CN103845762B - 激光制备多孔骨支架并添加氧化锌提高性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光制备多孔骨支架并添加少量氧化锌提高其机械和生物学性能的方法，属于骨组织工程领域。针对传统支架制备方法中孔分布、形状、空间走向、连通性等不可控，同时针对β‑磷酸三钙(β‑TCP)存在机械性能不佳、降解速率太快等缺点，本发明提供了一种利用选择性激光烧结(SLS)技术制备多孔骨支架，并添加氧化锌(ZnO)提高性能的方法。优点在于：利用SLS制备三维互连的多孔支架，添加少量ZnO引入液相，促进颗粒致密化，并细化晶粒，从而改善机械性能。同时提高细胞相容性，减慢的降解速率，提高生物学性能。最终制备具有增强机械性能和较优生物学性能的互连多孔的β‑TCP骨支架。该方法具有制备工艺简单、操作方便、成本低廉、技术参数容易控制等特点。

Description

激光制备多孔骨支架并添加氧化锌提高性能的方法

技术领域

本发明涉及一种利用选择性激光烧结(SLS)技术制备三维互相连通的多孔骨支架，并通过添加少量氧化锌(ZnO)来提高β-磷酸三钙(β-Ca₃(PO₄)₂，β-TCP)支架的机械和生物学性能的方法，属于骨组织工程领域。

背景技术

组织工程是将细胞种植到具有一定空间结构的三维支架上，细胞在支架上生长、增殖、分化并构建生物替代物，随后移植到组织缺损部位，达到修复组织功能的一门学科。骨组织工程支架不仅为构建组织细胞提供支撑，更要为细胞生长提供合适的外环境，以有利于骨细胞的黏附、增殖和分化。这就要求支架拥有较高的孔隙率、相互连通的孔形态和合适的孔尺寸，以利于细胞的种植、组织的生长、外基质的形成、氧气和营养的输送、代谢物的排泄以及血管和神经的长入。利用选择性激光烧结技术能够克服传统支架制备方法中微孔分布、形状、空间走向、连通性等不可控的缺点，实现对支架内部微孔体系的控制，达到符合骨组织再生的空间结构要求。

支架材料还应具有良好的生物相容性、无毒性，植入体内后不会引起机体炎症和排斥反应。β-TCP具有良好的生物活性，无局部刺激性、不致溶血或凝血，不致突变或癌变，其Ca/P比为1.5，与正常骨组织接近。因此，普遍认为β-TCP是理想的骨组织工程支架材料。但β-TCP存在脆性大、强度低等缺点，限制了它在人体负重部位的使用。且生物降解速度快并难于控制，不能与新组织生成的速率相匹配。为满足骨再生的要求，急需制备具有良好的机械性能和生物性能的多孔β-TCP支架。

Zn是人体必需的微量元素，广泛存在于骨组织中。研究证明，锌对骨的正常发育、代谢和功能起重要作用。Zn可以刺激骨的生长，有利于提高生物材料的生物活性。Zn对于成骨细胞的增殖有特殊的直接刺激作用，而对于破骨细胞有一定的抑制作用。通过实验，证明了ZnO的加入可以提高TCP陶瓷烧结件的致密化程度和硬度。Bhatt发现ZnO能够降低β-TCP的降解速率。Bandyopadhyay发现TCP-ZnO复合的陶瓷压片比纯的TCP压片有较优秀的细胞相容性。

综上所述，选择性激光烧结可以用来制备三维互相连通的多孔β-TCP支架，ZnO的添加可以提高β-TCP陶瓷支架的机械性能，降低支架的降解速度，同时具有更好的细胞相容性和生物活性。

发明内容

本发明提出一种利用SLS技术制备三维互相连通的多孔β-TCP骨支架，并通过添加少量ZnO提高β-TCP支架的机械和生物学性能的方法。利用选择性激光烧结技术，使得制备的支架具有三维互相连通的多孔结构。ZnO的加入会使烧结体系中出现液相，增加了晶界的移动速度。一方面，可以使支架获得较高的致密度，另一方面，可以显著降低烧结温度，从而使晶粒的尺寸减小。较高的致密度和较小的晶粒尺寸使得支架具有较好的机械性能。同时ZnO的引入，能够降低β-TCP多孔支架的降解速率，并且能够促进成骨细胞的增殖。最终制备出具有增强的机械性能和较优生物学性能的互连多孔的β-TCP骨支架。

本发明实施方案包括：

1.混合粉末和多孔β-TCP支架的制备工艺过程：

1)混合粉末的制备：利用机械混合法将β-TCP和少量ZnO粉末混合均匀，制得ZnO质量分数为≤3.5％的β-TCP/ZnO混合粉末，其中，ZnO粉末的平均颗粒尺寸为100-200nm，纯度≥99％，β-TCP粉末的平均颗粒尺寸为100-300nm，纯度≥99％；

2)多孔支架的制备：将β-TCP/ZnO混合粉末置于SLS系统中，激光在计算机的控制下，按照界面轮廓信息，对粉末进行选择性的烧结，烧结一层后，工作台下降一个层厚度，再进行下一层的铺料和烧结，这样层层叠加，最终制得三维互相连通的多孔β-TCP支架，其中，激光光斑直径为1mm，铺粉厚度为0.1-0.2mm，激光功率为8.75W，扫描速度为100mm/min。

2.多孔β-TCP支架的机械和生物学性能的评估：

1)支架的机械性能

利用阿基米德原理测量支架的体积密度，维氏硬度仪测试支架的硬度和断裂韧性，电子万能测试机测量支架的压缩强度。

2)支架的生物学性能

将成骨细胞种植在支架上，5天之后在扫描电镜下观察细胞的黏附能力，来评估支架的细胞相容性。将支架浸泡在模拟体液(SBF)中7、14、21、28天，每个时间段结束时，记下支架的质量，计算出支架在SBF中质量损失率，来评估支架的降解性能。将经SBF浸泡之后的样品在扫描电镜下观察其表面形貌随时间的变化情况，对其表面的沉淀物进行元素组成分析，并用红外测试来分析支架表面沉淀物的官能团组成，扫描电镜、能谱和红外分析共同评估支架的生物活性。

本发明优点如下：

1、SLS技术是采用逐层成型方法，利用SLS技术能够实现对组织工程支架内部多孔结构与复杂外形的精确控制。

2、在烧结过程中，ZnO的加入为烧结体系提供液相，有利于促进β-TCP粉末烧结致密化，降低烧结温度，细化晶粒尺寸，从而改善支架的机械性能。

3、ZnO的加入提高了支架的细胞相容性，减慢了支架的降解速率，同时制备的支架具有良好的生物活性。

4、涉及一种激光制备多孔骨组织工程支架并添加少量氧化物提高磷酸钙支架机械和生物学性能的方法，该方法具有制备工艺简单、操作方便、成本低廉、产品性能良好、技术参数容易控制的特点。

附图说明

图1为利用选择性激光烧结制备的具有三维互相连通的多孔β-TCP支架。

图2为支架的微观结构(a：纯β-TCP支架；b：添加质量分数为2.5％ZnO时的β-TCP支架)。

图3为成骨细胞在支架表面培养5天后的表面形貌(a：纯β-TCP支架；b：添加质量分数为2.5％ZnO时的β-TCP支架)。

图4为支架在SBF中培养不同时间的质量损失。

图5为支架在SBF中培养不同时间后的表面形貌(a：7天，许多虫状的小颗粒生成；b：14天，虫状的小颗粒变多，明显的层状出现；c：21天，表面覆盖一整层片状的结晶物d：28天，出现厚厚的一层海绵状簇)。

图6为支架在SBF中培养7天后的表面形貌及元素组成。

图7为支架在SBF中培养不同时间后的红外图谱(a：7天；b：14天；c：21天；d：28天)。

具体实施方式

下面结合一个实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，但本发明之内容并不局限于此。

1)将少量ZnO粉末添加至β-TCP粉末中，利用机械混合法混合均匀，制得ZnO质量分数为2.5％的β-TCP/ZnO混合粉末。

2)将所得混合粉末置于SLS系统中，激光在计算机的控制下，按照界面轮廓信息，对粉末进行选择性的烧结，一层完成后再进行下一层烧结，最终制备出具有三维互相连通的多孔β-TCP支架。经选择性激光烧结的多孔β-TCP支架如附图1，这表明利用选择性激光烧结技术能制备具有三维互相连通的多孔β-TCP支架。

3)对制成的多孔支架进行力学性能评估。经与未添加ZnO粉末所得的β-TCP支架对比，发现当在β-TCP粉末中添加质量分数为2.5％的ZnO时，烧结支架的体积密度由0.916±0.065g/cm³增加到1.266±0.052g/cm³；平均晶粒尺寸由1.54μm减小到0.29μm(如附图2)；显微硬度由3.509±0.025GPa提高至4.205±0.011GPa；断裂韧性由1.091±0.013MPam^1/2增加至1.401±0.015MPam^1/2；压缩强度由3.012±0.583MPa增加至17.894±0.642MPa。这些结果表明添加质量分数为2.5％的ZnO能够明显提高β-TCP支架的机械性能。

4)对支架进行细胞相容性评估。MG63成骨细胞支架上的培养及生长情况如附图3所示，说明由2.5％ZnO添加所制备的β-TCP支架具有更好的细胞相容性。

5)对制成的支架进行生物降解和生物活性评估。支架浸泡在SBF中培养7、14、21、28天的质量损失如附图4所示，说明ZnO的加入能够有效地控制β-TCP支架的降解速率。支架经SBF培养之后的表面形貌如附图5所示，表明支架表面能够形成大量的沉淀物。沉淀物的元素组成如附图6所示，表明沉淀物主要由钙、磷、氧、碳等元素组成。表面沉淀物的红外图谱分析如附图7所示，表明沉淀物中有碳酸根的峰出现。附图6、7共同说明表面沉淀物是含有一定碳酸磷灰石的类骨磷灰石。表明所制备的支架具有良好的生物活性。

Claims (1)

1.一种利用选择性激光烧结(SLS)技术制备三维互相连通的多孔骨支架，并添加少量氧化锌(ZnO)来提高β-磷酸三钙(β-TCP)支架机械和生物学性能的方法，其制备工艺为：

1)混合粉末的制备：利用机械混合法将β-TCP和少量ZnO粉末混合均匀，制得ZnO质量分数为≤3.5％的β-TCP/ZnO混合粉末，其中，ZnO粉末的平均颗粒尺寸为100-200nm，纯度≥99％，β-TCP粉末的平均颗粒尺寸为100-300nm，纯度≥99％；

2)多孔支架的制备：将β-TCP/ZnO混合粉末置于SLS系统中，激光在计算机的控制下，按照界面轮廓信息，对粉末进行选择性的烧结，烧结一层后，工作台下降一个层厚度，再进行下一层的铺料和烧结，这样层层叠加，最终制得三维互相连通的多孔β-TCP支架，其中，激光光斑直径为1mm，铺粉厚度为0.1-0.2mm，激光功率为8.75W，扫描速度为100mm/min。