CN105435303A - 一种增强型生物活性玻璃支架及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强型生物活性玻璃支架及其制备方法，属于组织工程支架领域。所述增强型生物活性玻璃支架由以下方法制得：将生物活性玻璃粉体与粘结剂混合均匀后加入去离子水得到可挤出的浆料，在一定温度下按照设定好的程序打印出一定形状的支架。将支架干燥后，在其表面喷涂支架增强处理液，干燥后得到增强型生物活性玻璃支架。该增强型生物活性玻璃支架具有规则有致并可控的孔结构，抗压强度可超过20MPa。可用于承受一定压力的大面积骨缺损修复、骨萎缩的增骨修复以及骨骼微整形术。

Description

一种增强型生物活性玻璃支架及其制备方法
技术领域
本发明涉及组织工程支架领域，具体涉及一种可承受一定压力的骨缺损和骨萎缩修复的增强型生物活性玻璃支架及其制备方法。
背景技术
生物活性玻璃具有优良的骨诱导和骨修复效果，目前已经实现粉体的形貌和粒径的可控制备，并广泛应用于骨缺损的修复。然而对于大面积的骨缺损修复或需要骨骼形态重塑的骨修复，生物活性玻璃粉体不能满足临床要求。组织工程支架可实现大面积骨缺损和骨萎缩的修复，其中3D打印技术在三维多孔支架的制备方面有着明显的优势，它可以根据预先设定的几何形貌和内部结构，逐层打印出个性化的高孔隙率的孔连通性100%的三维多孔支架。然而目前的3D打印生物活性玻璃支架存在抗压强度和抗水散性能差的缺点，不能满足具有一定压力部位的骨修复。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强型生物活性玻璃支架及其制备方法。一种机械性能有所加强的生物活性玻璃支架，克服目前采用3D打印技术制备的生物活性玻璃支架机械性能和抗水散性能较差的缺点。
为达到上述目的，本发明的解决方案如下。
一种增强型生物活性玻璃支架的制备方法，该方法制备步骤如下：
1）将生物活性玻璃粉体与粘结剂加入无水乙醇中，混合均匀后加入去离子水得到可挤出的浆料；
2）在打印温度下按照设定好的程序打印出支架；
3）将支架在25~60°C下干燥后，在支架表面喷涂支架增强处理液，干燥后得到增强型生物活性玻璃支架。
进一步地，步骤1）所述生物活性玻璃粉体为采用溶胶-凝胶制备的纳米级球形粉体。
进一步地，步骤1）所述粘结剂为甲基纤维素、聚乙烯醇和壳聚糖中的任意一种。
进一步地，步骤1）所述生物活性玻璃粉体与粘结剂的质量比为10:1~25:1。
进一步地，步骤2）所述打印温度随浆料的性质控制在10~60°C。
进一步地，步骤2）所述打印所用针头直径为0.41μm。
进一步地，步骤3）所述支架增强处理液为pH=7的磷酸盐缓冲溶液，浓度为3~6mol/L。
进一步地，向步骤3）的支架增强处理液中加入质量分数为1~8%的海藻酸钠。
由以上所述的制备方法制得的一种增强型生物活性玻璃支架。
上述的一种增强型生物活性玻璃支架应用于承受一定压力的骨缺损和骨萎缩的修复。
更进一步地，一种增强型生物活性玻璃支架的制备方法，包括以下步骤：
(1)将生物活性玻璃粉体与粘结剂加入无水乙醇中，采用球磨的方法使其混合均匀。在混合均匀后的体系中加入一定量的去离子水，使粘结剂迅速溶解，搅拌后得到浆料。
优选的，步骤(1)中所用的生物活性玻璃粉体为采用溶胶-凝胶制备的纳米级球形粉体。
优选的，步骤(1)中粘结剂为甲基纤维素，更优选的，所述生物活性玻璃粉体与粘结剂的质量比为10:1~25:1；
(2)将生物活性玻璃浆料移入3D打印机料筒中，按照预先设计好的程序在10~60°C的温度范围内打印不同设置参数的支架。
优选的，步骤(2)中打印所用针头直径为0.41μm。
优选的，步骤(2)中打印所用温度为室温。
(3)将支架干燥后，在其表面喷涂3~6mol/L、pH=7的磷酸盐缓冲溶液，干燥后得到增强型生物活性玻璃支架。
优选的，步骤(3)中支架增强处理液为4mol/L的磷酸盐缓冲溶液，更优选的，在4mol/L的磷酸盐缓冲溶液中加入质量分数为4%的海藻酸钠。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的增强型生物活性玻璃支架可根据打印设置制备不同纤维粗细、不同孔隙率等参数。
(2)本发明所述的增强型生物活性玻璃支架抗压强度可超过20MPa，可应用于承受一定压力的骨缺损和骨萎缩的修复。
附图说明
图1是本发明实施例1、2、3中生物活性玻璃支架的3D显微镜照片；
图2是本发明实施例1中单纯生物活性玻璃支架(a)与喷涂支架增强处理液生物活性玻璃支架(b)的三维重建图；
图3是本发明实施例1中单纯生物活性玻璃(a)与喷涂支架增强处理液生物活性玻璃支架(b)在相同的放大倍数下的扫描电镜图；
图4是本发明实施例1中未喷涂与喷涂支架增强处理液的生物活性玻璃的X射线衍射(XRD)图；
图5是本发明实施例1中未喷涂与喷涂支架增强处理液的生物活性玻璃的抗压强度对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种增强型生物活性玻璃支架，其制备方法如下：
(1)生物活性玻璃粉体的制备步骤：
生物活性玻璃粉体由溶胶凝胶结合模板剂法制得，具体合成过程如下：先将40g十二胺溶于250ml去离子水和800ml无水乙醇的混合溶剂中，再置于40°C水浴中磁力搅拌；待十二胺完全溶解后，加入160ml正硅酸乙酯；搅拌30min后，加入104.9ml磷酸三乙酯;再次搅拌30min后，加入242.1g四水硝酸钙；将得到的溶液在40°C下继续搅拌3h，此过程中由于白色沉淀的生成，溶液逐渐变得浑浊；最后将玻璃溶胶离心，将所得的白色沉淀置于60°C干燥24h，再置于650°C热处理3h，即得生物活性玻璃粉体。
(2)生物活性玻璃支架的3D打印步骤：
将10g生物活性玻璃粉体和0.67g甲基纤维素加入到10ml无水乙醇中，球磨2h，使生物活性玻璃粉体与甲基纤维素粉末混合均匀。在混合均匀后的体系中加入5ml去离子水使甲基纤维素迅速溶解，搅拌10min后得到可挤出的3D打印用生物玻璃浆料。支架打印过程在常温下进行，所用针头直径为0.41μm，纤维走向0~90°，无错切，支架样品为圆柱形，直径15mm，共15层。所得支架在37°C下干燥24h去除溶剂。
(3)生物活性玻璃支架的增强处理步骤：
支架增强处理液为加入质量分数为4%的海藻酸钠的4mol/l、pH=7的磷酸盐缓冲溶液。使用支架增强处理液对支架进行喷涂，喷涂后支架在37°C下干燥24h，移入恒温恒湿试验箱进行养护，完成支架的增强处理，得到增强型生物活性玻璃支架。
实施例2
一种增强型生物活性玻璃支架，其制备方法如下：
(1)生物活性玻璃粉体的制备步骤：
生物活性玻璃粉体由溶胶凝胶结合模板剂法制得，具体合成过程如下：先将80g十二胺溶于500ml去离子水和1600ml无水乙醇的混合溶剂中，再置于40℃水浴中磁力搅拌；待十二胺完全溶解后，加入320ml正硅酸乙酯；搅拌30min后，加入209.8ml磷酸三乙酯;再次搅拌30min后，加入484.2g四水硝酸钙；将得到的溶液在40°C下继续搅拌3h，此过程中由于白色沉淀的生成，溶液逐渐变得浑浊；最后将玻璃溶胶离心，将所得的白色沉淀置于60°C干燥24h，再置于650°C热处理5h，即得生物活性玻璃粉体。
(2)生物活性玻璃支架的3D打印步骤：
将10g生物活性玻璃粉体和1g甲基纤维素加入到10ml无水乙醇中，球磨2h，使生物活性玻璃粉体与甲基纤维素粉末混合均匀。在混合均匀后的体系中加入5ml去离子水使甲基纤维素迅速溶解，搅拌10min后得到可挤出的3D打印用生物玻璃浆料。支架打印过程在10°C进行，所用针头直径为0.41μm，纤维走向0-45°，无错切，支架样品为圆柱形，直径15mm，共15层。所得支架在60°C下干燥24h去除溶剂。
(3)生物活性玻璃支架的增强处理步骤：
支架增强处理液为加入质量分数为3%的海藻酸钠的4mol/l、pH=7的磷酸盐缓冲溶液。使用支架增强处理液对支架进行喷涂，喷涂后支架在37℃下干燥24h，移入恒温恒湿试验箱进行养护，完成支架的增强处理，得到增强型生物活性玻璃支架。
实施例3
一种增强型生物活性玻璃支架，其制备方法如下：
(1)生物活性玻璃粉体的制备步骤：
生物活性玻璃粉体由溶胶凝胶结合模板剂法制得，具体合成过程如下：先将120g十二胺溶于750ml去离子水和2400ml无水乙醇的混合溶剂中，再置于40°C水浴中磁力搅拌；待十二胺完全溶解后，加入480ml正硅酸乙酯；搅拌30min后，加入314.7ml磷酸三乙酯;再次搅拌30min后，加入726.3g四水硝酸钙；将得到的溶液在40°C下继续搅拌3h，此过程中由于白色沉淀的生成，溶液逐渐变得浑浊；最后将玻璃溶胶离心，将所得的白色沉淀置于60°C干燥24h，再置于650°C热处理5h，即得生物活性玻璃粉体。
(2)生物活性玻璃支架的3D打印步骤：
将10g生物活性玻璃粉体和0.4g甲基纤维素加入到10ml无水乙醇中，球磨3h，使生物活性玻璃粉体与甲基纤维素粉末混合均匀。在混合均匀后的体系中加入5ml去离子水使甲基纤维素迅速溶解，搅拌10min后得到可挤出的3D打印用生物玻璃浆料。支架打印过程在常温下进行，所用针头直径为0.41μm，纤维走向0-90°，x、y均错切0.2mm，支架样品为圆柱形，直径15mm，共15层。所得支架在60°C下干燥24h去除溶剂。
(3)生物活性玻璃支架的增强处理步骤：
支架增强处理液为加入质量分数为5%的海藻酸钠的4mol/l、pH=7的磷酸盐缓冲溶液。使用支架增强处理液对支架进行喷涂，喷涂后支架在50°C下干燥24h，移入恒温恒湿试验箱进行养护，完成支架的增强处理，得到增强型生物活性玻璃支架。
对所述增强型生物活性玻璃支架进行性能表征。实施例1、2、3的数码照片如图1中的（a）、（b）、（c）所示。实施例1的三维重建图如图2所示，扫描电镜图如图3所示，可见经过喷涂支架增强处理液后，在支架表面明显出现一层颗粒状物质。X射线衍射结果(图4)证实经过增强处理后，出现CaK3H(PO4)2晶体。抗压强度结果(图5)证实，经增强处理后抗压强度超过20MPa，明显优于未喷涂组。实施例2、3中喷涂支架增强处理液生物活性玻璃支架的三维重建图、扫描电镜图、X射线衍射(XRD)图、抗压强度对比图与实施例1的基本一致。

Claims (9)

1.一种增强型生物活性玻璃支架的制备方法，其特征在于：该方法制备步骤如下：
1）将生物活性玻璃粉体与粘结剂加入无水乙醇中，混合均匀后加入去离子水得到可挤出的浆料；
2）在打印温度下按照设定好的程序打印出支架；
3）将支架在25~60°C下干燥后，在支架表面喷涂支架增强处理液，干燥后得到增强型生物活性玻璃支架。
2.根据权利要求1所述的一种增强型生物活性玻璃支架的制备方法，其特征在于：步骤1）所述生物活性玻璃粉体为采用溶胶-凝胶制备的纳米级球形粉体。
3.根据权利要求1所述的一种增强型生物活性玻璃支架的制备方法，其特征在于：步骤1）所述粘结剂为甲基纤维素、聚乙烯醇和壳聚糖中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种增强型生物活性玻璃支架的制备方法，其特征在于：步骤1）所述生物活性玻璃粉体与粘结剂的质量比为10:1~25:1。
5.根据权利要求1所述的一种增强型生物活性玻璃支架的制备方法，其特征在于：步骤2）所述打印温度随浆料的性质控制在10~60°C。
6.根据权利要求1所述的一种增强型生物活性玻璃支架的制备方法，其特征在于：步骤2）所述打印所用针头直径为0.41μm。
7.根据权利要求1所述的一种增强型生物活性玻璃支架的制备方法，其特征在于：步骤3）所述支架增强处理液为pH=7的磷酸盐缓冲溶液，浓度为3~6mol/L。
8.根据权利要求7所述的一种增强型生物活性玻璃支架的制备方法，其特征在于：向步骤3）的支架增强处理液中加入质量分数为1~8%的海藻酸钠。
9.由权利要求1所述的制备方法制得的一种增强型生物活性玻璃支架。
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