CN106178101A - 一种多孔生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法 - Google Patents

一种多孔生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种多孔生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法，包括一个制备生物活性玻璃粉体的步骤；一个制备聚乙烯醇水溶液的步骤；将物活性玻璃粉体加入到聚乙烯醇水溶液中，搅拌均匀配成打印墨水；将打印墨水装进三维打印机的料筒中；启动三维打印程序，将墨水以层层堆积的方式沉积在载物平台的玻璃培养皿中，得到多孔生物活性玻璃支架素胚；将得到的多孔支架素胚置于管式炉中烧结，得到所需的多孔生物活性玻璃陶瓷支架。对所述多孔支架的理化性能和生物学性能检测得知，支架具有三维连通的大孔结构，孔径为50~1000微米，孔隙率在50~90%可调，力学性能良好，并且对人体骨髓间质干细胞的增殖、分化和成骨起促进作用。

Description

一种多孔生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法
技术领域
本发明属于材料学领域，涉及一种骨组织工程支架，具体来说是一种多孔生物活性玻璃陶瓷支架及其制备方法。
背景技术
骨组织工程的提出和发展改变了传统的骨缺损修复治疗模式。骨组织工程包括三个基本要素—细胞、支架材料和信号分子，其中支架材料作为构建骨组织工程最基本的载体材料，在骨组织工程中扮演着非常重要的角色。研究表明，CaO-SiO2-P2O5体系生物活性玻璃，由于CaO和SiO2的引入能够诱导类骨羟基磷灰石的形成，促进细胞的增殖和成骨分化，从而刺激新骨生成修复缺损部位。目前，常见的生物活性陶瓷支架主要包括羟基磷灰石（HA）和β- 磷酸三钙（β-TCP）等；但是制备相关陶瓷支架的烧结温度较高（1250℃左右），会降低陶瓷支架的生物活性，往往需要对支架进行进一步改性才能满足骨修复的需求，这样会使得相关工艺更加复杂，增加成本。以生物活性玻璃为原料制备陶瓷支架，烧结温度降低的同时还可获得优异的生物活性。
传统制备陶瓷支架的方法主要为造孔剂法，冷冻干燥法和有机泡沫浸渍法。但是这些方法都不能精确调控支架的内部结构和孔的连通性。研究发现，支架的内部结构包括孔的大小、形状和连通性等都会影响支架的降解、离子释放、营养物质输送、细胞粘附及生长等情况，对细胞行为产生重要影响。
三维打印技术作为一种新型快速成型技术能够精确控制支架的外观以及内部孔的形状、大小和连通性，制备出有利于细胞生长和成骨的骨组织工程支架。此外，三维打印技术操作便捷、重复性强，对材料本身性质影响较小。
在现有技术背景下，以生物活性玻璃为原料，采用三维打印技术制备多孔生物活性玻璃陶瓷支架，有望为骨组织工程支架制备及骨缺损修复治疗带来新的策略。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种多孔生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法，所述的这种多孔生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法要解决现有技术的方法制备的陶瓷支架不能精确调控支架的内部结构和孔的连通性的技术问题。
本发明一种多孔生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法，包括以下步骤：
1)一个制备生物活性玻璃粉体的步骤，将生物活性玻璃凝胶球磨粉碎，并过200~800目筛子，使其尺寸范围为22~70微米，干燥保存备用；
2)将聚乙烯醇溶于去离子水，所述的聚乙烯醇质量分数为50000~200000，90℃磁力搅拌1~6小时，配成质量分数为5~20%的溶液，密封保存备用；
3)将步骤1）得到的生物活性玻璃粉体加入到PVA溶液中，生物活性玻璃粉体和聚乙烯醇溶液的质量比为1.0~5.0，搅拌均匀配成打印墨水，密封保存备用；
4)将步骤3）得到的打印墨水装进三维打印机的料筒中，针头直径为100~1000微米；启动三维打印程序，调节气压为0.6~3.2bar，打印速度为2.0~8.0mm/s，墨水相邻两层走向夹角为0°~180°，孔径为50~1200微米，将墨水以层层堆积的方式沉积在载物平台的玻璃培养皿中，60℃干燥24小时，得到多孔生物活性玻璃支架素胚；
5)将步骤4）得到的多孔支架素胚置于管式炉中烧结，先从室温以0.5~3℃/min的速度加热到200~400℃，保温2~4小时，然后以1~5℃/min的速度加热到800~1200℃，保温1~6小时，最后自然冷却至室温，得到所需的多孔生物活性玻璃陶瓷支架。
进一步的，步骤1）中的生物活性玻璃粉体采用溶胶挥发诱导自组装过程制得，60℃干燥24~48小时得到生物玻璃凝胶，球磨碾碎，不需进一步煅烧处理即可得到生物活性玻璃粉体。
本发明以生物活性玻璃为原料，采用三维打印技术制备出多孔生物活性玻璃支架，烧结温度低，精确控制支架的内部结构。对所述多孔支架的理化性能和生物学性能检测得知，支架具有三维连通的大孔结构，孔径为50~1000微米，孔隙率在50~90%可调，力学性能良好（2~30MPa），并且对人体骨髓间质干细胞的增殖、分化和成骨起促进作用。本发明的多孔支架制备方法为骨组织工程陶瓷支架的制备提供了新的技术。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明提供了一种三维连通结构可控的生物活性玻璃陶瓷支架及其三维打印制备方法，本发明的方法能够有效地控制支架的内部结构，提高了支架的生物学性能。
附图说明
图1是本发明实施例1所制备的多孔生物活性玻璃陶瓷支架的光学照片。
图2是本发明实施例1所制备的多孔生物活性玻璃陶瓷支架的SEM图。
图3是本发明实施例1所制备的多孔生物活性玻璃陶瓷支架的抗压强度曲线。
图4是人体骨髓间质干细胞在本发明实施例1所制备的多孔生物活性玻璃陶瓷支架上培养3天后的SEM图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明的实施例做详细说明。
实施例1
本发明所述一种生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备生物活性玻璃粉体，并过400目的筛子，使其尺寸小于37微米，干燥保存备用；
步骤二，将聚乙烯醇（PVA，质量分数为146000-186000）溶于去离子水，90℃磁力搅拌3小时，配成质量分数为10%的PVA溶液，密封保存备用；
步骤三，将步骤一得到的生物活性玻璃粉体加入到PVA溶液中，质量比为2:1，快速搅拌均匀配成打印墨水，密封保存备用。
步骤四，将步骤三得到的打印墨水装进三维打印机的料筒中，针头直径为400微米；启动三维打印程序，调节气压为1.6bar，打印速度为3.8mm/s，墨水相邻两层走向夹角为90°，孔间距为400微米，将墨水以层层堆积的方式沉积在载物平台的玻璃培养皿中，60℃干燥24小时，得到多孔生物活性玻璃支架素胚。
步骤五，将步骤四的多孔支架素胚置于管式炉中烧结，先从室温以1℃/min的速度加热到300℃，保温2小时，然后以3℃/min的速度加热到1000℃，保温3小时，最后自然冷却至室温，得到所需的多孔生物活性玻璃陶瓷支架。
实施例2
本发明所述一种生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备生物活性玻璃粉体，并过300目的筛子，使其尺寸小于50微米，干燥保存备用；
步骤二，将聚乙烯醇（PVA，质量分数为146000-186000）溶于去离子水，90℃磁力搅拌3小时，配成质量分数为10%的PVA溶液，密封保存备用；
步骤三，将步骤一得到的生物活性玻璃粉体加入到PVA溶液中，质量比为3:2，快速搅拌均匀配成打印墨水，密封保存备用。
步骤四，将步骤三的打印墨水装进三维打印机的料筒中，针头直径为600微米；启动三维打印程序，调节气压为1.4bar，打印速度为4.2mm/s，墨水相邻两层走向夹角为60°，孔径为600微米，将墨水以层层堆积的方式沉积在载物平台的玻璃培养皿中，60℃干燥24小时，得到多孔生物活性玻璃支架素胚。
步骤五，将步骤四的多孔支架素胚置于管式炉中烧结，先从室温以1℃/min的速度加热到300℃，保温2小时，然后以3℃/min的速度加热到1000℃，保温3小时，最后自然冷却至室温，得到所需的多孔生物活性玻璃陶瓷支架。
实施例3
本发明所述一种生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备生物活性玻璃粉体，并过400目的筛子，使其尺寸小于37微米，干燥保存备用；
步骤二，将聚乙烯醇（PVA，质量分数为85000~124000）溶于去离子水，90℃磁力搅拌2小时，配成质量分数为15%的PVA溶液，密封保存备用；
步骤三，将步骤一得到的生物活性玻璃粉体加入到PVA溶液中，质量比为3:1，快速搅拌均匀配成打印墨水，密封保存备用。
步骤四，将将步骤三的打印墨水装进三维打印机的料筒中，针头直径为400微米；启动三维打印程序，调节气压为1.8bar，打印速度为4.0~4.2mm/s，墨水相邻两层走向夹角为45°，孔间距为400微米，将墨水以层层堆积的方式沉积在载物平台的玻璃培养皿中，60℃干燥24小时，得到多孔生物活性玻璃支架素胚。
步骤五，将步骤四的多孔支架素胚置于管式炉中烧结，先从室温以1℃/min的速度加热到350℃，保温2小时，然后以3℃/min的速度加热到900℃，保温3小时，最后自然冷却至室温，得到所需的多孔生物活性玻璃陶瓷支架。
实施例4 细胞粘附测试例
人体骨髓间质干细胞在实施例1所制备的多孔生物活性玻璃陶瓷支架上粘附情况研究，包括以下步骤：
步骤一，根据文献报道提取人体骨髓间质干细胞[[1]MatsubaraT,SuarditaK, IshiiM, et al. Alveolar bone marrow as a cell source for regenerative medicine:differences between alveolar and iliac bone marrow stromal cells[J]. Journalof Bone and Mineral Research, 2005, 20(3): 399-409.]，后续实验所用细胞都是传代培养至第五代的细胞。
步骤二，将实施例1所制备的多孔生物活性玻璃陶瓷支架放在紫外灯下照射24小时灭菌，同时在24孔培养板中加入lml含10％胎牛血清(InVitro Technology, Australia)的细胞培养基(GIBCO,InvitrogenPty Ltd.,Australia)预先润湿24h，更换培养基，接着将灭菌支架材料移入24孔板内。然后，将含有1×105 人体骨髓间质干细胞的200μ1的培养液滴加到每个支架上，并在37℃、5％CO2气氛的CO2培养箱中培养。
步骤三，细胞在支架上培养3天后，先在37℃下用PBS缓冲液洗涤三次，接着所有样品用含有2.5％戊二醛的PBS固定1h，固定剂通过含有4%蔗糖的缓冲溶液PBS除去，之后通过含有1%的四氧化锇的PBS缓冲溶液进行固定，再通过梯度乙醇溶液(50%, 70%, 90%, 95%,100%)和六甲基二硅胺烷溶液(HMDS)脱水处理。
步骤四，用扫描电镜(FEI Quanta 450)观察细胞在支架表面的粘附情况，所有支架样品用导电胶粘在金属基座上，观察前进行喷金60秒处理。
结果如图4所示，人体骨髓间质干细胞在多孔生物活性玻璃陶瓷支架上粘附良好并且完全铺展开，表明多孔生物活性玻璃陶瓷支架有利于细胞粘附，具有良好的生物活性。
上述内容详细描述的本发明较佳具体实例。应当理解，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种多孔生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）一个制备生物活性玻璃粉体的步骤，将生物活性玻璃凝胶球磨粉碎，并过200~800目筛子，使其尺寸范围为22~70微米，干燥保存备用；
2）将聚乙烯醇溶于去离子水，所述的聚乙烯醇质量分数为50000~200000，90℃磁力搅拌1~6小时，配成质量分数为5~20%的溶液，密封保存备用；
3）将步骤1）得到的生物活性玻璃粉体加入到PVA溶液中，生物活性玻璃粉体和聚乙烯醇溶液的质量比为1.0~5.0，搅拌均匀配成打印墨水，密封保存备用；
4）将步骤3）得到的打印墨水装进三维打印机的料筒中，针头直径为100~1000微米；启动三维打印程序，调节气压为0.6~3.2bar，打印速度为2.0~8.0mm/s，墨水相邻两层走向夹角为0°~180°，孔径为50~1200微米，将墨水以层层堆积的方式沉积在载物平台的玻璃培养皿中，60℃干燥24小时，得到多孔生物活性玻璃支架素胚；
5）将步骤4）得到的多孔支架素胚置于管式炉中烧结，先从室温以0.5~3℃/min的速度加热到200~400℃，保温2~4小时，然后以1~5℃/min的速度加热到800~1200℃，保温1~6小时，最后自然冷却至室温，得到所需的多孔生物活性玻璃陶瓷支架。
2.根据权利要求1所述的一种多孔生物活性玻璃陶瓷支架的制备方法，其特征在于：步骤1）中的生物活性玻璃粉体采用溶胶挥发诱导自组装过程制得，60℃干燥24~48小时得到生物玻璃凝胶，球磨碾碎，不需进一步煅烧处理即可得到生物活性玻璃粉体。
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