CN104710188A - 一种钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料、制备方法及应用。陶瓷多孔材料中各组分以氧化物形式表示的重量百分数含量为：CaO 44~52%，SiO₂ 47~54%，B₂O₃ 0~3.0%，ZnO 0~3.4%，MgO 0.2~4.8%，其中B₂O₃和ZnO不同时为0，MgO含量与B₂O₃和ZnO含量之和的比为1:(0.2~5)。先运用湿化学法、溶胶-凝胶法制备含硼、锌、镁的钙硅酸盐超细颗粒粉体，再运用三维打印技术制备外形与人体各部位骨骼形态一致并且孔道尺度在80~800μm的多孔材料，再经过高温烧结处理而成。本发明的材料可以在骨科，口腔科，整形外科，颌面外科，脑外科或眼科的骨缺损修复以及骨再生医学中的应用。

Description

一种钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及生物医用材料，尤其是涉及用于促进骨损伤再生修复的一种钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料、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以及骨肿瘤和炎症所致的骨组织坏死等一系列骨损伤的快速、完全再生修复一直是相关领域的研究热点，也是目前临床医学的难题。人体中不同部位的骨骼形态、厚度、承受力学载荷的能力都不尽相同，不同年龄、病理条件下骨骼损伤修复的效率也完全不同。自古以来，人类主要依赖于具有较高力学承载能力的金属、合金或者稳定性极高的惰性陶瓷人工材料对大量人体骨缺损进行修补、填充、替代等处理。尽管骨骼具有良好的自我再生能力，但是填充这些稳定性高并且生物惰性的人工植入物造成损伤部位的骨骼并不能较快的自我完全再生修复；填充修补物仅仅发挥力学支撑，或者保护其它组织器官、避免受损等功能。上世纪60年代末 Hench教授率先发现了由CaO、SiO₂ 、P₂O₅和Na₂O组分烧制而成的玻璃材料具有良好生物活性，以及人们对钙磷酸盐类材料的充分研究，发现由某些特定无机氧化物或者无机陶瓷构建的人工材料能促进骨损伤再生修复，并且材料具有缓慢降解性能，使得骨损伤能完全修复。但是，迄今人们相继开发的人工骨生物活性材料如45S5生物玻璃(45S5 Bioglass®)、羟基磷灰石(HA)陶瓷、β-磷酸三钙(β-TCP)陶瓷、A-W玻璃陶瓷、以及磷酸钙骨水泥等，其块体材料存在降解太过缓慢、力学性能差或者生物活性较差等问题，尤其是利用这些材料构建的多孔性支架型人工材料，力学强度低下、生物活性不良、降解进程无法与人体骨再生修复过程相匹配等协同问题。但是，这些研究和临床应用为开发新型人工骨材料积累了相关技术与理论基础。

过去十多年来，人们相继发现不少钙-硅基(CaO-SiO₂)的无机矿物质材料能与骨组织直接骨性结合，并且能快速刺激成骨相关(干)细胞的增殖分化和矿化，从而显著促进骨再生修复效率。譬如，人们研究发现硅酸钙盐硅灰石(即β-硅酸钙)、假硅灰石(即α-硅酸钙)及其含较高含量(3.5~28 wt%)异质离子的矿物质如白硅钙石(Ca₇Mg(SiO₄)₄；含Mg 3.61wt%)、镁蔷薇橄榄石(Ca₃Mg(SiO₄)₂；含Mg 7.39wt%)、镁黄长石(Ca₂MgSi₂O₇；含Mg 8.92wt%)、透辉石(CaMgSi₂O₆；含Mg 11.22wt%)、镁钙橄榄石(CaMgSiO₄；含Mg 15.53wt%)、锌黄长石(Ca₂ZnSi₂O₇；含Zn 20.76wt%)、硅锆钙石(Ca₃ZrSi₂O₉；含Zr 27.49 wt%)等等，这些矿物质类型的材料被国内外学者证实表明具有各自独特的生物学效应和力学性能(Xia L, 等. Europ Cells Mater. 2011, 22: 68；Liu Q, et al. Biomaterials, 2008; 29: 4792；Gu H, et al. Biomaterials. 2011; 32:7023；Schumacher TC等, J Mech Behav Biomed Mater. 2014; 34: 294-301)。但是，这些矿物质材料的共性问题是高温烧结块体材料，尤其是更适用于骨损伤再生修复用的完全贯通孔道型多孔性材料，其抗压、抗弯力学强度低（60%孔隙率抗压强度低于40 MPa），远远不能适应于各种肢体承重部位的力学支撑，或者骨皮质薄的颅颌面部位骨损伤所需要的可二次加工、剪裁性能的需求。

近年来，不少学者也相继发展了基于异质离子摻杂钙硅酸盐的研究，譬如分别掺锌、硼、锶、镁、锰、钛、锆等到生物陶瓷或者玻璃陶瓷中(Li GD等，Biomed Mater. 2009; 4: 045001；Mohammadi H等，J. Ceram. Sci. Tech., 2014; 05: 1-12；Kulike DA等，Environ Sci Technol ., 2002; 36:2926-31；Wu C等，Biomaterials,. 28; 3171-81)，这些摻杂主要赋予特定生理学效应异质离子对成骨引起的特殊刺激活性，忽视了对材料本体的关键性性能指标，如本体的晶相维持或变化、力学性能、生物活性、降解速率等核心性能的协同增效设计。同时，不同异质离子对关键性能协同改善的局限性，也造成这些关键性能失配，远离临床应用的最佳需求。

对于硅灰石这种活性较为优良的材料而言(Zhai W等，Acta Biomater.2012; 8: 341；Wu C等，Biomaterials, 2005; 26: 2925)，其主要局限性被证实是在体内降解过快，由硅灰石构建的常规多孔支架型生物活性陶瓷不足以充分传到新骨再生并有效改建，就快速降解，多孔网络结构的坍塌大大降低了骨缺损完全再生修改的可能性(Xu S等, Biomaterials. 2008; 29: 2588–96)。采用生物玻璃增强尽管对力学性能产生一定的改善，但是玻璃相的脆性本质造成多孔材料结构稳定性和抗冲击性能差等问题(Lin K等, J Euro Ceram Soc, 2009; 29:2937–2943)。运用三维打印制备的有机-无机复合多孔材料，则因有机相高度吸水性，必然会引起孔道骨架在生理液中快速坍塌(wu C等, J Mater Chem. 2012; 22:12288–12295)。较高含量的镁引入或形成一系列新的矿物相，从而形成新的各具特色的生物陶瓷材料，如透辉石具有较高力学强度，但是降解极为缓慢；镁黄长石和白硅钙石促进成骨细胞活性显著优于其它钙镁硅酸盐陶瓷和硅灰石，但是力学性能和降解性能与再生效率需求存在差异。其它几种含异质离子的钙硅酸盐矿物质构建的多孔陶瓷力学强度较差。同时，异质离子摻杂硅灰石形成的各种矿物相的局限性并没有受到学界的重视。

根据现有技术研究来看，迫切需要探索在化学组成、力学性能以及生物学效应上均满足临床上人体内各种骨损伤实现快速、完全修复更为理想的高强度可降解型生物活性材料，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，同时材料的微结构、尤其是孔道相互贯通条件下的力学支撑足以支撑承重骨或者薄壁骨部位骨损伤再生修复的内在要求，以及与各部位骨再生效率更为接近的降解性能，这样的生物材料，金属、合金、惰性陶瓷、聚合物等材料都无法满足，只有生物活性陶瓷通过创新设计和优化构建，并成为新一代骨再生修复材料，解决大量临床问题。

发明内容

本发明的目的在于提供孔道完全贯通的一种可降解型生物活性陶瓷多孔材料、制备方法及应用，能够明显促进骨损伤快速、完全再生修复的低含量异质离子摻杂钙硅酸盐的陶瓷材料，并且多孔材料的外观可以依据骨损伤的形态进行个体化定制。

本发明采用的技术方案是：

一、本发明的一种可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料

本发明它是由低含量异质离子共摻杂的钙硅酸盐经三维打印和烧结制备的材料，低含量异质离子硼和/或锌与镁部分替代钙硅酸盐晶体中的钙、硅或摻杂于晶格空位，陶瓷多孔材料的孔道尺度为80~800 μm，孔道壁宽度与孔道尺度之比为1:(0.4~10)，外观形态与损伤骨的空腔结构匹配；陶瓷的结晶物质的名义化学式表示为Ca_1-x-yMg_xZn_ySi_1-zB_zO₃，其中0≤x, y, z<0.2，陶瓷多孔材料中各组分以氧化物形式表示的重量百分数含量为：CaO 44~52%，SiO₂ 47~54%，B₂O₃ 0~3.0%，ZnO 0~3.4%，MgO0.2~4.8%，其中B₂O₃和ZnO不同时为0，MgO含量与B₂O₃和ZnO含量之和的比为1:(0.2~5)。

所述钙硅酸盐是β-硅酸钙、α-硅酸钙或两者任意比例的复合物。

所述陶瓷多孔材料的孔道形态呈四方形、三角形、蜂窝形、多边形、圆形、阿基米德弧形中的一种或任意组合，相邻孔道之间的贯通孔的尺度为40~600 μm。

二、本发明的一种可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料的制备方法，包括以下步骤：

1) 将总摩尔浓度为0.1~0.50 mol/L的含Ca²⁺无机盐和异质离子无机盐的混合水溶液滴入到等体积的等摩尔浓度pH值为10.0~11的含SiO₃ ^2-和HBO₃水溶液中，Ca²⁺与正电荷异质金属离子的摩尔浓度之比1:(0.0025~0.20)，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800~1300^oC下煅烧和球磨处理，从而获得低含量异质离子Zn和/或B与Mg共摻杂的钙硅酸盐粉体；

2) 将低含量异质离子摻杂的钙硅酸盐粉体分散到浓度为3~8%的聚乙烯醇水溶液中，充分搅拌形成混匀糊状物，再将糊状物置入与管状喷头相连的三维打印机注射储液池中，再启动三维打印机，按预设孔道形态和陶瓷多孔材料的外观形态进行三维打印出陶瓷多孔材料，再将该陶瓷多孔复合材料干燥除去水分，在1000~1320^oC下烧结1~8小时处理，从而得到可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料。

所述含Ca²⁺无机盐是Ca(CH₃COO)₂、CaCl₂、Ca(NO₃)₂中的一种或者几种的任意组合；所述异质离子无机盐是ZnCl₂、Zn(NO₃)₂；MgCl₂和Mg(NO₃)₂。

所述烧结处理过程为一步或者两步烧结。

所述陶瓷多孔材料经X-射线衍射仅能检测到硅酸钙的结晶相，摻杂物的氧化物、硅酸盐、硼酸盐不显示在衍射图谱中。

三、本发明的一种可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料的应用

在骨科，口腔科，整形外科，颌面外科，脑外科或眼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，通过改变打印喷头直径和糊状物墨水线的间距，可以调节多孔材料中的孔道尺度和孔隙率。

本发明制备过程中，对制备打印糊状物墨水的粘结剂种类不存在严格限制。

本发明制备过程中，通过改变打印材料预设外观形态，可以调节多孔材料中的外观形态和尺度。

本发明制备过程中，通过改变烧结温度制度可以调节多孔材料的力学强度、降解性和生物活性。

本发明对掺杂硼、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HBO₃、ZnCl₂、Zn(NO₃)₂、MgCl₂、和Mg(NO₃)₂。

本发明具有的有益效果是：

1）在组成上，基于低含量异质离子共掺杂钙硅酸盐陶瓷，更加容易实现晶体结构中有限部分晶格或晶格空位的钙、硅离子被替代，从而对钙硅酸盐的热力学特性、烧结性能、力学性能、生物降解性发挥显著调控作用，这种改变产生的效果比较高剂量掺杂造成新物相产生带来的性能改善更为显著，因而更加适合用于促进骨再生的人工骨修复材料的制造。

2）在（微）结构上，低含量异质离子协同掺杂钙硅酸盐陶瓷经由三维打印构建多孔材料，能保障孔道壁无缺陷、孔道的尺度大小和形态完全一致，孔道之间贯通孔尺度易于调节等独特优点，这种完全相互贯通的多孔网络有利于细胞迁移、血管再生，并且也将发挥基于微结构规整性的力学增强效应。同时，运用三维打印技术的独特优势，即可以按特定骨损伤的形态进行三维扫描并重建、复制缺损外观，从而构建的具有与骨缺损部位完全匹配的生物陶瓷多孔材料能与骨损伤形成完美契合，能缩短急性炎症反应并避免慢性炎症反应，从而有利于加快骨再生效率和进程。

3）在生物学效应上，以具有特定生物学效应的人体微量元素协同低含量掺杂钙硅酸盐，多孔网络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高效率激活与成骨相关(干)细胞的骨再生密切相关基因、蛋白质的高效表达，快速刺激骨缺损内新骨再生，尤其是能改善骨质疏松、骨坏死等严重病理条件以及血供较差、骨壁较薄的骨缺损中新骨再生发育的难题。

4）在可操作性上，按常规湿化学工艺联合三维打印技术制造的具有规则空形态的高强度生物活性陶瓷，可以实现任意缺损的再生修复所需的植入物外形重建，并完全解决个体化定制的瓶颈问题。

因此，这种促骨再生修复的高力学强度的可降解生物活性陶瓷多孔材料显著的特征是: 经个体化定制构建的人工骨与缺损形成完全契合，并在修复过程长期发挥力学支撑功能，完全贯通的多孔网络不仅能方便成骨相关细胞和新生血管长入，而且降解性经异质离子的调控，与骨再生所需的降解进程更为匹配，同时降解释放的多元生物活性离子组合物对成骨相关（干）细胞的活性、增殖、分化和成骨矿化发挥刺激与促进作用，极大地改进了运用常规机械杂化、原位复合等复相陶瓷或者高剂量异质离子X掺杂形成新钙-硅-X基矿物质等原材料，通过常规的多孔材料加工制备技术构建而成的所谓生物活性陶瓷多孔材料，难以与骨缺损形态匹配、难以切割加工、难以应用于承重/薄壁骨损伤部位等诸多问题。

此外，本发明的材料制备工艺简单，多孔材料的外观形态、孔尺度、贯通孔尺度均易于调节和剪裁，多孔材料中的烧结性能、力学性能、生物学效应的协同调控与优化，极为有利于包括颅颌面骨、眼眶骨、牙槽骨、肢体骨、脊柱等众多部位骨损伤直接填充修复和骨再生组织工程在内的多种应用需求。

本发明的高强度可降解生物活性陶瓷多孔材料可以在骨科，口腔科，整形外科，颌面外科，脑外科或眼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、镁共掺杂β-硅酸钙粉体的XRD图。

图2是锌、镁共掺杂β-硅酸钙多孔陶瓷外观照片。

图3是锌、镁共掺杂β-硅酸钙陶瓷断面形貌SEM照片。

图4是锌、镁共掺杂β-硅酸钙陶瓷表面生物活性SEM照片。

图5是锌、镁共掺杂β-硅酸钙陶瓷在模拟体液中浸泡前后的抗压、抗弯强度。

图6是硼、镁共摻杂α-硅酸钙粉体的XRD图。

图7是硼、镁共摻杂α-硅酸钙多孔陶瓷外观照片。

图8是硼、镁共摻杂α-硅酸钙陶瓷断面形貌SEM照片。

图9是硼、镁共摻杂α-硅酸钙陶瓷表面生物活性SEM照片。

图10是硼、镁共摻杂α-硅酸钙陶瓷在模拟体液中浸泡前后的抗压、抗弯强度。

图11是硼、锌、镁共掺杂β-硅酸钙陶瓷外观照片。

图12是硼、锌、镁共掺杂β-硅酸钙陶瓷断面形貌SEM照片。

图13是硼、锌、镁共掺杂β-硅酸钙陶瓷表面生物活性SEM照片。

图14是硼、锌、镁共掺杂β-硅酸钙陶瓷在模拟体液中浸泡前后抗压、抗弯强度。

具体实施方式

下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施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、镁共掺杂β-硅酸钙陶瓷多孔材料】

1) 将250 mL的0.28 mol/L Ca（NO₃）₂、0.014 mol/L ZnCl₂、0.014 mol/L Mg（NO₃）₂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250 mL的 0.308 mol/L Na₂SiO₃水溶液中，滴加完毕后继续搅拌120分钟，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤2次，再用无水乙醇洗涤3次，在80^oC下烘干，经1000^oC下煅烧3小时，再球磨4小时，从而获得颗粒度在0.5~3 μm的锌、镁共摻杂β-硅酸钙粉体。经X-射线衍射测试（如图1所示），证明该粉体物相为纯β-硅酸钙，经原子吸收光谱分析测试，粉体中锌、镁质量含量分别为2.25%和1.07%。

2) 将锌、镁共摻杂β-硅酸钙5.0 g分散到浓度为5.5%的聚乙烯醇水溶液5.0 mL中，搅拌形成糊状物。再将糊状物置入三维打印机与喷头相连的储液池中，喷头口直径为300 μm，再按预设程序将相邻平行糊状物间距设置为350 μm，将储液池中的糊状物进行三维打印形成矩形孔道的多层叠加支架，再将该半固化支架在80^oC下干燥处理12小时，然后在一步升温到1180^oC下保温烧结6小时，从而得到由锌、镁共摻杂β-硅酸钙陶瓷多孔材料（如图2所示）；采用阿基米德法检测到多孔材料的孔隙率为65±3.4%；将扫面电镜(SEM)观察可见断面多孔壁内高度烧结，晶粒不存在明显长大（如图3所示）；将该多孔材料在模拟体液中浸泡48小时和120小时后，SEM观察到表面形成仿生类骨磷灰石沉积层，表明具有优良生物活性（如图4所示）；经力学测试，该多孔材料浸泡前后抗压强度和抗弯强度均保持稳定，尤其是抗压强度维持在90 MPa以上，抗弯强度也均在60 MPa以上（如图5所示），显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。

实施例2：【硼、镁共摻杂α-硅酸钙陶瓷陶瓷多孔材料】

1) 将500 mL的0.30 mol/L CaCl₂、0.018 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10.2、体积为500 mL的 0.30 mol/L Na₂SiO_{3 、}0.018 mol/L HBO₃水溶液中，滴加完毕后继续搅拌180分钟，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤2次，再用无水乙醇洗涤3次，在120^oC下烘干，经1220^oC下煅烧2小时，再球磨6小时，从而获得颗粒度在0.8~5.0 μm的粉体。经X-射线衍射测试，证明粉体为α-硅酸钙，并且不存在任何其它结晶相物质（如图6所示）；经原子吸收光谱分析测试，该α-硅酸钙粉体中硼、镁含量分别为0.78%和1.18%。硼、镁共摻杂α-硅酸钙。

2) 将硼、镁共摻杂α-硅酸钙10.0 g分散到浓度为5.0%的聚乙烯醇水溶液8.0 mL中，搅拌形成糊状物。再将糊状物置入三维打印机与喷头相连的储液池中，喷头口直径为300 μm，再按预设程序将相邻平行糊状物间距设置为450 μm，将储液池中的糊状物进行三维打印形成阿基米德弧形孔道的多层叠加支架，再将该半固化支架在85^oC下干燥处理12小时，然后在1250^oC下煅烧6小时，从而得到由硼、镁共摻杂α-硅酸钙陶瓷多孔材料（如图7所示）；采用阿基米德法检测到多孔材料的孔隙率为63±2.7%；将扫面电镜(SEM)观察可见断面多孔壁内高度烧结，但是晶粒存在长大（如图8所示）；将该多孔材料在模拟体液中浸泡60小时和168小时后，SEM观察到表面形成仿生类骨磷灰石沉积层，表明具有优良生物活性（如图9所示）；经力学测试，该多孔材料浸泡前后抗压强度和抗弯强度均保持稳定，尤其是抗压强度维持在50 MPa以上，抗弯强度也均在30 MPa以上（如图10所示），显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。

实施例3：【锌、镁、硼共掺杂β-硅酸钙陶瓷多孔材料】

1) 将500 mL的0.30 mol/L Ca（NO₃）₂、0.009 mol/L ZnCl₂、0.018 mol/L Mg（NO₃）₂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0.32 mol/L Na₂SiO_{3 、}0.007 mol/L HBO₃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2次，在120^oC下烘干，经950^oC下煅烧2小时，再球磨6小时，从而获得颗粒度在0.3~2 μm的锌、镁、硼共掺杂β-硅酸钙粉体。经X-射线衍射测试证明该粉体物相为纯β-硅酸钙，并不存在任何其它结晶相，经原子吸收光谱分析测试，粉体中锌、镁、硼质量含量分别为0.55%、1.02%和0.46%。

2) 将锌、镁、硼共掺杂β-硅酸钙4.5 g分散到浓度为6.0%的聚乙烯醇水溶液4.0 mL中，搅拌形成糊状物。再将糊状物置入三维打印机与喷头相连的储液池中，喷头口直径为450 μm，再按预设程序将蜂窝孔道孔径设为450 μm，再进行三维打印形成六边形孔道的多层叠加支架，再将该半固化支架在80^oC下干燥处理12小时，然后在1120^oC下煅烧6小时，从而得到由锌、镁共摻杂β-硅酸钙陶瓷多孔材料（如图11所示）；采用阿基米德法检测到多孔材料的孔隙率为60±2.8%；将扫面电镜(SEM)观察证实断面多孔壁内高度烧结，晶粒不存在长大；将该多孔材料在模拟体液中浸泡96小时后SEM观察证实表面形成仿生类骨磷灰石沉积层，具有优良生物活性；经力学测试，该多孔材料浸泡前后抗压强度和抗弯强度均保持稳定，尤其是抗压强度维持在92 MPa以上，抗弯强度也均在62 MPa以上（如图12所示），显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。

实施例4：【锌、镁、硼共掺杂β、α-硅酸钙共存陶瓷多孔材料】

1) 将250 mL的0.30 mol/L Ca（NO₃）₂、0.006 mol/L ZnCl₂、0.015 mol/L Mg（NO₃）₂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250 mL的0.30 mol/L Na₂SiO_{3 、}0.0021 mol/L HBO₃水溶液中，滴加完毕后继续搅拌120分钟，然后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤2次，再用无水乙醇洗涤2次，在100^oC下烘干，经1220^oC下煅烧1.5小时，再球磨5小时，从而获得颗粒度在0.3~2 μm的粉体，经X-射线衍射测试证明该粉体物相为β、α相共存硅酸钙，并不存在任何其它结晶相，经原子吸收光谱分析测试，粉体中锌、镁、硼质量含量分别为0.32%、0.77%和2.02%。

2) 将步骤1）粉体5 g分散到浓度为6.0%的聚乙烯醇水溶液5 mL中，搅拌形成糊状物。再将糊状物置入三维打印机与喷头相连的储液池中，再按预设程序，将储液池中的糊状物进行三维打印形成正方形孔道的多层叠加支架，再将该半固化支架在80^oC下干燥处理16小时，然后在1200^oC下煅烧2小时，从而得到由锌、镁、硼共掺杂β、α-硅酸钙共存的陶瓷多孔材料（如图13所示）；采用阿基米德法检测到多孔材料的孔隙率为69±3.1%；将扫面电镜(SEM)观察证实断面多孔壁内高度烧结，晶粒存在长大；将该多孔材料在模拟体液中浸泡72小时后SEM观察证实表面形成仿生类骨磷灰石沉积层；经力学测试，该多孔材料浸泡前后抗压强度和抗弯强度均保持稳定，尤其是抗压强度维持在70 MPa以上，抗弯强度也均在40 MPa以上（如图14所示），显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。

实施例5：【锌、镁共掺杂β-硅酸钙陶瓷多孔材料】

同实施例1，区别在于步骤1）中Ca（NO₃）₂、ZnCl₂、Mg（NO₃）₂和Na₂SiO₃的浓度分别调整为0.32 mol/L、0.008 mol/L、0.032 mol/L和0.36 mol/L，其它条件不变，所制备的锌、镁掺杂β-硅酸钙陶瓷多孔材料的孔隙率为66.4±2.2%，抗压强度和抗弯强度分别为113.5 MPa和66.05 MPa。

实施例6：【锌、镁共掺杂β-硅酸钙陶瓷多孔材料】

同实施例1，区别在于步骤2）中将相邻平行糊状物间距设置为550 μm，所制备的多孔材料孔隙率71±3.4%；经力学测试，该多孔材料抗压强度和抗弯强度分别为78.2±3.7 MPa和47±2.3 MPa，显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。

实施例7：【锌、镁掺杂β-硅酸钙陶瓷多孔材料】

同实施例1，区别在于步骤2）中将一步烧结温度制度改成两步法：将在一步升温到1180^oC下保温烧结20分钟后，快速降温到1050^oC继续烧结4小时，

所制备的多孔材料孔隙率63.7±1.9%；经力学测试，该多孔材料抗压强度和抗弯强度分别为119.8 MPa和78.6 MPa，显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。

实施例8：【锌、镁共掺杂β-硅酸钙陶瓷多孔材料】

同实施例1，区别在于步骤2）中将相邻平行糊状物间距设置为500 μm，烧结温度改为1100^oC，保温4小时，所制备的多孔材料孔隙率66.2±3.0%；经力学测试，该多孔材料抗压强度和抗弯强度分别为95.7±2.9 MPa和47±1.4 MPa，显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。

实施例9：【硼、镁共摻杂α-硅酸钙陶瓷多孔材料】

同实施例2，区别在于步骤1）中Ca（NO₃）₂、HBO₃、Mg（NO₃）₂和Na₂SiO₃的浓度分别调整为0.32 mol/L、0.008 mol/L、0.032 mol/L和0.36 mol/L，其它条件不变，所制备的硼、镁掺杂α-硅酸钙陶瓷多孔材料的孔隙率为65.6±1.2%，抗压强度和抗弯强度分别为63.5±2.2 MPa和42.05 ±1.42 MPa。

实施例10：【硼、镁共摻杂α-硅酸钙陶瓷多孔材料】

同实施例2，区别在于步骤2）中将孔道改为蜂窝型孔，所制备的多孔材料孔隙率54±2.4%；经力学测试，该多孔材料抗压强度和抗弯强度分别为90.3±2.6 MPa和62.8±1.7 MPa，显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。

实施例11：【硼、镁共摻杂α-硅酸钙陶瓷多孔材料】

同实施例2，区别在于步骤2）中将一步烧结温度制度改成两步法：将在一步升温到1250^oC下保温烧结30分钟后，快速降温到1100^oC继续烧结3小时，

所制备的多孔材料孔隙率63.7±1.9%；经力学测试，该多孔材料抗压强度和抗弯强度分别为76.4±2.9 MPa和56.8±1.8 MPa，显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。

实施例12：【硼、镁共摻杂α-硅酸钙陶瓷多孔材料】

同实施例2，区别在于步骤2）中将相邻平行糊状物间距设置为250 μm，烧结温度改为1320^oC，保温8小时，所制备的多孔材料孔隙率65.2±3.2%；经力学测试，该多孔材料抗压强度和抗弯强度分别为78.6±2.2 MPa和57.3±1.8 MPa，显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。

实施例13：【硼、镁共摻杂α-硅酸钙陶瓷多孔材料】

同实施例2，区别在于步骤2）中将相邻平行糊状物间距设置为500 μm，烧结温度改为1300^oC，保温2小时，所制备的多孔材料孔隙率69.2±3.2%；经力学测试，该多孔材料抗压强度和抗弯强度分别为75.3±2.6 MPa和53.4±1.0 MPa，显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。

实施例14：【锌、镁、硼共掺杂β-硅酸钙陶瓷多孔材料】

同实施例3，区别在于步骤2）中将喷头口直径改为300 μm，六边形蜂窝孔径改为250 μm，烧结温度改为1000^oC，保温1小时，所制备的多孔材料孔隙率55.7±3.2%；经力学测试，该多孔材料抗压强度和抗弯强度分别为92.3±3.2 MPa和68.4±1.8 MPa，显著高于现有技术发展的生物活性陶瓷在类似孔隙下的强度水平。经模拟体液浸泡28天过程，发现第7天强度下降2.8%左右，但是第14天、21天和28天抗压强度均持续上升，在28天时达到初始强度的123.4%，表明生理环境尽管存在降解，但是再矿化引起多孔材料骨架微结构更为稳定，从而显著提升了原位骨再生修复应用的可靠性。

实施例15：

应用实施例1、实施例2、实施例4制备的三种生物陶瓷多孔材料的骨损伤再生修复活性和降解性进行测试，具体如下：对样品进行高压蒸气灭菌，对33只4月周龄健康雄性新西兰大白兔(体重3.2±0.2 Kg)中其中30只等分为3组，经全身消毒灭菌后，在后腿股骨颈距关节头2.2 cm处沿骨干方向用骨钻造直径为6 mm、深度为10 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。分别填充实施例1、2和4制备的生物活性陶瓷多孔材料，剩余三只也实施骨损伤并保留损伤不填充材料，即为空白对照组。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6、12和18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18%。实验组结果如下：

以实施例1的多孔材料填充组：前6周多孔材料孔道网络内存在幼骨发育和丰富血管化发生，背埋材料多孔网络出现血管化，材料显示降解，无任何炎症反应迹象；12周后，新骨再生率达到54.8%，材料残留率为27.4%，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料残留率达到30.4%；18周后骨缺损内材料几乎降解吸收，骨再生率达到90%以上，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料降解率达到82%；

以实施例2的多孔材料填充组：前6周材料孔道网络内存在幼骨发育和血管化发生，背埋材料多孔网络出现血管化，材料显示降解，无炎症反应迹象；12周后新骨再生率达到49.6%，材料残留率为23.4%，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料残留率为25.6%；18周后骨缺损内材料完全降解吸收，骨再生率达到95%以上，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料完全降解吸收。

以实施例4的多孔材料填充组： 6周后材料孔道网络内存在新生骨发育和丰富血管化发生，背埋材料2~6周过程创面无炎症，6周时多孔网络出现血管化，材料显示降解，无炎症反应迹象；12周后新骨再生率达到63.6%，材料残留率为16.8%，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料残留率为15.2%；18周后骨缺损内材料完全降解吸收，骨再生率达到98%以上，并形成哈弗系统，表明发生了骨改建，背埋材料多孔网络内完全血管化，材料完全降解吸收。

Claims (8)

1.一种可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料，其特征在于，它是由低含量异质离子共摻杂的钙硅酸盐经三维打印和烧结制备的材料，低含量异质离子硼和/或锌与镁部分替代钙硅酸盐晶体中的钙、硅或摻杂于晶格空位，陶瓷多孔材料的孔道尺度为80~800 μm，孔道壁宽度与孔道尺度之比为1:(0.4~10)，外观形态与损伤骨的空腔结构匹配；陶瓷的结晶物质的名义化学式表示为Ca_1-x-yMg_xZn_ySi_1-zB_zO₃，其中0≤x, y, z<0.2，陶瓷多孔材料中各组分以氧化物形式表示的重量百分数含量为：CaO 44~52%，SiO₂ 47~54%，B₂O₃ 0~3.0%，ZnO 0~3.4%，MgO0.2~4.8%，其中B₂O₃和ZnO不同时为0，MgO含量与B₂O₃和ZnO含量之和的比为1:(0.2~5)。

2.根据权利要求1所述的一种可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料，其特征在于，所述钙硅酸盐是β-硅酸钙、α-硅酸钙或两者任意比例的复合物。

3.根据权利要求1所述的一种可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料，其特征在于，所述陶瓷多孔材料的孔道形态呈四方形、三角形、蜂窝形、多边形、圆形、阿基米德弧形中的一种或任意组合，相邻孔道之间的贯通孔的尺度为40~600 μm。

4.用于权利要求1所述的一种可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1) 将总摩尔浓度为0.1~0.50 mol/L的含Ca²⁺无机盐和异质离子无机盐的混合水溶液滴入到等体积的等摩尔浓度pH值为10.0~11的含SiO₃ ^2-和HBO₃水溶液中，Ca²⁺与正电荷异质金属离子的摩尔浓度之比1:(0.0025~0.20)，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800~1300^oC下煅烧和球磨处理，从而获得低含量异质离子Zn和/或B与Mg共摻杂的钙硅酸盐粉体；

2) 将低含量异质离子摻杂的钙硅酸盐粉体分散到浓度为3~8%的聚乙烯醇水溶液中，充分搅拌形成混匀糊状物，再将糊状物置入与管状喷头相连的三维打印机注射储液池中，再启动三维打印机，按预设孔道形态和陶瓷多孔材料的外观形态进行三维打印出陶瓷多孔材料，再将该陶瓷多孔复合材料干燥除去水分，在1000~1320^oC下烧结1~8小时处理，从而得到可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料。

5.根据权利要求4所述的一种可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料的制备方法，其特征在于：所述含Ca²⁺无机盐是Ca(CH₃COO)₂、CaCl₂、Ca(NO₃)₂中的一种或者几种的任意组合；所述异质离子无机盐是ZnCl₂、Zn(NO₃)₂；MgCl₂和Mg(NO₃)₂。

6.根据权利要求4所述的一种可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料的制备方法，其特征在于：所述烧结处理过程为一步或者两步烧结。

7.根据权利要求1-4所述的一种可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷多孔材料经X-射线衍射仅能检测到硅酸钙的结晶相，摻杂物的氧化物、硅酸盐、硼酸盐不显示在衍射图谱中。

8. 根据权利要求1所述的一种可降解钙硅酸盐生物陶瓷多孔材料的应用，其特征在于：在骨科，整形外科，颌面外科，口腔科，脑外科或眼科的骨缺损原位修复和骨再生医学中的应用。