CN103565558A

CN103565558A - 高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架及其制备方法

Info

Publication number: CN103565558A
Application number: CN201310497141.4A
Authority: CN
Inventors: 连芩; 李涤尘; 陈成; 陈咏梅; 夏显超; 贺健康; 刘亚雄; 靳忠民; 王玲
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-10-21
Also published as: CN103565558B

Abstract

高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架及其制备方法，以双网络水凝胶作为软骨部分，以在长度方向上具有贯通管道的生物陶瓷支架作为骨支架部分。将连接介质一端插入位于加工模具内的第一层水凝胶溶液中，固化后得到第一层水凝胶，再将第一层水凝胶在第二层水凝胶溶液中浸泡、取出后固化，得到与连接介质一端固定的双网络水凝胶；再将连接介质另一端插入生物陶瓷支架的贯通管道内并用粘结介质固定，得到的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架。本发明制备方法简单，连接介质能保证软、硬材料的牢固连接，防止双网络水凝胶在生物陶瓷支架上脱层，解决了软、硬材料连接这一关键问题，且制得的复合支架且具有较好的力学性能和摩擦学性能。

Description

高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种组织工程支架及其制备方法，特别涉及一种高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架及其制备方法。

背景技术

中国每年骨缺损或骨损伤的患者约有350万，原因是由于退变、创伤、炎症等因素破坏关节软骨和其下方的软骨下骨板的结构与功能。根据缺损面积大小，分为大段缺损和小段缺损。组织工程发展以来，小面积的骨软骨缺损已经能够得到有效的治疗。但是目前，大段骨软骨缺损的修复治疗仍然是医学界的一个国际性难题。

双网络水凝胶具有较高的力学性能和良好的生物学性能，可以满足仿生软骨的力学和生物学要求。生物陶瓷/高分子复合材料也已被证实满足仿生骨的要求。将高强度水凝胶与陶瓷等材料组合制造的软骨组织工程为上述问题的解决提供了新的思路。但是在制备复合支架的过程中，存在着将软材料与硬材料，即双网络水凝胶和生物陶瓷连接的问题。现有的方法是通过结构的方式将其连接，但是由于双网络水凝胶含水特性和自身的成型方法的限制，该方法不宜采用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架及其制备方法，该方法解决了在制备复合支架中软材料和硬材料的连接这一关键问题，且制得的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架具有较好的力学性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法，包括以下步骤：

1）将第一层水凝胶溶液注入到加工模具中，将连接介质通过加工模具上的插入口插入到第一层水凝胶溶液中，固化成型，得到与连接介质一端固定的第一层水凝胶；再将第一层水凝胶放入第二层水凝胶溶液中浸泡，取出、固化成型，得到包裹有第一层水凝胶的第二层水凝胶；第一层水凝胶和第二层水凝胶组成双网络水凝胶，且连接介质的一端固定在双网络水凝胶内；

2）以步骤1）制得的双网络水凝胶作为软骨部分，以在长度方向上具有贯通管道的生物陶瓷支架作为骨支架部分，将连接介质的另一端插入到生物陶瓷支架的贯通管道内，使双网络水凝胶与生物陶瓷支架的一端相接触，再向贯通管道内灌注粘结介质，粘结介质固化后将连接介质与生物陶瓷支架连接在一起，得到高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架。

所述的连接介质为聚乳酸纤维、聚乳酸-羟基乙酸共聚物纤维或手术缝合线。

所述步骤1）中的第一层水凝胶溶液是将单体、引发剂、交联剂和水混合均匀后得到的，其中单体为2-丙烯酰胺-2-2-甲基-丙烷磺酸（AMPS）或纤维素；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)；引发剂为α-酮戊二酸、2-氧代戊二酸、过硫酸钠或过硫酸钾；第一层水凝胶溶液中单体的浓度为1mol/L，交联剂所占的质量分数为2～4%，引发剂所占的质量分数为0～0.1%；

所述步骤1）中的第二层水凝胶溶液是将单体、引发剂、交联剂和水混合均匀后得到的，其中单体为聚丙烯酰胺(AAm)、N,N-二甲基丙烯酰胺或明胶；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；引发剂为α-酮戊二酸、2-氧代戊二酸、过硫酸钠或过硫酸钾；第二层水凝胶溶液中单体的浓度为2mol/L，交联剂所占的质量分数为0～0.1%，引发剂所占的质量分数为0～0.1%；

所述的步骤1）中的浸泡时间为24～26h。

所述步骤1）中的固化成型采用紫外光照固化方式，使用的紫外灯能量为150～300mW，采用面光源，第一层水凝胶溶液的光照时间为30～50min，第二层水凝胶溶液的光照时间为30～50min。

所述步骤2）中的生物陶瓷支架是将生物陶瓷浆料真空灌注到生物陶瓷支架的负型模具中固化获得生物陶瓷素胚，或者利用快速原型技术将生物陶瓷浆料成型为生物陶瓷素胚；然后将生物陶瓷素胚冷冻干燥、去模、烧结得到的。

所述的生物陶瓷浆料是将陶瓷粉末、水、有机单体、分散剂和交联剂按(110～115):(60～70):(6～8):(1～2):(1～1.5)的质量比混合均匀后放入真空机中去除气泡，并用浓氨水调整其pH值到9，再加入质量分别为交联剂质量0.2～0.5倍的引发剂和催化剂后得到的；其中陶瓷粉末为直径为1.5～5微米的Beta-磷酸三钙（β-TCP）、Alpha-磷酸三钙（α-TCP）、磷灰石、碳酸钙或氧化铝；有机单体为丙烯酰胺或乙二酸二酰肼；分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺；交联剂为N,N-二亚甲基二丙烯酰胺、N,N-二丙酮基丙烯酰胺或二亚芐基丙酮基丙烯酰胺；引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾；催化剂为N,N,N,N,-四甲基乙二胺、N,N-二甲基环己二胺或五甲基二乙烯三胺；分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酸铵。

所述冷冻干燥时的真空度为2～3kPa，温度为-20℃，时间为24～48h；

所述烧结的具体操作是从室温升温至1150℃，在1150℃保温3h后再降至室温，其中升温、保温和降温的总时间为36～48h。

所述第一层水凝胶的厚度和表面积分别为双网络水凝胶的厚度和表面积的25～33%；第一层水凝胶的直径为4～8mm；双网络水凝胶的平均厚度为2～4mm；

所述生物陶瓷支架的高度为8～10mm，直径为8～10mm，生物陶瓷支架内贯通管道的直径为1mm～1.5mm，贯通管道的数量为20～35个。

所述步骤2）中的粘结介质为左旋聚乳酸（PLA），将左旋聚乳酸用氯仿、四氢呋喃或二氯甲烷溶解，配置成质量浓度为10%～15%的溶液后向贯通管道内灌注，或者采用熔融的方式将左旋聚乳酸加热至95℃～100℃，使其为熔融状态后向贯通管道内灌注。

所述的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法制得的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架为骨软骨结构复合支架，包括作为骨支架部分的在长度方向上具有贯通管道的生物陶瓷支架、作为软骨部分的双网络水凝胶、以及用于将双网络水凝胶固定在生物陶瓷支架一端的连接介质和粘结介质；其中连接介质的一端固定在双网络水凝胶内，另一端位于生物陶瓷支架的贯通管道内；粘结介质填充在贯通管道内将连接介质和生物陶瓷支架固定。

进一步的，在步骤1）进行前先设计出生物陶瓷支架的模型，和用于制备生物陶瓷支架的负型模具；同时设计出双网络水凝胶的加工模具，其中加工模具上开设有多个用于将生物陶瓷支架和双网络水凝胶连接在一起的连接介质的插入口，插入口的直径为3～4mm；然后利用快速原型技术制作出生物陶瓷支架的负型模具和双网络水凝胶的加工模具。

进一步的，将生物陶瓷浆料真空灌注到负型模具中时，在灌注过程中用六氟化硫（SF6）作为保护气体，避免生物陶瓷浆料与空气接触；利用快速原型技术将生物陶瓷浆料成型为生物陶瓷素胚是利用光固化快速成型机完成的，设置结构分层厚度为0.1mm，激光器的波长为355nm；光斑直径为0.2mm，充扫速度为6000mm/s；填充间距为0.10mm；支撑扫描速度为2000mm/s；跳跨速度为6000mm/s；轮廓扫描速度为2000mm/s；补偿直径为0.12mm；工作台升降为4.00mm/s，点支撑扫描时间为0.5ms。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法，采用具有贯通管道的生物陶瓷支架这种硬材料作为骨支架部分，以及双网络水凝胶这种软材料作为软骨部分，构建出一种骨软骨复合支架。在制备过程中，首先将连接介质的一端固化在双网络水凝胶的内部，得到与连接介质一端固定的双网络水凝胶；再将连接介质的另一端插入到生物陶瓷支架的贯通管道内，使双网络水凝胶与生物陶瓷支架的一端紧密接触，并用粘结介质将连接介质与生物陶瓷支架固定，最终实现双网络水凝胶这种软材料与生物陶瓷支架这种硬材料的复合连接，得到高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架。本发明制备方法简单，并且连接介质能够保证软、硬材料的牢固连接，防止双网络水凝胶在生物陶瓷支架上脱层，解决了在制备复合支架中软材料和硬材料的连接这一关键问题。同时，考虑到采用一般方法将双网络水凝胶以嵌入式连接的方式与生物陶瓷支架连接时，双网络水凝胶在成胶过程中会产生溶胀变形的问题，本发明中采用了连接介质，可避免将双网络水凝胶直接灌入生物陶瓷支架时产生的生物陶瓷支架胀裂现象；同时，本发明中向生物陶瓷支架中灌注粘结介质，可以达到增强生物陶瓷支架强度的效果，防止生物陶瓷支架陶瓷破碎。

本发明所制得的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架为骨软骨结构复合支架，包括作为骨支架部分的生物陶瓷支架，且作为软骨部分的双网络水凝胶通过连接介质和粘结介质紧密的固定在生物陶瓷支架的一端。由于本发明中使用双网络水凝胶作为软骨部分，双网络水凝胶具有较高的力学强度，双网络水凝胶的含水量为85～90%,其压缩弹性模量为0.4～0.9MPa，高出了一般软骨含水量为70～85%，弹性模量为0.45～0.80MPa的范围。相比于由目前已有的其他软骨材料（如胶原、PEGDA等）制备成的骨软骨支架，本发明制得的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架具有较好的力学性能和摩擦学性能。

进一步的，本发明使用具有一定力学强度的聚乳酸（PLA）纤维、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）纤维或手术缝合线这些生物材料作为连接介质，将这些连接介质的一端固化在具有较高力学强度的双网络水凝胶中，可以保证双网络水凝胶与连接介质的稳定连接。

进一步的，本发明在制备高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架时能够先根据不同的需求，设计出要制备的生物陶瓷支架的模型及其负型磨具和双网络水凝胶的加工磨具，不仅应用范围较广，而且针对性较强，制得的生物陶瓷支架精度也较高，更利于实际应用。

附图说明

图1是第一层水凝胶溶液与连接介质连接的原理图；

图2是高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的结构示意图；

其中：1为生物陶瓷支架、2为双网络水凝胶、3为连接介质、4为粘结介质、5为加工模具、6为第一层水凝胶溶液。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1和图2，根据本发明提供的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法制得的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架为骨软骨结构复合支架，包括作为骨支架部分的在长度方向上具有贯通管道的生物陶瓷支架、作为软骨部分的双网络水凝胶、以及用于将双网络水凝胶固定在生物陶瓷支架一端的连接介质和粘结介质；其中连接介质的一端固定在双网络水凝胶内，另一端位于生物陶瓷支架的贯通管道内；粘结介质填充在贯通管道内将连接介质和生物陶瓷支架固定。本发明提供的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架具有较好的力学性能和摩擦学性能，双网络水凝胶的含水量为85～90%,其缩弹性模量为0.4～0.9MPa。

本发明提供的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷仿生复合支架的制备方法，是基于以双网络水凝胶材料为高强度材料以及软材料和硬材料连接方法的不同，借助于连接介质3和粘结介质4，将双网络水凝胶2这一高强度软材料与生物陶瓷支架1这一硬材料连接起来，得到高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架。

双网络水凝胶由于其制备过程中的溶胀性，在其制作过程中对其曲面精度要求不高，尤其是第一层水凝胶的曲面精度，双网络水凝胶在最终成型后会达到软骨部分要求的大小，并尽量与所需的缺损软骨支架上表面的曲率相符合。本发明制备双网络水凝胶所用的加工模具5，需要根据双网络水凝胶的成胶特点、体积变化率，来设模具的结构大小，同时加工模具设计时需便于连接介质的插入。加工模具5曲面部分曲率与计算机设计的双网络水凝胶的曲率一致，加工模具5的平均厚度为1mm～2mm。

以下实施例中的生物陶瓷浆料的制备方法为：将陶瓷粉末、水、有机单体、分散剂和交联剂按(110～115):(60～70):(6～8):(1～2):(1～1.5)的质量比混合均匀后放入真空机中去除气泡，并用浓氨水调整其pH值到9，再加入质量分别为交联剂质量0.2～0.5倍的引发剂和催化剂，得到生物陶瓷浆料；其中陶瓷粉末为直径为1.5～5微米的Beta-磷酸三钙（β-TCP）、Alpha-磷酸三钙（α-TCP）、磷灰石、碳酸钙或氧化铝；有机单体为丙烯酰胺或乙二酸二酰肼；分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺；交联剂为N,N-二亚甲基二丙烯酰胺、N,N-二丙酮基丙烯酰胺或二亚芐基丙酮基丙烯酰胺；引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾；催化剂为N,N,N,N,-四甲基乙二胺、N,N-二甲基环己二胺或五甲基二乙烯三胺；分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酸铵。

实施例1

1）利用CAD技术设计出用于作为骨支架部分的生物陶瓷支架1的模型，和用于制备该生物陶瓷支架1的负型模具，其中生物陶瓷支架1在长度方向上具有贯通的多管道结构；保证生物陶瓷支架的管道是上下贯通的，便于后续步骤中连接介质的插入和粘结介质的灌注，生物陶瓷支架1的高度为9mm，直径为8mm，生物陶瓷支架内贯通管道的直径为1.2mm，贯通管道的数量为20个。同时通过计算机辅助设计出用于作为软骨部分的双网络水凝胶2的加工模具5，其中加工模具5上开设有多个用于将生物陶瓷支架和双网络水凝胶连接在一起的连接介质3的插入口，本实施例中连接介质3为聚乳酸纤维；然后利用快速原型技术制作出生物陶瓷支架1的负型模具和双网络水凝胶2的加工模具5；负型模具和加工模具结构精度的尺寸公差范围在±0.3mm之间；

2）将制备好的生物陶瓷浆料真空灌注到负型模具中固化获得生物陶瓷素胚，在灌注过程中用六氟化硫（SF₆）作为保护气体，避免生物陶瓷浆料与空气接触；然后将生物陶瓷素胚在真空度为3kPa、温度为-20℃的冷冻干燥机中冷冻干燥48h后去模，再高温烧结得到具有一定强度的含贯通管道的生物陶瓷支架1，其中高温烧结的具体操作是从室温升温至1150℃，在1150℃保温3h后再降至室温，升温、保温和降温的总时间为36h；

3）将单体、引发剂、交联剂和水混合均匀后得到第一层水凝胶溶液，其中单体为2-丙烯酰胺-2-2-甲基-丙烷磺酸（AMPS）；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)；引发剂为α-酮戊二酸；第一层水凝胶溶液中单体的浓度为1mol/L，交联剂所占的质量分数为2%，引发剂所占的质量分数为0.1%。将第一层水凝胶溶液6注入到加工模具5中，将连接介质3通过加工模具5上的插入口插入到第一层水凝胶溶液6中，采用紫外光照固化方式交联固化成型，使用的紫外灯能量为300mW，采用面光源，第一层水凝胶溶液的光照时间为30min，得到内部固定有连接介质一端的第一层水凝胶，第一层水凝胶的直径为4mm。

将单体、引发剂、交联剂和水混合均匀后得到第二层水凝胶溶液，其中单体为聚丙烯酰胺(AAm)；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）；引发剂为α-酮戊二酸；第二层水凝胶溶液中单体的浓度为2mol/L，交联剂所占的质量分数为0.1%，引发剂所占的质量分数为0.02%。将第一层水凝胶放入第二层水凝胶溶液中浸泡24h，然后取出，取出后其体积会增加到原来的4倍左右，手动修剪，保证其与生物陶瓷支架接触面的形状一致；用保鲜膜包裹，紫外光照固化成型，使用的紫外灯能量为250mW，采用面光源，第二层水凝胶溶液的光照时间为40min，得到包裹有第一层水凝胶的第二层水凝胶；第一层水凝胶和第二层水凝胶组成双网络水凝胶，且连接介质的一端固定在双网络水凝胶内；第一层水凝胶的厚度为双网络水凝胶的厚度的25%，第一层水凝胶的表面积为双网络水凝胶表面积的25%；双网络水凝胶的平均厚度为2mm。

4）再将连接介质3的另一端插入到生物陶瓷支架1的贯通管道内，使双网络水凝胶2与生物陶瓷支架1的一端相接触，将粘结介质左旋聚乳酸（PLA）用氯仿溶解，配置成质量浓度为10%的溶液后向贯通管道内灌注，粘结介质4固化后将连接介质3与生物陶瓷支架1连接在一起，得到高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架。

实施例2

1）利用CAD技术设计出用于作为骨支架部分的生物陶瓷支架1的模型，和用于制备该生物陶瓷支架1的负型模具，其中生物陶瓷支架1在长度方向上具有贯通的多管道结构；保证生物陶瓷支架的管道是上下贯通的，便于后续步骤中连接介质的插入和粘结介质的灌注，生物陶瓷支架1的高度为10mm，直径为10mm，生物陶瓷支架内贯通管道的直径为1mm，贯通管道的数量为35个。同时通过计算机辅助设计出用于作为软骨部分的双网络水凝胶2的加工模具5，其中加工模具5上开设有多个用于将生物陶瓷支架和双网络水凝胶连接在一起的连接介质3的插入口，本实施例中连接介质3为聚乳酸-羟基乙酸共聚物纤维；然后利用快速原型技术制作出生物陶瓷支架1的负型模具和双网络水凝胶2的加工模具5；负型模具和加工模具结构精度的尺寸公差范围在±0.3mm之间；

2）将制备好的生物陶瓷浆料真空灌注到负型模具中固化获得生物陶瓷素胚，在灌注过程中用六氟化硫（SF6）作为保护气体，避免生物陶瓷浆料与空气接触；然后将生物陶瓷素胚在真空度为2kPa、温度为-20℃的冷冻干燥机中冷冻干燥24h后去模，再高温烧结得到具有一定强度的含贯通管道的生物陶瓷支架1，其中高温烧结的具体操作是从室温升温至1150℃，在1150℃保温3h后再降至室温，升温、保温和降温的总时间为48h；

3）将单体、引发剂、交联剂和水混合均匀后得到第一层水凝胶溶液，其中单体为纤维素；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)；引发剂为过硫酸钠；第一层水凝胶溶液中单体的浓度为1mol/L，交联剂所占的质量分数为4%，引发剂所占的质量分数为0.05%。将第一层水凝胶溶液6注入到加工模具5中，将连接介质3通过加工模具5上的插入口插入到第一层水凝胶溶液6中，采用紫外光照固化方式交联固化成型，使用的紫外灯能量为150mW，采用面光源，第一层水凝胶溶液的光照时间为50min，得到内部固定有连接介质一端的第一层水凝胶，第一层水凝胶的直径为6mm。

将单体、引发剂、交联剂和水混合均匀后得到第二层水凝胶溶液，其中单体为明胶；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）；引发剂为过硫酸钾；第二层水凝胶溶液中单体的浓度为2mol/L，交联剂所占的质量分数为0.05%，引发剂所占的质量分数为0.1%。将第一层水凝胶放入第二层水凝胶溶液中浸泡25h，然后取出，取出后其体积会增加到原来的4倍左右，手动修剪，保证其与生物陶瓷支架接触面的形状一致；用保鲜膜包裹，紫外光照固化成型，使用的紫外灯能量为150mW，采用面光源，第二层水凝胶溶液的光照时间为50min，得到包裹有第一层水凝胶的第二层水凝胶；第一层水凝胶和第二层水凝胶组成双网络水凝胶，且连接介质的一端固定在双网络水凝胶内；第一层水凝胶的厚度为双网络水凝胶的厚度的33%，第一层水凝胶的表面积为双网络水凝胶表面积的30%；双网络水凝胶的平均厚度为3mm。

4）再将连接介质3的另一端插入到生物陶瓷支架1的贯通管道内，使双网络水凝胶2与生物陶瓷支架1的一端相接触，将粘结介质左旋聚乳酸（PLA）用二氯甲烷溶解，配置成质量浓度为15%的溶液后向贯通管道内灌注，粘结介质4固化后将连接介质3与生物陶瓷支架1连接在一起，再将水凝胶与陶瓷接触面手动修剪与陶瓷表面匹配，得到高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架。

实施例3

1）利用CAD技术设计出用于作为骨支架部分的生物陶瓷支架1的模型，和用于制备该生物陶瓷支架1的负型模具，其中生物陶瓷支架1在长度方向上具有贯通的多管道结构；保证生物陶瓷支架的管道是上下贯通的，便于后续步骤中连接介质的插入和粘结介质的灌注，生物陶瓷支架1的高度为8mm，直径为9mm，生物陶瓷支架内贯通管道的直径为1.5mm，贯通管道的数量为28个。同时通过计算机辅助设计出用于作为软骨部分的双网络水凝胶2的加工模具5，其中加工模具5上开设有多个用于将生物陶瓷支架和双网络水凝胶连接在一起的连接介质3的插入口，本实施例中连接介质3为手术缝合线；然后利用快速原型技术制作出生物陶瓷支架1的负型模具和双网络水凝胶2的加工模具5；负型模具和加工模具结构精度的尺寸公差范围在±0.3mm之间；

2）利用快速原型技术利用光固化快速成型机将制备好的生物陶瓷浆料成型为生物陶瓷素胚；设置光固化快速成型机的结构分层厚度为0.1mm，激光器的波长为355nm；光斑直径为0.2mm，充扫速度为6000mm/s；填充间距为0.10mm；支撑扫描速度为2000mm/s；跳跨速度为6000mm/s；轮廓扫描速度为2000mm/s；补偿直径为0.12mm；工作台升降为4.00mm/s，点支撑扫描时间为0.5ms；然后将生物陶瓷素胚在真空度为2.5kPa、温度为-20℃的冷冻干燥机中冷冻干燥36h后去模，再高温烧结得到具有一定强度的含贯通管道的生物陶瓷支架1，其中高温烧结的具体操作是从室温升温至1150℃，在1150℃保温3h后再降至室温，升温、保温和降温的总时间为42h；

3）将单体、引发剂、交联剂和水混合均匀后得到第一层水凝胶溶液，其中单体为2-丙烯酰胺-2-2-甲基-丙烷磺酸（AMPS）；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)；引发剂为2-氧代戊二酸；第一层水凝胶溶液中单体的浓度为1mol/L，交联剂所占的质量分数为3%，引发剂所占的质量分数为0.02%。将第一层水凝胶溶液6注入到加工模具5中，将连接介质3通过加工模具5上的插入口插入到第一层水凝胶溶液6中，采用紫外光照固化方式交联固化成型，使用的紫外灯能量为250mW，采用面光源，第一层水凝胶溶液的光照时间为40min，得到内部固定有连接介质一端的第一层水凝胶，第一层水凝胶的直径为8mm。

将单体、引发剂、交联剂和水混合均匀后得到第二层水凝胶溶液，其中单体为聚N,N-二甲基丙烯酰胺；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）；引发剂为过硫酸钠；第二层水凝胶溶液中单体的浓度为2mol/L，交联剂所占的质量分数为0.02%，引发剂所占的质量分数为0.05%。再将第一层水凝胶放入第二层水凝胶溶液中浸泡24h，然后取出，取出后其体积会增加到原来的4倍左右，手动修剪，保证其与生物陶瓷支架接触面的形状一致；用保鲜膜包裹，紫外光照固化成型，使用的紫外灯能量为300mW，采用面光源，第二层水凝胶溶液的光照时间为30min，得到包裹有第一层水凝胶的第二层水凝胶；第一层水凝胶和第二层水凝胶组成双网络水凝胶，且连接介质的一端固定在双网络水凝胶内；第一层水凝胶的厚度为双网络水凝胶的厚度的30%，第一层水凝胶的表面积为双网络水凝胶表面积的33%；双网络水凝胶的平均厚度为4mm。

4）再将连接介质3的另一端插入到生物陶瓷支架1的贯通管道内，使双网络水凝胶2与生物陶瓷支架1的一端相接触，采用熔融的方式将粘结介质左旋聚乳酸（PLA）加热至95℃，使其为熔融状态后向贯通管道内灌注，粘结介质4固化后将连接介质3与生物陶瓷支架1连接在一起，再将水凝胶与陶瓷接触面手动修剪与陶瓷表面匹配，得到高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架。

Claims

1.高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）将第一层水凝胶溶液（6）注入到加工模具（5）中，将连接介质（3）通过加工模具（5）上的插入口插入到第一层水凝胶溶液（6）中，固化成型，得到与连接介质一端固定的第一层水凝胶；再将第一层水凝胶放入第二层水凝胶溶液中浸泡，取出、固化成型，得到包裹有第一层水凝胶的第二层水凝胶；第一层水凝胶和第二层水凝胶组成双网络水凝胶（2），且连接介质的一端固定在双网络水凝胶（2）内；

2）以步骤1）制得的双网络水凝胶（2）作为软骨部分，以在长度方向上具有贯通管道的生物陶瓷支架（1）作为骨支架部分，将连接介质（3）的另一端插入到生物陶瓷支架（1）的贯通管道内，使双网络水凝胶（2）与生物陶瓷支架（1）的一端相接触，再向贯通管道内灌注粘结介质（4），粘结介质（4）固化后将连接介质（3）与生物陶瓷支架（1）连接在一起，得到高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架。

2.根据权利要求1所述的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法，其特征在于：所述的连接介质（3）为聚乳酸纤维、聚乳酸-羟基乙酸共聚物纤维或手术缝合线。

3.根据权利要求1所述的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的第一层水凝胶溶液是将单体、引发剂、交联剂和水混合均匀后得到的，其中单体为2-丙烯酰胺-2-2-甲基-丙烷磺酸或纤维素；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；引发剂为α-酮戊二酸、2-氧代戊二酸、过硫酸钠或过硫酸钾；第一层水凝胶溶液中单体的浓度为1mol/L，交联剂所占的质量分数为2～4%，引发剂所占的质量分数为0～0.1%；

所述步骤1）中的第二层水凝胶溶液是将单体、引发剂、交联剂和水混合均匀后得到的，其中单体为聚丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺或明胶；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；引发剂为α-酮戊二酸、2-氧代戊二酸、过硫酸钠或过硫酸钾；第二层水凝胶溶液中单体的浓度为2mol/L，交联剂所占的质量分数为0～0.1%，引发剂所占的质量分数为0～0.1%；

所述的步骤1）中的浸泡时间为24～26h。

4.根据权利要求1或3所述的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法，其特征在于:所述步骤1）中的固化成型采用紫外光照固化方式，使用的紫外灯能量为150～300mW，采用面光源，第一层水凝胶溶液的光照时间为30～50min，第二层水凝胶溶液的光照时间为30～50min。

5.根据权利要求1所述的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中的生物陶瓷支架（1）是将生物陶瓷浆料真空灌注到生物陶瓷支架的负型模具中固化获得生物陶瓷素胚，或者利用快速原型技术将生物陶瓷浆料成型为生物陶瓷素胚；然后将生物陶瓷素胚冷冻干燥、去模、烧结得到的。

6.根据权利要求5所述的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法，其特征在于：所述的生物陶瓷浆料是将陶瓷粉末、水、有机单体、分散剂和交联剂按(110～115):(60～70):(6～8):(1～2):(1～1.5)的质量比混合均匀后放入真空机中去除气泡，并用浓氨水调整其pH值到9，再加入质量分别为交联剂质量0.2～0.5倍的引发剂和催化剂后得到的；其中陶瓷粉末为直径为1.5～5微米的Beta-磷酸三钙、Alpha-磷酸三钙、磷灰石、碳酸钙或氧化铝；有机单体为丙烯酰胺或乙二酸二酰肼；分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺；交联剂为N,N-二亚甲基二丙烯酰胺、N,N-二丙酮基丙烯酰胺或二亚芐基丙酮基丙烯酰胺；引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾；催化剂为N,N,N,N,-四甲基乙二胺、N,N-二甲基环己二胺或五甲基二乙烯三胺；分散剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酸铵。

7.根据权利要求5或6所述的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法，其特征在于：所述冷冻干燥时的真空度为2～3kPa，温度为-20℃，时间为24～48h；

所述烧结的具体操作是从室温升温至1150℃，在1150℃保温3h后再降至室温。

8.根据权利要求1、2、3、5或6所述的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法，其特征在于：所述第一层水凝胶的厚度和表面积分别为双网络水凝胶的厚度和表面积的25～33%；第一层水凝胶的直径为4～8mm；双网络水凝胶的平均厚度为2～4mm；

所述生物陶瓷支架（1）的高度为8～10mm，直径为8～10mm，生物陶瓷支架内贯通管道的直径为1mm～1.5mm，贯通管道的数量为20～35个。

9.根据权利要求1、2、3、5或6所述的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中的粘结介质为左旋聚乳酸，将左旋聚乳酸用氯仿、四氢呋喃或二氯甲烷溶解，配置成质量浓度为10%～15%的溶液后向贯通管道内灌注，或者采用熔融的方式将左旋聚乳酸加热至95℃～100℃，使其为熔融状态后向贯通管道内灌注。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架的制备方法制得的高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架，其特征在于：该高强度双网络水凝胶/生物陶瓷复合支架为骨软骨结构复合支架，包括作为骨支架部分的在长度方向上具有贯通管道的生物陶瓷支架（1）、作为软骨部分的双网络水凝胶（2）、以及用于将双网络水凝胶（2）固定在生物陶瓷支架（1）一端的连接介质（3）和粘结介质（4）；其中连接介质（3）的一端固定在双网络水凝胶（2）内，另一端位于生物陶瓷支架（1）的贯通管道内；粘结介质（4）填充在贯通管道内将连接介质（3）和生物陶瓷支架（1）固定。