CN104274860B - 一种可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的制备方法 - Google Patents

一种可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种理想的骨支架不仅需要有良好的生物性能，更需要良好的机械性能。为保证生物性能的同时改善支架的力学性能，解决单一类型的骨支架无法满足组织工程要求的问题，本发明公布了一种可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的制备方法。具体是利用有机聚合物材料聚乙稀醇(PVA)粉末与无机陶瓷材料硅酸钙(CaSiO3)为原材料，机械混合得到复合粉末，利用选择性激光烧结工艺，制备成类似天然骨组织的多孔陶瓷/聚合物基复合骨支架，以期把不同材料的优点结合起来，从而提高其综合性能。

Description

一种可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的制备方法
技术领域
一种可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的制备方法，属于仿生制造科学领域。具体是将有机聚合物材料聚乙稀醇(PVA)与无机陶瓷材料硅酸钙(CaSiO3)混合得到复合粉末，并利用选择性激光烧结工艺制备成类似天然骨组织的多孔陶瓷/聚合物基复合骨支架，以期把不同材料的优点结合起来。
技术背景
在骨组织工程中，支架不仅为细胞生长提供支持和保护，更重要的是支架与细胞的相互作用能调节细胞的形态发生过程，影响细胞生存、迁移、增殖和功能代谢。因此，在骨组织工程研究中制备有利于细胞粘附、增殖和分化的支架是十分重要和迫切的任务。
生物可降解聚合物(主要包括：聚乙烯醇(PVA)，聚乳酸(PLA)，聚己内酯(PCL)，聚左乳酸(PLLA)等)由于能够在体内生物环境中被降解与吸收，不会引起机体炎症和排斥反应，已经被广泛的应用于骨组织工程。特别是PVA由于具有与人体自然组织相近的含水量、弹性模量、低摩擦系数，良好的生物相容性、化学稳定性，易于成型等特点，在生物医学领域具有广阔的应用前景。但是，单一的PVA支架表面光滑、力学强度不足，且无生物活性、与生物体组织的结合性能较差，影响了其在生物体内的应用。
生物活性陶瓷(主要包括：硅酸钙(CaSiO3)，羟基磷灰石(HAP)，磷酸钙(TCP)等)由于具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导性，植入体内后其表面会形成类骨磷酸层，诱发新骨的生长，已经在骨组织工程应用中获得广泛的关注。特别是硅酸钙由于含有的硅元素能够促进钙磷层的形成和提高人体骨的活性，是一种理想的生物陶瓷替代材料。然而单一的硅酸钙支架由于脆性大、韧性低、难于加工等限制了其在临床中的应用。
综上所述，单一类型的骨支架存在各自的优缺点，仅靠单一材料很难满足骨组织工程支架的要求。我们认为将有机聚合物材料和无机陶瓷材料通过合适的方法制备成复合支架，综合各自的优势是满足骨组织工程要求的一个有效途径。
发明内容
一种理想的骨支架不仅需要有良好的生物性能，更需要良好的机械性能。为保证生物性能的同时改善支架的力学性能，解决单一类型的骨支架无法满足组织工程要求的问题，本发明提出了一种利用聚乙烯醇粉末和硅酸钙粉末为原材料，混合得到复合粉末，并采用选择性激光烧结工艺，制备可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的方法，从而提高其综合性能。
本发明中利用选择性激光烧结工艺制备可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的方法，主要包括以下步骤：
(1)材料准备：利用电子天平按比例称量一定量的聚乙烯醇粉末和硅酸钙粉末，利用机械混合法研磨1h后获得均匀混合的复合粉末，其中硅酸钙的质量分数分别为5、10、15、20wt％。
(2)支架制备：根据三维零件模型产尘的横截面数据，利用相应的控制软件控制激光和烧结平台选择性的烧结粉末，在烧结完一层后，重新铺设大约0.15mm厚的粉末，如此反复直至获得三维骨支架。
(3)后期处理：将制备的骨支架从烧结平台上取出并利用毛刷和气枪等设备去除未烧结的粉末，最终得到可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)将硅酸钙添加到聚乙烯醇中，利用硅酸钙良好的生物学性能克服PVA的无生物活性、提高复合支架的生物性能，从而增强其在临床中的应用。
(2)将聚乙烯醇作为基材料，可以精确地控制其百分比，设计制造过程中能对支架的许多性能进行控制(如韧性、硬度)，并保持聚合物易加工成型的特点。
(3)无机/有机复合骨支架不但具有良好的生物活性，而且两相分散均匀，相互问存在着一定的化学键合作用，从而使得合成的复合骨支架的拉伸强度、弹性模量和耐磨性较单一类型的骨支架具有明显的改善。
(4)利用选择性激光烧结工艺制备的支架可严格控制多孔结构的微观结构和支架的宏观形状，克服传统制备方法中孔道结构不可控且随意的缺点。
(5)涉及一种可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的制备方法，该方法的制备工艺简单、适用范围广、产品综合性能好。
附图说明
图1是制备的陶瓷/聚合物基复合骨支架：(a)：附视图，(b)：正视图。
图2是SBF浸泡后单一类型骨支架和复合骨支架的生物活性：(a)：PVA支架表面没有钙磷层生成；(b)：CaSiO3支架表面有钙磷层生成；(c)：复合支架表面有钙磷层生成。
具体实施方式
下面通过一个实例对本发明的具体实施方式进行阐述：
采用聚乙烯醇粉末和硅酸钙陶瓷粉末为原料，其中聚乙烯醇购买于日本合成化学公司，平均分子模量为89000-98000g/mol，聚合度为1700，颗粒大小为20-200μm；硅酸钙购买于昆山华侨科技新材料有限公司，平均粒径1μm，纯度98％，采用化学沉淀法制备。
采用机械混合的方法研磨1h后获得均匀混合的聚乙烯醇/硅酸钙复合粉末，其中硅酸钙质量分数为10wt％。
利用自行开发的选择性激光烧结系统，在激光功率8W、扫描速度600mm/min、光斑直径1mm、铺粉厚度0.15mm的工艺条件下进行聚乙烯醇/硅酸钙混合粉末的选择性激光烧结成型。
烧结完成后将人工骨从烧结平台上取出并利用毛刷和气枪去除未烧结的粉末，得到具有可控多孔结构的硅酸钙/聚乙烯醇基复合骨支架。
对硅酸钙/聚乙烯醇基复合骨支架进行生物学性能测试，发现添加硅酸钙制得的骨支架相对于单一的聚乙烯醇支架，其生物活性和细胞相容性得到明显提高，满足临床应用要求。

Claims (5)

1.一种利用聚乙烯醇粉末和硅酸钙粉末为原材料，混合得到复合粉末，并采用选择性激光烧结工艺，制备可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的方法，主要步骤包括：
(1)材料准备：利用电子天平按比例称量一定量的聚乙烯醇粉末和硅酸钙粉末，利用机械混合法研磨1h后获得均匀混合的原始粉末，其中硅酸钙的质量分数分别为5、10、15、20wt％；
(2)支架制备：根据三维零件模型产生的横截面数据，利用相应的控制软件控制激光和烧结平台选择性的烧结粉末，在烧结完一层后，重新铺设大约0.15mm厚的粉末，如此反复直至获得三维骨支架；
(3)后期处理：将制备的骨支架从烧结平台上取出并利用毛刷和气枪去除未烧结的粉末，最终得到可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架。
2.按照权利要求1中所述制备可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的方法，其特征在于：将硅酸钙添加到聚乙烯醇中，利用硅酸钙良好的生物学性能克服PVA的无生物活性、提高复合支架的生物性能。
3.按照权利要求1中所述制备可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的方法，其特征在于：将聚乙烯醇作为基材料，精确地控制其百分比，设计制造过程中能对支架的许多性能进行控制，并保持聚合物易加工成型的特点。
4.按照权利要求1中所述制备可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的方法，其特征在于：无机/有机复合骨支架不但具有良好的生物活性，而且两相分散均匀，相互间存在一定的化学键合作用，从而使得合成的复合骨支架的拉伸强度、弹性模量和耐磨性较单一类型的骨支架具有明显的改善。
5.按照权利要求1中所述制备可控多孔的陶瓷/聚合物基复合骨支架的方法，其特征在于：利用选择性激光烧结工艺制备的支架严格控制了多孔结构的微观结构和支架的宏观形状，克服传统制备方法中孔道结构不可控且随意的缺点。
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