸钙和β-磷酸三钙都是易于实现单一或者多元异质离子摻杂，具有优异的生物相容性，因而有利于制备促进骨再生的人工骨修复材料。

2）在微结构上，异质离子掺杂硅酸钙、β-磷酸三钙硅酸钙按多层化交替包裹形成球形颗粒材料，为调控材料的降解性提供了便利；同时，按具有规则形态的球形颗粒设计的材料，填充到骨损伤部位后不会因尖锐棱角损伤宿主组织、细胞造成强烈的急性或者慢性炎症反应，微球颗粒紧密堆砌体内部能形成完全相互贯通的多孔网络，有利于细胞迁移、血管再生。

3）在生物学效应上，以降解速率慢于骨再生速率的异质离子掺杂β-磷酸三钙与降解速率略快于骨再生速率的异质离子掺杂硅酸钙交替包裹形成的多层化微球为骨损伤修复材料或者骨组织工程支架，各层的厚度和降解速率能自主调节，从而设计出微球堆砌体多孔网络按“快-慢”交替动态扩张功能，与宿主骨最佳再生速率相匹配的多孔网络拓展速率实现完全契合；同时，各层降解过程中同步释放的多元生物活性无机矿物质离子组合物能进一步激活与成骨相关(干)细胞的骨再生密切相关基因和蛋白质的高效表达，快速刺激骨缺损再生修复，尤其是能改善骨质疏松、骨坏死等严重病理条件下新骨发育的临床难题。

4）在可操作性上，具有规则形态的微球颗粒材料可以填充具有任意三维形态的骨缺损。

因此，这种促骨再生修复的高生物活性材料显著的特征是: 经降解性存在较大差异的两相无机盐钙磷酸盐和钙硅酸盐交替包裹形成复相陶瓷微球，同时部分钙、磷被骨代谢生理必需的高生物活性异质离子代替，从而实现微球堆砌体多孔网络根据骨再生过程对孔道及其贯通性扩张速率的最佳需求实现“快-慢”交替的扩展，极大地改进了常规机械杂化、原位复合等复相陶瓷生物活性与降解性难以协同匹配地实现快速、完全骨再生需求的重大问题。同时，本发明的材料制备是基于常规的湿化学过程和煅烧处理粉体合成工艺并结合简易的多喷头微球制粒和煅烧处理方法，制备工艺简单，微球颗粒度和各层厚度均易于调节和剪裁，多层化微球材料中各相的理化性能和生物学效应独立调节、控制简便，该材料根据微球尺度控制，极为有利于包括微创可注射治疗、直接填充修复和骨再生组织工程在内的多种应用需求。

本发明的生物活性磷酸钙多孔颗粒材料可以在骨科，口腔科，整形外科，颌面外科，脑外科或五官科的骨缺损修复以及骨再生医学中的应用。

附图说明

图1是锌掺杂β-硅酸钙粉体的XRD图。

图2是锶摻杂β-磷酸三钙粉体的XRD图。

图3是从接收液分离出来的微球数码照片图。

图4是经冷冻-干燥处理后的微球数码照片图。

图5是锌摻杂β-硅酸钙为核层、锶摻杂β-磷酸三钙为壳层的复相陶瓷微球断面形貌SEM照片。

具体实施方式

下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但这些实例并不限制本发明的范围，凡基于本发明上述内容所实现的技术和制备的材料均属于本发明的保护范围。实施例所使用试剂纯度均不低于其分析纯试剂纯度指标。

实施例1：【锌摻杂β-硅酸钙为核层、锶摻杂β-磷酸三钙为壳层的复相陶瓷微球】

1) 将500 mL的0.275 mol/L CaCl₂、0.025 mol/L SrCl₂水溶液的pH值调节到为10.8，再将该溶液逐滴滴加到pH为10.8、体积为500 mL的 0.2 mol/L (NH₄)₂HPO₄无机盐水溶液中，滴加完毕后继续搅拌30分钟，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤后4次，再用无水乙醇洗涤2次，80^oC烘干，经850^oC下煅烧3小时，再球磨3小时，从而获得颗粒度在2~6 μm的锶摻杂β-磷酸三钙粉体。经X-射线衍射测试，所得粉体的衍射峰（如图1所示）与β-磷酸三钙的衍射峰一致，表明合成粉体的物相为β-磷酸三钙，经原子吸收光谱分析测试，粉体中锶含量为0.35%。

2) 将500 mL的0.265 mol/L CaCl₂、0.035 mol/L ZnCl₂水溶液的pH值调节到为10.4，再将该溶液逐滴滴加到pH为10.5、体积为500 mL的 0.3 mol/L Na₂SiO₃水溶液中，滴加完毕后继续搅拌90分钟，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤2次，在70^oC下烘干，经800^oC下煅烧2小时，再球磨3小时，从而获得颗粒度在2~6 μm的锌摻杂硅酸钙粉体。经X-射线衍射测试（如图2所示），证明该粉体物相为β-硅酸钙，经原子吸收光谱分析测试，粉体中锌含量为1.99%。

3) 将锌摻杂β-硅酸钙、锶摻杂β-磷酸三钙粉体粉体各3 g分别分散到浓度为2%的海藻酸钠水溶胶10 mL中，搅拌形成两种糊状物。再将两种糊状物分别置入分别与内外两层同轴管状喷头相连的两个储液池中，再将两个储液池中的糊状物同步推射到喷头口形成同心的核-壳结构糊状物液滴，再将该糊状物液滴加到90转/分钟的温和磁力搅拌0.1 mol/L CaCl₂溶液中，接收液中的钙离子与糊状物液滴表面层海藻酸根快速反应形成凝固微球颗粒（如图3所示），再将该凝固微球颗粒采用冷冻干燥处理（如图4所示），然后在950^oC下煅烧3小时，从而得到由锌摻杂β-硅酸钙为核层、锶摻杂β-磷酸三钙为壳层的复相陶瓷微球材料。将扫面电镜(SEM)观察可见微球界面区域呈明显的两种晶粒形态，内壳层的β-硅酸钙相中经高温烧结析出部分晶须样纳米晶，外壳层β-磷酸三钙则为典型陶瓷非致密烧结微结构，同时，核层直径约为1120 μm，壳层厚度为380 μm（如图5所示）。经原子吸收光谱分析测定，微球中锌含量为0.98%，锶含量为0.14%。

实施例2：【镁摻杂β-磷酸三钙为核层、锶摻杂β-硅酸钙为壳层的复相陶瓷微球】

1) 将500 mL的0.28 mol/L CaCl₂、0.08 mol/L MgCl₂水溶液的pH值调节到为10.6，再将该溶液逐滴滴加到pH为10.6、体积为500 mL的 0.24 mol/L Na₂HPO₄·2H₂O无机盐水溶液中，滴加完毕后继续搅拌45分钟，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤后3次，再用无水乙醇洗涤1次，80^oC烘干，经900^oC下煅烧3小时，再球磨4小时，从而获得颗粒度在2~6 μm的粉体，经X-射线衍射测试证明粉体的物相为β-磷酸三钙。经原子吸收光谱分析测试，该β-磷酸三钙粉体中镁含量为8.34%。

2) 将500 mL的0.25 mol/L CaCl₂、0.05 mol/L SrCl₂水溶液的pH值调节到为10.5，再将该溶液逐滴滴加到pH为10.5、体积为500 mL的 0.3 mol/L Na₂SiO₃水溶液中，滴加完毕后继续搅拌90分钟，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤4次，再用无水乙醇洗涤1次，在80^oC下烘干，经900^oC下煅烧3小时，再球磨3小时，从而获得颗粒度在2~6 μm的锶摻杂硅酸钙粉体。经X-射线衍射测试证明粉体物相为β-硅酸钙；经原子吸收光谱分析测试，该β-硅酸钙粉体中锶含量为2.89%。

3) 将镁摻杂β-磷酸三钙、锶摻杂β-硅酸钙粉体粉体各2.5 g分别分散到浓度为1.8%的海藻酸钠水溶胶10 mL中，搅拌形成两种糊状物。再将两种糊状物分别置入分别与内外两层同轴管状喷头相连的两个储液池中，再将两个储液池中的糊状物同步推射到喷头口形成同心的核-壳结构糊状物液滴，再将该糊状物液滴加到90转/分钟的温和磁力搅拌0.12 mol/L CaCl₂溶液中，接收液中的钙离子与糊状物液滴表面层海藻酸根快速反应形成凝固微球颗粒，再将该凝固微球颗粒采用冷冻干燥处理，并在980^oC下煅烧3小时，从而得到由镁摻杂β-磷酸三钙为核层、锶摻杂β-硅酸钙为壳层的复相陶瓷微球材料；同时，经SEM观察证明核层直径约为890 μm，壳层厚度为470 μm。经原子吸收光谱分析测定，微球中镁含量为4.82%，锶含量为1.40%。

实施例3：【由锶、镁摻杂β-磷酸三钙为核层和锶、锌摻杂α-硅酸钙为壳层的复相陶瓷微球】

1) 将500 mL的0.30 mol/L CaCl₂、0.01 mol/L SrCl₂、0.05 mol/L MgCl₂水溶液的pH值调节到为10.6，再将该溶液逐滴滴加到pH为10.6、体积为500 mL的 0.24 mol/L (NH₄)₂HPO₄无机盐水溶液中，滴加完毕后继续搅拌45分钟，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤后3次，再用无水乙醇洗涤1次，80^oC烘干，经850^oC下煅烧3小时，再球磨4小时，从而获得颗粒度在2~6 μm的粉体，经X-射线衍射测试，证明粉体为β-磷酸三钙。经原子吸收光谱分析测试，该β-磷酸三钙粉体中锶、镁含量分别为1.46%和5.84%。

2) 将500 mL的0.210 mol/L CaCl₂、0.025 mol/L SrCl₂、0.015 mol/L ZnCl₂水溶液的pH值调节到为10.4，再将该溶液逐滴滴加到pH为10.4、体积为500 mL的 0.25 mol/L Na₂SiO₃水溶液中，滴加完毕后继续搅拌30分钟，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤1次，在80^oC下烘干，经900^oC下煅烧3小时，再球磨3小时，从而获得颗粒度在2~6 μm的粉体。经X-射线衍射测试，证明粉体为β-硅酸钙；经原子吸收光谱分析测试，该β-硅酸钙粉体中锶、锌含量分别为1.49%和2.89%。

3) 将锶、镁摻杂β-磷酸三钙粉体2.4 g和锶、锌摻杂β-硅酸钙粉体3.0 g分别分散到浓度为1.6%的海藻酸钠水溶胶10 mL中，搅拌形成两种糊状物。再将两种糊状物分别置入分别与内外两层同轴管状喷头相连的两个储液池中，再将两个储液池中的糊状物同步推射到喷头口形成同心的核-壳结构糊状物液滴，再将该糊状物液滴加到90转/分钟的温和磁力搅拌0.15mol/L CaCl₂溶液中，接收液中的钙离子与糊状物液滴表面层海藻酸根快速反应形成凝固微球颗粒，再将该凝固微球颗粒采用冷冻干燥处理，并在1150^oC下煅烧3小时，经X-射线衍射测试，微球中含有β-磷酸三钙和α-硅酸钙相，表明糊状物中的β-硅酸钙经高温煅烧向α-硅酸钙转变，从而得到由锶、镁摻杂β-磷酸三钙为核层和锶、锌摻杂α-硅酸钙为壳层的复相陶瓷微球材料。同时，经SEM观察证明核层直径约为890 μm，壳层厚度为460 μm。经原子吸收光谱分析测定，微球中锌含量为1.42%，锶含量为1.48%，镁含量为1.77%。

实施例4：【锶、锌摻杂α-硅酸钙为核层和锶、镁、硅摻杂β-磷酸三钙为壳层的复相陶瓷微球】

1) 将500 mL的0.28 mol/L CaCl₂、0.04 mol/L SrCl₂、0.04 mol/L MgCl₂水溶液的pH值调节到为10.6，再将该溶液逐滴滴加到pH为10.6、体积为500 mL的 0.20 mol/L (NH₄)₂HPO₄和0.04 mol/L Na₂SiO₃混合水溶液中，滴加完毕后继续搅拌45分钟，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤后3次，再用无水乙醇洗涤1次，80^oC烘干，经900^oC下煅烧3小时，再球磨3小时，从而获得颗粒度在2~7 μm的粉体，经X-射线衍射测试，证明粉体为β-磷酸三钙。经原子吸收光谱分析测试，该β-磷酸三钙粉体中锶、镁、硅含量分别为2.34%、3.21%和0.64%。

2) 将500 mL的0.200 mol/L CaCl₂、0.010 mol/L SrCl₂、0.030 mol/L ZnCl₂水溶液的pH值调节到为10.4，再将该溶液逐滴滴加到pH为10.4、体积为500 mL的 0.25 mol/L Na₂SiO₃水溶液中，滴加完毕后继续搅拌30分钟，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤1次，在80^oC下烘干，经900^oC下煅烧3小时，再球磨3小时，从而获得颗粒度在2~6 μm的粉体。经X-射线衍射测试，证明粉体为β-硅酸钙；经原子吸收光谱分析测试，该β-硅酸钙粉体中锶、锌含量分别为0.81%和2.96%。

3) 将锶、锌摻杂β-硅酸钙粉体2.8 g和锶、镁、硅摻杂β-磷酸三钙粉体1.8 g分别分散到浓度为1.4%的海藻酸钠水溶胶10 mL中，搅拌形成两种糊状物。再将两种糊状物分别置入分别与内外两层同轴管状喷头相连的两个储液池中，再将两个储液池中的糊状物同步推射到喷头口形成同心的核-壳结构糊状物液滴，再将该糊状物液滴加到90转/分钟的温和磁力搅拌0.15 mol/L CaCl₂溶液中，接收液中的钙离子与糊状物液滴表面层海藻酸根快速反应形成凝固微球颗粒，再将该凝固微球颗粒采用冷冻干燥处理，并在1250^oC下煅烧3小时，经X-射线衍射测试，微球中含有β-磷酸三钙和α-硅酸钙相，表明糊状物中的β-硅酸钙经高温煅烧完全转化为α-硅酸钙，从而得到由锶、锌摻杂α-硅酸钙为核层和锶、镁、硅摻杂β-磷酸三钙为壳层的复相陶瓷微球材料。同时，经SEM观察证明核层直径约为720 μm，壳层厚度为250 μm。经原子吸收光谱分析测定，微球中锌含量为1.09%，锶含量为1.42%，镁含量为1.18%。

实施例5：【由硅、镁摻杂β-磷酸三钙为核层和锶、锌摻杂α-硅酸钙为壳层的复相陶瓷微球】

同实施例3，区别在于步骤1）中将500 mL的0.32 mol/L CaCl₂、0.02 mol/L MgCl₂水溶液的pH值调节到为10.6，再将该溶液逐滴滴加到pH为10.6、体积为500 mL的 0.22 mol/L (NH₄)₂HPO₄、0.02 mol/L Na₂SiO₃水溶液中，反应合成硅、镁掺杂β-磷酸三钙粉体用于核-壳结构复相陶瓷微球材料制备。经原子吸收光谱分析测试，该β-磷酸三钙粉体中硅、镁含量分别为0.19%和0.33%。同时，经SEM观察证明由硅、镁摻杂β-磷酸三钙为核层和锶、锌摻杂α-硅酸钙为壳层的复相陶瓷微球中核层直径约为870 μm，壳层厚度为490 μm。

实施例6：【锌摻杂β-硅酸钙为核层、锶摻杂β-磷酸三钙为内壳层、锌摻杂β-硅酸钙为外壳层的复相陶瓷微球】

同实施例1，区别在于步骤3）中将锌摻杂β-硅酸钙、锶摻杂β-磷酸三钙两种糊状物分别置入分别与内、中、外三层同轴管状喷头相连的三个储液池中，再将三个储液池中的糊状物同步推射到喷头口形成同心的核-壳结构糊状物液滴，再将该糊状物液滴加到90转/分钟的温和磁力搅拌0.1 mol/L CaCl₂溶液中，接收液中的钙离子与糊状物液滴表面层海藻酸根快速反应形成凝固微球颗粒，再将该凝固微球颗粒采用冷冻干燥处理，并在950^oC下煅烧3小时，从而得到由锌摻杂β-硅酸钙为核层、锶摻杂β-磷酸三钙为内壳层和锌摻杂β-硅酸钙为外壳层的三层化复相陶瓷微球材料。将SEM观察可见微球核层直径约为640 μm，内壳层厚度为270 μm，外壳层厚度为320 μm。

实施例7：【镁摻杂β-磷酸三钙为核层、锶摻杂β-硅酸钙为内壳层、镁摻杂β-磷酸三钙为外壳层的复相陶瓷微球】

同实施例2，区别在于步骤3）中将镁摻杂β-磷酸三钙、锶摻杂β-硅酸钙两种糊状物分别置入分别与内、中、外三层同轴管状喷头相连的三个储液池中，再将三个储液池中的糊状物同步推射到喷头口形成同心的核-壳结构糊状物液滴，再将该糊状物液滴加到90转/分钟的温和磁力搅拌0.12 mol/L CaCl₂溶液中，接收液中的钙离子与糊状物液滴表面层海藻酸根快速反应形成凝固微球颗粒，再将该凝固微球颗粒采用冷冻干燥处理，并在900^oC下煅烧3小时，从而得到由镁摻杂β-磷酸三钙为核层、锶摻杂β-硅酸钙为内壳层和镁摻杂β-磷酸三钙为外壳层的三层化复相陶瓷微球材料。将SEM观察可见微球核层直径约为740 μm，内壳层厚度为270 μm，外壳层厚度为320 μm。

实施例8：【由锶、镁摻杂β-磷酸三钙为核层，锶、锌摻杂α-硅酸钙为内壳层，锶、镁摻杂β-磷酸三钙为外壳层的复相陶瓷微球】

同实施例3，区别在于步骤3）将锶、镁摻杂β-磷酸三钙和锶、锌摻杂β-硅酸钙两种糊状物分别置入分别与内、中、外三层同轴管状喷头相连的三个储液池中，再将三个储液池中的糊状物同步推射到喷头口形成同心的核-壳结构糊状物液滴，再将该糊状物液滴加到90转/分钟的温和磁力搅拌0.10 mol/L CaCl₂溶液中，接收液中的钙离子与糊状物液滴表面层海藻酸根快速反应形成凝固微球颗粒，再将该凝固微球颗粒采用冷冻干燥处理，并在1220^oC下煅烧3小时；经X-射线衍射测试，糊状物中的β-硅酸钙经高温煅烧向α-硅酸钙相转化，从而得到由锶、镁摻杂β-磷酸三钙为核层、锶、锌摻杂α-硅酸钙内壳层和锶、镁摻杂β-磷酸三钙为外壳层的三层化复相陶瓷微球材料。将SEM观察可见微球核层直径约为870 μm，内壳层厚度为320 μm，外壳层厚度为420 μm。

实施例9：【锶、锌摻杂α/β-硅酸钙为核层，锶、镁、硅摻杂β-磷酸三钙为内壳层，锶、锌摻杂α/β-硅酸钙为外壳层的复相陶瓷微球】

同实施例4，区别在于步骤3）将锶、锌摻杂β-硅酸钙和锶、镁、硅摻杂β-磷酸三钙两种糊状物分别置入分别与内、中、外三层同轴管状喷头相连的三个储液池中，再将三个储液池中的糊状物同步推射到喷头口形成同心的核-壳结构糊状物液滴，再将该糊状物液滴加到90转/分钟的温和磁力搅拌0.07 mol/L CaCl₂溶液中，接收液中的钙离子与糊状物液滴表面层海藻酸根快速反应形成凝固微球颗粒，再将该凝固微球颗粒采用冷冻干燥处理，并在1190^oC下煅烧3小时；经X-射线衍射测试，糊状物中的β-硅酸钙经高温煅烧向α/β-硅酸钙两相复合转化，从而得到由锶、锌摻杂α/β-硅酸钙为核层，锶、镁、硅摻杂β-磷酸三钙和锶、锌摻杂α/β-硅酸钙为外壳层的三层化复相陶瓷微球材料，简记为：α/β-CS@β-TCP@α/β-CS。将SEM观察可见微球核层直径约为650 μm，内壳层厚度为300 μm，外壳层厚度为380 μm。

实施例10：【锶、镁、硅摻杂β-磷酸三钙为核层，锶、锌摻杂α/β-硅酸钙为内壳层，锶、镁、硅摻杂β-磷酸三钙为外壳层的复相陶瓷微球】

同实施例4，区别在于步骤3）将锶、镁、硅摻杂β-磷酸三钙和锶、锌摻杂β-硅酸钙两种糊状物分别置入分别与内、中、外三层同轴管状喷头相连的三个储液池中，再将三个储液池中的糊状物同步推射到喷头口形成同心的核-壳结构糊状物液滴，再将该糊状物液滴加到90转/分钟的温和磁力搅拌0.07 mol/L CaCl₂溶液中，接收液中的钙离子与糊状物液滴表面层海藻酸根快速反应形成凝固微球颗粒，再将该凝固微球颗粒采用冷冻干燥处理，并在1190^oC下煅烧3小时，从而得到由锶、镁、硅摻杂β-磷酸三钙为核层，锶、锌摻杂α/β-硅酸钙为内壳层和锶、镁、硅摻杂β-磷酸三钙为外壳层的三层化复相陶瓷微球材料，简记为β-TCP@α/β-CS@β-TCP。将SEM观察可见微球核层直径约为660 μm，内壳层厚度为290 μm，外壳层厚度为370 μm。

实施例11：【锌摻杂β-硅酸钙为核层、锶摻杂β-磷酸三钙为壳层的复相陶瓷微球】

同实施例1，区别在于步骤3）中将锌摻杂β-硅酸钙、锶摻杂β-磷酸三钙粉体各0.5 g分别分散到浓度为0.5%的海藻酸钠水溶胶9.4 mL中，将干燥后的微球在950^oC下煅烧2小时，从而得到由锌摻杂β-硅酸钙为核层、锶摻杂β-磷酸三钙为壳层的复相陶瓷微球材料。SEM观察可见微球直径约为306 μm，核层直径约为220 μm，壳层厚度约为40 μm。

实施例12：【镁摻杂β-磷酸三钙为核层、锶摻杂β-硅酸钙为壳层的复相陶瓷微球】

同实施例2，区别在于步骤3）中将镁摻杂β-磷酸三钙、锶摻杂β-硅酸钙粉体各4.5 g分别分散到浓度为3.5%的海藻酸钠水溶胶7.5 mL中，将干燥后的微球在900^oC下煅烧2小时，从而得到由镁摻杂β-磷酸三钙为核层、锶摻杂β-硅酸钙为壳层的复相陶瓷微球材料。游标卡尺测量可见微球的平均直径约为3.9 mm，SEM观察壳层厚度约为900 μm。

实施例13：

应用实施例9和实施例10制备的三层化复相陶瓷微球α/β-CS@β-TCP@ α/β-CS和β-TCP@ α/β-CS@β-TCP（即：两种内核、内壳层、外壳层组成物相刚好相反的微球材料）的骨损伤再生修复活性和降解性进行测试，具体如下：对微球颗粒样品进行高压蒸气灭菌，对30只24周龄健康雄性新西兰大白兔(体重3.4±0.2 Kg)等分为3组，经全身消毒灭菌后，在后腿股骨颈距关节头2.0 cm处沿骨干方向用骨钻造直径为6 mm、深度为8 mm的缺损，并且在同一动物背部切开皮层和肌肉层，分别建立骨缺损和肌肉包埋模型。第一、二两组分别填充实施例和实施例9制备的三层化复相陶瓷微球，第三组不填充材料，即为空白对照组，分别对骨缺损填充和肌肉下空腔进行充填，然后进行组织缝合，并注射静脉注射抗生素。标准条件下饲养第4、8和12周末分别对其活体X光测试后，并大体拍照，观察缺损修复效果。结果显示，空白对照组骨缺损修复效率极低，12周后骨修复率不到20%。同时，以α/β-CS、β-TCP分别为外壳层的微球骨缺损修复中：前者4周后微球堆砌网络内存在幼骨发育和丰富血管化发生，后者存在血管化，但是幼骨再生率较少；8周后，前者新骨再生率达到64%，后者为27%；12周后，前者骨缺损内微球几乎完全降解吸收，骨再生率达到90%以上，后者骨再生率为51%，仍存在大量直径减小的微球堆砌。近似的，以α/β-CS、β-TCP分别为外壳层的微球肌肉包埋模型内：4周时以α/β-CS为外壳层的前者微球内大量炎性细胞浸润，微球颗粒度下降20%，8周后微球颗粒度下降到78%，12周后微球颗粒仅约65微米，大量类似结缔组织充满微球孔隙；反之，4周时以β-TCP为外壳层的后者微球孔隙内也存在炎性细胞浸润，微球颗粒度下降约7%，8周后微球颗粒度下降到32%，12周后微球颗粒仅约270微米，少量类似结缔组织充满微球孔隙。以上动物模型研究表明，以降解速率略快于骨再生速率的硅酸钙为外壳层和内核层的三层化微球能快速促进骨缺损再生修复，材料也具有极为优良的降解效率，，但是以降解速率显著慢于骨再生速率的β-磷酸三钙为外壳层和内核层的三层化微球降解较慢，骨再生效率较低。

Claims (7)

1.一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料，其特征在于，它是由异质离子摻杂的β-磷酸三钙和异质离子摻杂的硅酸钙交替包裹而成的多层化复相陶瓷微球，异质离子镁、锶、锌的一种或任意二种或三种替代钙，硅替代磷，微球的颗粒度为300 μm~4 mm；多层化复相陶瓷微球中掺杂硅、锶、锌和镁的质量百分含量分别为0~2.0%、0~1.5%、0~1.5%和0~5.0%，并且掺杂的锶、锌和镁中至少一种不为0。

2.根据权利要求1所述的一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料，其特征在于，所述的硅酸钙是β-硅酸钙、α-硅酸钙或任意比例的复合物。

3.根据权利要求1所述的一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料，其特征在于，所述的多层化复相陶瓷微球是由两层构成：β-磷酸三钙核层-硅酸钙外壳层，或硅酸钙核层-β-磷酸三钙外壳层；或者由三层构成：β-磷酸三钙核层-硅酸钙内壳层-β-磷酸三钙外壳层，或硅酸钙核层-β-磷酸三钙内壳层-硅酸钙外壳层；或者由四层构成：β-磷酸三钙核层-硅酸钙内壳层-β-磷酸三钙次外壳层-硅酸钙外壳层，或硅酸钙核层-β-磷酸三钙内壳层-硅酸钙次外壳层-β-磷酸三钙外壳层，微球中不存在严格的层数和各层厚度限制。

4.根据权利要求1所述的一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1) 将含异质离子无机盐和无机钙盐的混合水溶液滴入到pH为10.2~11.0的含PO₄ ^3-、SiO₃ ^2-无机盐水溶液中，Ca²⁺和异质离子总的摩尔浓度与PO₄ ^3-和SiO₃ ^2-的总摩尔浓度为之比为3:2, Ca²⁺与异质离子的摩尔浓度之比1:(0.02~0.2)，PO₄ ^3-与SiO₃ ^2-的摩尔浓度为之1:(0~0.2)，持续搅拌并将反应沉积物过滤、去离子水洗涤后，再用无水乙醇洗涤，烘干，经700~1300^oC下煅烧和球磨处理，从而获得异质离子摻杂的β-磷酸三钙粉体；

2) 将总摩尔浓度为0.1~0.35 mol/L的无机钙盐和异质离子无机盐的混合水溶液滴入到等摩尔浓度pH值为10.2~10.8的含SiO₃ ^2-无机盐水溶液中，Ca²⁺与异质离子的摩尔浓度之比1:(0.01~0.20)，将反应沉积物过滤、去离子水洗涤后，再用无水乙醇洗涤，烘干，经700~1280^oC下煅烧和球磨处理，从而获得异质离子摻杂的硅酸钙粉体；

3) 将异质离子摻杂β-磷酸三钙粉体、硅酸钙粉体分别分散到浓度为0.3~ 3.5%的海藻酸钠水溶胶中，搅拌形成糊状物，粉体在水溶胶中的质量百分含量均为5~45%；再将两种糊状物分别置入分别与同轴多层管状喷头相连的各个储液池中，再同步推射到喷头口形成同心的多层化糊状物液滴，保证糊状物液滴中相邻层无机盐互不相同，再将该多层化糊状物液滴用含0.05~0.2 mol/L钙离子的无机盐水溶液接收形成凝固微球颗粒，再将该凝固微球颗粒干燥出去水分，在700~1300^oC下煅烧处理，从而得到多层化复相陶瓷微球材料。

5.根据权利要求4所述的一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料的制备方法，其特征在于：所述的无机钙盐是Ca(CH₃COO)₂、CaCl₂、Ca(NO₃)₂中的一种或者几者的任意组合；所述的异质离子无机盐是SrCl₂、Sr(NO₃)₂、ZnCl₂、Zn(NO₃)₂、MgCl₂和Mg(NO₃)₂中的一种或者几者的任意组合。

6.根据权利要求4所述的一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料的制备方法，其特征在于：所述的含PO₄ ^3-的无机盐是Na₃PO₄、Na₂HPO₄·2H₂O、(NH₄)₂HPO₄或者任意间的组合；所述的含SiO₃ ^2-的无机盐是Na₂SiO₃。

7.根据权利要求1所述的一种生物活性多层化复相陶瓷微球材料的应用，其特征在于：在骨科，口腔科，整形外科，颌面外科，脑外科或五官科的骨缺损原位修复和骨再生医学中的应用。

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