CN104557057A - 一种仿生骨植入材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生骨植入材料,是由在溶剂中依次加入分散剂和陶瓷颗粒，均匀混合得到的陶瓷浆料，经加工成型、烧结、极化、浸渍而得到的。发明还公开了该仿生骨植入材料的制备方法。发明仿生骨植入材料不仅与人体骨成分接近，而且具有类似人体骨的多孔结构，同时还具有生物电活性，使仿生骨植入材料在植入人体后，与骨组织具有良好的生物相容性，能够与骨形成牢固键合，显示出其作为一种新型的骨修复材料，所具有的良好应用前景。

Description

一种仿生骨植入材料及其制备方法

技术领域

本发明属于医用生物材料技术领域，涉及一种仿生骨植入材料,本发明还涉及上述仿生骨植入材料的制备方法。

背景技术

骨作为人体最大的组织器官，承担着生命活动的重要职责，却最容易引起缺损。在我国，据估计每年因交通事故和生产安全事故所致创伤骨折、脊柱退行性疾病及骨肿瘤、骨结核等骨科疾病，造成骨缺损或功能障碍患者超过300万人，且有日益增加的趋势。利用骨植入材料进行骨移植是治疗骨缺损最常用和有效的手段之一。骨植入材料主要有自体骨、异体骨和人工骨，其中自体骨移植会对患者造成二次损伤、且不可能大量取骨，异体骨移植无法避免疾病传播和免疫排斥的风险。因此，研发能有效修复和功能重建的人工骨修复材料具有广泛的临床需求和重要的意义。

中国专利《一种多孔羟基磷灰石生物陶瓷材料的制备方法》(申请号：201310570843.0，公开号：103588500A，公开日：2014-02-19)公开了一种多孔羟基磷灰石生物陶瓷材料的制备方法，主要通过冷冻技术和凝胶固化技术的有机结合，从而获得多孔羟基磷灰石生物陶瓷材料，但是其作为承重骨修复材料时强度不能满足要求。

中国专利《生物陶瓷涂层钛丝烧结多孔钛人工骨的制备方法》(申请号：201010245069.2，公开号：101889912A，公开日：2010-11-24)公开了一种生物陶瓷涂层钛金属纤维丝烧结多孔钛人工骨的制备方法，采用立体编织法，将钛金属纤维丝构造成可控结构、随机结构以及模仿人体骨骨小梁和主应力线的仿生结构模型，经过预压成型和真空烧结制备成多孔钛人工骨，然后采用溶胶-凝胶法在该多孔钛人工骨表面进行梯度或复合涂层，使得多孔钛人工骨表面形成由二氧化钛过渡到生物陶瓷的梯度涂层或生物陶瓷-二氧化钛复合涂层，得到生物陶瓷涂层钛丝烧结多孔钛人工骨。但是当该多孔钛人工骨植入人体一段时间后，表面的生物陶瓷羟基磷灰石发生降解，钛金属骨架裸露在外，无法避免钛离子游离出来进入人体，存在副反应。

中国专利《一种锂皂石生物陶瓷的制备方法及其用途》(申请号：201410251169.4，公开号：104163622A，公开日：2014-11-26)公开了一种锂皂石生物陶瓷的制备方法及其用途，主要将LAP粉末通过单轴向压制法在模具中压片，再将得到的锂皂石片在马弗炉中烧结制得LAP生物陶瓷。但是其较为致密，不利于组织和细胞的长入以及养分和代谢产物的流通。

虽然关于骨植入材料的研究报道比较多，但是这些骨植入材料各有各的优缺点，而骨植入材料与人体骨组织匹配性不好，限制了它的进一步推广应用。开发新型骨植入材料，关键在于能够有效地进行仿生，使其各方面性能均满足临床使用要求。

研究发现，骨基质是典型的天然无机-有机复合材料，无机成分主要是钙磷盐陶瓷，有机成分主要是胶原；天然骨具有多孔结构，多孔结构有利于组织和细胞的长入；骨组织是天然的压电体，骨对力的感知正是通过压电效应来实现的。因此，从骨的自身组织成分、结构、功能出发，研究出与人体骨更为匹配的仿生骨植入体是目前生物材料领域追求的目标。鉴于此，开发一种高度仿生的骨植入材料变得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生骨植入材料，解决了现有骨植入材料与骨组织的生物相容性不佳、无法与骨形成牢固键合、缺乏与天然骨相类似的生物电活性的问题。

本发明的另一目的是提供上述仿生骨植入材料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种仿生骨植入材料，是由在溶剂中依次加入分散剂和陶瓷颗粒，均匀混合得到的陶瓷浆料，经加工成型、烧结、极化、浸渍而得到的。

本发明的特点还在于，

其中溶剂的用量占溶剂和陶瓷颗粒两者总体积的60％～90％，陶瓷颗粒由生物活性陶瓷颗粒和压电相陶瓷颗粒组成，压电相陶瓷颗粒占陶瓷颗粒总质量的50％～99％，分散剂的用量占陶瓷颗粒总质量的1.5％～6％。

其中溶剂为水、乙醇、叔丁醇、莰烯、水-叔丁醇溶液、叔丁醇-莰烯溶液中的任意一种；压电相陶瓷颗粒为钛酸钡、铌酸锂钠钾、氧化锌中的任意一种；生物活性陶瓷颗粒为羟基磷灰石、β-磷酸三钙、生物活性玻璃中的任意一种或任意几种的混合物；分散剂为聚丙烯酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛和柠檬酸中的任意一种。

本发明的另一技术方案，一种仿生骨植入材料的制备方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，制备陶瓷浆料：

在溶剂中依次加入分散剂和陶瓷颗粒，均匀混合得到陶瓷浆料；

步骤2，制备多孔预制体：

将步骤1制备得到的陶瓷浆料加工成型，得到多孔预制体；

步骤3，烧结：

将步骤2制备得到的多孔预制体在1000℃～1300℃下烧结1～3h，得到多孔陶瓷；

步骤4，极化：

将步骤3得到的多孔陶瓷在一定介质中进行极化处理，得到生物压电多孔陶瓷；

步骤5，浸渍：

将步骤4得到的生物压电多孔陶瓷在浸渍溶液中浸渍，浸渍次数为2～3次，每次浸渍时间为4～10min，然后在60～120℃下烘干4～10h，即得仿生骨植入材料。

本发明的特点还在于，

其中步骤1中陶瓷颗粒由压电相陶瓷颗粒和生物活性陶瓷颗粒组成，压电相陶瓷颗粒占陶瓷颗粒总质量的50％～99％。

其中压电相陶瓷颗粒为钛酸钡、铌酸锂钠钾、氧化锌中的任意一种，生物活性陶瓷颗粒为羟基磷灰石、磷酸三钙、生物活性玻璃中的任意一种或任意几种的混合。

其中步骤1中溶剂为水、乙醇、叔丁醇、莰烯、水-叔丁醇溶液、叔丁醇-莰烯溶液中的任意一种，溶剂的用量占溶剂和陶瓷颗粒两者总体积的60％～90％；分散剂为聚丙烯酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛和柠檬酸中的任意一种，分散剂的用量占陶瓷颗粒总质量的1.5％～6％。

其中步骤2中成型方法采用冷冻干燥法、固态模板法、乳状液模板法、起泡法、有机泡沫浸渍法或溶胶-凝胶法。

其中步骤4中极化介质为空气或硅油，极化温度为25～130℃，极化场强为0.6～1.6kv/mm，极化时间为10～30min。

其中步骤5中浸渍溶液为用六氟异丙醇配制的质量分数为10％～25％的胶原溶液。

本发明的有益效果是，本发明一种仿生骨植入材料不仅与人体骨成分接近，而且具有类似人体骨的多孔结构，同时还具有生物电活性，使仿生骨植入材料在植入人体后，与骨组织具有良好的生物相容性，能够与骨形成牢固键合，显示出其作为一种新型的骨修复材料，所具有的良好应用前景。

附图说明

图1是实施例1采用冷冻干燥制备得到的多孔HA/BaTiO₃/胶原仿生骨植入材料的横截面结构示意图；

图2是实施例1采用冷冻干燥制备得到的多孔HA/BaTiO₃/胶原仿生骨植入材料的纵截面结构示意图。

图中，1.HA/BaTiO₃陶瓷壁，2.胶原，3.HA/BaTiO3陶瓷的孔结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种仿生骨植入材料，是由在溶剂中依次加入分散剂和陶瓷颗粒，均匀混合得到的陶瓷浆料，经加工成型、烧结、极化、浸渍而得到的。

其中溶剂的用量占溶剂和陶瓷颗粒两者总体积的60％～90％，陶瓷颗粒由生物活性陶瓷颗粒和压电相陶瓷颗粒组成，压电相陶瓷颗粒占陶瓷颗粒总质量的50％～99％，分散剂的用量占陶瓷颗粒总质量的1.5％～6％。

溶剂为水、乙醇、叔丁醇、莰烯、水-叔丁醇溶液、叔丁醇-莰烯溶液中的任意一种；压电相陶瓷颗粒为钛酸钡、铌酸锂钠钾、氧化锌中的任意一种；生物活性陶瓷颗粒为羟基磷灰石、β-磷酸三钙、生物活性玻璃中的任意一种或任意几种的混合物；分散剂为聚丙烯酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛和柠檬酸中的任意一种。

该材料孔隙率为20％～80％。

本发明还提供了上述仿生骨植入材料的制备方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，制备陶瓷浆料：

在溶剂中依次加入分散剂和陶瓷颗粒，均匀混合得到陶瓷浆料。

其中溶剂的用量占溶剂和陶瓷颗粒两者总体积的60％～90％，陶瓷颗粒由生物活性陶瓷颗粒和压电相陶瓷颗粒组成，压电相陶瓷颗粒占陶瓷颗粒总质量的50％～99％，分散剂的用量占陶瓷颗粒总质量的1.5％～6％。

溶剂为水、乙醇、叔丁醇、莰烯、水-叔丁醇溶液、叔丁醇-莰烯溶液中的任意一种；压电相陶瓷颗粒为钛酸钡、铌酸锂钠钾、氧化锌中的任意一种，生物活性陶瓷颗粒为羟基磷灰石、β-磷酸三钙、生物活性玻璃中的任意一种或任意几种的混合物；分散剂为聚丙烯酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛和柠檬酸中的任意一种；

步骤2，制备多孔预制体：

将步骤1制备得到的陶瓷浆料加工成型，得到多孔预制体。

其中成型方法采用冷冻干燥法、固态模板法、乳状液模板法、起泡法、有机泡沫浸渍法或溶胶-凝胶法。

步骤3，烧结：

将步骤2制备得到的多孔预制体在1000℃～1300℃下烧结1～3h，得到多孔陶瓷；

步骤4，极化：

将步骤3得到的多孔陶瓷在空气或硅油介质中进行极化处理，极化温度为25℃～130℃，极化场强为0.6～1.6kv/mm，极化时间为10～30min，得到生物压电多孔陶瓷；

步骤5，浸渍：

用六氟异丙醇配制质量分数为10％～25％的胶原溶液作为浸渍溶液；

将步骤4得到的生物压电多孔陶瓷在胶原溶液中浸渍，浸渍次数为2～3次，每次浸渍时间为4～10min，然后在60～120℃下烘干4～10h，即得仿生骨植入材料。

实施例1

冷冻干燥制备HA/BaTiO₃/胶原仿生骨植入材料：

在20g水中依次加入0.84g聚丙烯酸钠和27.62g钛酸钡和27.62g羟基磷灰石，球磨24h后混合均匀得到陶瓷浆料；

采用冷冻干燥法制备多孔预制体：将上述所得陶瓷浆料注入内径为5mm的冷冻模具中，然后将冷冻模具放置在冷冻干燥机冷源上进行定向冷冻，冷冻温度为-30℃，冷冻时间为3h，获得由已冻结的陶瓷浆料组成的圆柱状冻结体；

在真空环境中对冻结体冷冻干燥，使得冻结体中的水结晶体升华，得到多孔预制体，该多孔预制体由钛酸钡和羟基磷灰石和聚丙烯酸钠组成；

将多孔预制体在1200℃下烧结2h，得到多孔陶瓷，并对其进行抛光清洗；然后对多孔陶瓷进行极化处理，采用空气极化，极化温度为130℃，极化压强为0.6v/mm，极化时间为20min，得到生物压电多孔陶瓷。最后将该生物压电多孔陶瓷放到质量分数为10％的胶原溶液中浸渍，其中浸渍次数为3次，每次浸渍时间为6min，然后在60℃烘干10h，即得仿生骨植入材料。

实施例2

固态模板法制备β-TCP/LNK/胶原仿生骨植入材料：

在35g水中依次加入1.1g聚乙烯吡咯烷酮和35.64g铌酸锂钠钾和19.19gβ-磷酸三钙，球磨24h后混合均匀得到陶瓷浆料；

采用固态模板法法制备多孔预制体：在上述所得陶瓷浆料中加入10g的淀粉，充分搅拌2h后注入内径为5mm的模具中，置于90℃的干燥箱中保温45min，得到多孔预制体；

将所得多孔预制体在1000℃烧结3h，得到多孔陶瓷，并对其进行抛光清洗。然后对多孔陶瓷进行极化处理，采用空气极化，极化温度为25℃，极化压强为0.9v/mm，极化时间为30min，得到生物压电多孔陶瓷。最后将该生物压电多孔陶瓷放到质量分数为15％的胶原溶液中浸渍，其中浸渍次数为2次，每次浸渍时间为8min，然后在120℃烘干4h，即得仿生骨植入材料。

实施例3

有机泡沫浸渍法制备生物活性玻璃/氧化锌/胶原仿生骨植入材料：

在40g乙醇中依次加入1.87g聚乙烯醇缩丁醛和35.92g氧化锌粉和8.98g生物活性玻璃，球磨24h后混合均匀得到陶瓷浆料；

采用有机泡沫浸渍法制备多孔预制体：配制质量分数为10％的NaOH碱溶液对聚氨酯泡沫进行预处理，将预处理的泡沫在上述所得的陶瓷浆料中进行浸渍操作，浸渍次数为2次，每次浸渍时间为6min，然后排除多余浆料，制成坯体并在50℃下干燥，得到多孔预制体；

将多孔预制体在1300℃烧结1h，得到多孔陶瓷，并对其进行抛光清洗；然后对多孔陶瓷进行极化处理，采用硅油极化，极化温度为60℃，极化压强为1.6v/mm，极化时间为10min，得到生物压电多孔陶瓷；最后将该生物压电多孔陶瓷放到质量分数为20％的胶原溶液中浸渍，其中浸渍次数为2次，每次浸渍时间为10min，然后在100℃烘干8h，即得仿生骨植入材料。

本实施例中使用的有机泡沫还可采用海绵、聚亚胺酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和乳胶等。

实施例4

冷冻干燥法制备β-TCP-HA/BaTiO₃/胶原仿生骨植入材料：

在45g水中依次加入1.78g聚丙烯酸钠和29.48g钛酸钡和0.15g羟基磷灰石、0.15gβ-磷酸三钙，球磨24h后混合均匀得到陶瓷浆料；

采用冷冻干燥法制备多孔预制体：将上述所得陶瓷浆料注入内径为5mm的冷冻模具中，然后将冷冻模具放置在冷冻干燥机冷源上进行定向冷冻，冷冻温度为-30℃，冷冻时间为3h，获得由已冻结的陶瓷浆料组成的圆柱状冻结体；

在真空环境中对冻结体冷冻干燥，使得冻结体中的水结晶体升华，得到多孔预制体，该多孔预制体由钛酸钡和羟基磷灰石和聚丙烯酸钠组成；

将多孔预制体在1100℃烧结2h，得到多孔陶瓷，并对其进行抛光清洗。然后对多孔陶瓷进行极化处理，采用空气极化，极化温度为100℃，极化压强为1.2v/mm，极化时间为20min，得到生物压电多孔陶瓷。最后将该生物压电多孔陶瓷放到质量分数为25％的胶原溶液中浸渍，其中浸渍次数为3次，每次浸渍时间为4min，然后在80℃烘干6h，即得仿生骨植入材料。

本发明方法通过控制生物活性陶瓷和压电相陶瓷的添加量来保证仿生骨植入材料的生物相容性及压电性能，通过加入溶剂(或造孔剂)改变固相含量来调节仿生骨植入材料的孔隙率。通过改变压电相陶瓷的种类、添加量的质量比以及极化参数(极化场强、极化温度、极化时间)来控制仿生骨植入材料的压电性，使其压电常数在一定范围内可调。以实施例1制备的仿生骨植入材料为例，图1是采用冷冻干燥制备得到的HA/BaTiO₃/胶原仿生骨植入材料的横截面结构示意图，图2是采用冷冻干燥制备得到的HA/BaTiO₃/胶原仿生骨植入材料的纵截面结构示意图，从图1和图2中可以看出，HA/BaTiO₃/胶原仿生骨植入材料的孔为有序排列的直通型片层孔，具有与天然骨类似的多孔结构，孔壁由HA和BaTiO₃组成，孔壁上浸渍有胶原，既保证了其成分与人体骨接近，而且还具有与人体骨相似的生物电活性。

将本发明实施例1、2、3和4制备得到的仿生骨植入材料与人体骨进行对比，结果如下：

由上表可以看出本发明一种仿生骨植入材料的成分与天然人体骨相近；具有多孔结构，孔隙率达到了人体骨所具有的骨结构的标准；同时，其压电常数与人体骨相近，具有生物电活性。以上与人骨相近的特性，使本发明的仿生骨植入材料在植入人体后，与骨组织具有良好的生物相容性，能够与骨形成牢固键合，显示出了其作为一种新型的骨修复材料，所具有的良好应用前景。

Claims (10)

1.一种仿生骨植入材料，其特征在于，是由在溶剂中依次加入分散剂和陶瓷颗粒，均匀混合得到的陶瓷浆料，经加工成型、烧结、极化、浸渍而得到的。

2.根据权利要求1所述的一种仿生骨植入材料，其特征在于，所述溶剂的用量占溶剂和陶瓷颗粒两者总体积的60％～90％，陶瓷颗粒由生物活性陶瓷颗粒和压电相陶瓷颗粒组成，压电相陶瓷颗粒占陶瓷颗粒总质量的50％～99％，分散剂的用量占陶瓷颗粒总质量的1.5％～6％。

3.根据权利要求1或2所述的一种仿生骨植入材料，其特征在于，所述溶剂为水、乙醇、叔丁醇、莰烯、水-叔丁醇溶液、叔丁醇-莰烯溶液中的任意一种；压电相陶瓷颗粒为钛酸钡、铌酸锂钠钾、氧化锌中的任意一种；生物活性陶瓷颗粒为羟基磷灰石、β-磷酸三钙、生物活性玻璃中的任意一种或任意几种的混合物；分散剂为聚丙烯酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛和柠檬酸中的任意一种。

4.一种仿生骨植入材料的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

步骤1，制备陶瓷浆料：

在溶剂中依次加入分散剂和陶瓷颗粒，均匀混合得到陶瓷浆料；

步骤2，制备多孔预制体：

将步骤1制备得到的陶瓷浆料加工成型，得到多孔预制体；

步骤3，烧结：

将步骤2制备得到的多孔预制体在1000℃～1300℃下烧结1～3h，得到多孔陶瓷；

步骤4，极化：

将步骤3得到的多孔陶瓷在一定介质中进行极化处理，得到生物压电多孔陶瓷；

步骤5，浸渍：

将步骤4得到的生物压电多孔陶瓷在浸渍溶液中浸渍，浸渍次数为2～3次，每次浸渍时间为4～10min，然后在60～120℃下烘干4～10h，即得仿生骨植入材料。

5.根据权利要求4所述的一种仿生骨植入材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中陶瓷颗粒由压电相陶瓷颗粒和生物活性陶瓷颗粒组成，压电相陶瓷颗粒占陶瓷颗粒总质量的50％～99％。

6.根据权利要求5所述的一种仿生骨植入材料的制备方法，其特征在于，所述压电相陶瓷颗粒为钛酸钡、铌酸锂钠钾、氧化锌中的任意一种，所述生物活性陶瓷颗粒为羟基磷灰石、磷酸三钙、生物活性玻璃中的任意一种或任意几种的混合。

7.根据权利要求4所述的一种仿生骨植入材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中溶剂为水、乙醇、叔丁醇、莰烯、水-叔丁醇溶液、叔丁醇-莰烯溶液中的任意一种，溶剂的用量占溶剂和陶瓷颗粒两者总体积的60％～90％；分散剂为聚丙烯酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛和柠檬酸中的任意一种，分散剂的用量占陶瓷颗粒总质量的1.5％～6％。

8.根据权利要求4所述的一种仿生骨植入材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中成型方法采用冷冻干燥法、固态模板法、乳状液模板法、起泡法、有机泡沫浸渍法或溶胶-凝胶法。

9.根据权利要求4所述的一种仿生骨植入材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中极化介质为空气或硅油，极化温度为25～130℃，极化场强为0.6～1.6kv/mm，极化时间为10～30min。

10.根据权利要求4所述的一种仿生骨植入材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中浸渍溶液为用六氟异丙醇配制的质量分数为10％～25％的胶原溶液。