CN106946586B - 多孔生物陶瓷支架及其制备方法 - Google Patents

多孔生物陶瓷支架及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多孔生物陶瓷支架及其制备方法，制备方法包括如下步骤：将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版；将陶瓷粉末与分散剂溶液混合得到陶瓷浆料；将陶瓷浆料注入所述致孔剂模版中，注浆后得到陶瓷坯体；将陶瓷坯体预冻后冷冻干燥，接着对陶瓷坯体进行排蜡和烧结，冷却后得到多孔生物陶瓷支架。这种多孔生物陶瓷支架的制备方法，通过将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版，制得的多孔生物陶瓷支架的孔结构与天然骨接近，是一种性能更为优良的骨修复材料。

Description

多孔生物陶瓷支架及其制备方法
技术领域
本发明涉及医疗材料领域，特别是涉及一种多孔生物陶瓷支架及其制备方法。
背景技术
人工骨修复材料与传统的骨修复方案——自体骨、异体骨及异种骨材料相比，具有无免疫排斥反应、无动物源性风险、成本低廉、来源广泛和免除病人二次手术等优点，被认为是一类最具前景的骨修复材料。
为使细胞和血管更容易长入到材料内部以促进新骨组织快速形成，人工骨修复材料往往被制备为仿生天然骨结构的连通多孔支架形状。天然骨结构呈内部疏松，外部比较致密的径向梯度结构，不同尺寸的孔洞适合不同细胞的生长以及朝着不同方向分化，例如，200μm～350μm的孔适合骨传导，60μm～150μm的孔适合血管平滑肌细胞长入，而70μm～120μm的孔则适合软骨长入。因此制备具有梯度连通孔的人工骨材料符合临床上更广泛的需求。
目前制备梯度多孔支架制备方法有离心冷冻干燥法、有机泡沫模板浸渍法、致孔剂压制法、3D打印法及微球致孔剂堆积法等。微球致孔剂堆积法是借助微球致孔剂紧密堆积形成的模板而制备多孔材料的方法，具有通孔率高、孔洞形状规则、孔径大小可控等优点，是制备梯度多孔材料的热门方法。刘玮健等(组织工程用梯度支架材料的制备和表征，北京化工大学，2006)采用不同粒径大小的氯化钠颗粒的堆积模板，虽然实现了模板具有一定的梯度结构，但是由于氯化钠颗粒呈方形，堆积之后形成的连通孔均一度低，另外将聚乳酸和致孔剂进行先混合再注模，易造成致孔剂之间不能有效接触，更加限制了连通孔的大小和数量，制得的多孔生物陶瓷支架的孔结构与天然骨差异较大，影响应用。
发明内容
基于此，有必要提供一种孔结构与天然骨头接近的多孔生物陶瓷支架及其制备方法。
一种多孔生物陶瓷支架的制备方法，包括如下步骤：
将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版；
将陶瓷粉末与分散剂溶液混合得到陶瓷浆料；
将所述陶瓷浆料注入所述致孔剂模版中，注浆后得到陶瓷坯体；
将所述陶瓷坯体预冻后冷冻干燥，接着对所述陶瓷坯体进行排蜡和烧结，冷却后得到所述多孔生物陶瓷支架。
在一个实施例中，所述大粒径石蜡微球的粒径为600μm～1200μm，所述小粒径石蜡微球的粒径为50μm～600μm；
所述致孔剂模版中，所述大粒径石蜡微球和所述小粒径石蜡微球的质量比为1：0.1～10。
在一个实施例中，将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版的操作为：
将所述大粒径石蜡微球堆积在筒状模具内部，压平后再将所述小粒径石蜡微球堆积在所述筒状模具外周，压平后撤出所述筒状模具形成堆积好的石蜡微球模板；将石蜡微球模板在40℃～60℃的条件下加热10～30min，使得所述大粒径石蜡微球和所述小粒径石蜡微球之间相互粘结，冷却后形成粒径径向梯度变化的所述致孔剂模版。
在一个实施例中，将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版的操作为：
将所述大粒径石蜡微球堆积在筒状模具内部，压平后在40℃～60℃的条件下加热10min～30min，使得所述大粒径的石蜡微球之间相互粘结，冷却后形成大粒径石蜡微球模板；将小粒径的石蜡微球堆积所述筒状模具外周，压平后撤出所述筒状模具，在40℃～60℃的条件下加热10min～30min，使得所述大粒径石蜡微球和所述小粒径石蜡微球之间相互粘结，冷却后形成粒径径向梯度变化的所述致孔剂模版。
在一个实施例中，所述筒状模具为圆形筒状模具、椭圆形筒状模具、长方形筒状模具或梯形筒状模具。
在一个实施例中，所述陶瓷粉末选自α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、磷酸四钙、焦磷酸钙、硫酸钙、硅酸钙、羟基磷灰石和缺钙磷灰石中的至少一种；
所述分散剂溶液为聚丙烯酸铵溶液、聚丙烯酸钠溶液或二水合柠檬酸三钠溶液，所述分散剂溶液的质量百分浓度为0.01％～10％。
在一个实施例中，所述陶瓷粉末与所述分散剂溶液的质量体积比为0.5g/mL～1.2g/mL。
在一个实施例中，将所述陶瓷坯体预冻后冷冻干燥的操作为：将所述陶瓷坯体在0～-24℃的条件下预冻1～4h，接着在0～-80℃、真空度为0～100pa的条件下冷冻干燥。
在一个实施例中，对所述陶瓷坯体进行排蜡和烧结，冷却后得到所述多孔生物陶瓷支架的操作为：按照1℃/min～5℃/min的升温速率将所述陶瓷坯体升温至300℃～600℃并保温0.5h～5h以除去石蜡，接着按照5℃/min～10℃/min的升温速率将所述陶瓷坯体升温至900℃～1300℃并保温0.5h～5h，冷却后得到所述多孔生物陶瓷支架。
一种多孔生物陶瓷支架，采用上述的多孔生物陶瓷支架的制备方法制得。
这种多孔生物陶瓷支架的制备方法，通过将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版，将陶瓷浆料注入致孔剂模版中，注浆、干燥、排蜡和烧结后得到的多孔生物陶瓷支架具有径向梯度变化的孔结构，并且孔隙分布均匀可控，孔形规整，连通孔率高。这种多孔生物陶瓷支架的制备方法制得的多孔生物陶瓷支架的孔结构与天然骨头接近，是一种性能更为优良的骨修复材料。
附图说明
图1为一实施方式的多孔生物陶瓷支架的制备方法的流程图；
图2是实施例1制得的多孔生物陶瓷支架的小孔径区域的扫描电子显微镜照片；
图3是实施例1制得的多孔生物陶瓷支架的大孔径区域的扫描电子显微镜照片；
图4是实施例2制得的多孔生物陶瓷支架的小孔径区域的扫描电子显微镜照片；
图5是实施例2制得的多孔生物陶瓷支架的大孔径区域的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面主要结合附图及具体实施例对多孔生物陶瓷支架及其制备方法作进一步详细的说明。
如图1所示的一实施方式的多孔生物陶瓷支架的制备方法，包括如下步骤：
S10、将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版。
大粒径石蜡微球可以为球形石蜡微球或椭球形石蜡微球，小粒径石蜡微球可以为球形石蜡微球或椭球形石蜡微球。
大粒径石蜡微球的粒径可以为600μm～1200μm，小粒径石蜡微球的粒径可以为50μm～600μm。
致孔剂模版中，大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球的质量比为1：0.1～10。
将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版的操作还可以为：将大粒径石蜡微球堆积在筒状模具内部，压平后再将小粒径石蜡微球堆积在筒状模具外周，压平后撤出筒状模具形成堆积好的石蜡微球模板；将石蜡微球模板在40℃～60℃的条件下加热10～30min，使得大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球之间相互粘结，冷却后形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版。
将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版的操作还可以为：将大粒径石蜡微球堆积在筒状模具内部，压平后在40℃～60℃的条件下加热10min～30min，使得大粒径的石蜡微球之间相互粘结，冷却后形成大粒径石蜡微球模板；将小粒径的石蜡微球堆积筒状模具外周，压平后撤出筒状模具，接着在40℃～60℃的条件下加热10min～30min，使得大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球之间相互粘结，冷却后形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版。
S20、将陶瓷粉末与分散剂溶液混合得到陶瓷浆料。
陶瓷粉末选自α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、磷酸四钙、焦磷酸钙、硫酸钙、硅酸钙、羟基磷灰石和缺钙磷灰石中的至少一种。
分散剂溶液为聚丙烯酸铵溶液、聚丙烯酸钠溶液或二水合柠檬酸三钠溶液。分散剂溶液的质量百分浓度为0.01％～10％。
陶瓷粉末与分散剂溶液的质量体积比为0.5g/mL～1.2g/mL。
S30、将S20得到的陶瓷浆料注入S10得到的致孔剂模版中，注浆后得到陶瓷坯体。
注浆的操作可以为抽滤注浆。
抽滤注浆的操作可以实现陶瓷坯体的快速成型。
S40、将S30得到的陶瓷坯体预冻后冷冻干燥，接着对陶瓷坯体进行排蜡和烧结，冷却后所述多孔生物陶瓷支架。
将陶瓷坯体预冻后冷冻干燥的操作为：将陶瓷坯体在0～-24℃的条件下预冻1～4h，接着在0～-80℃、真空度为0～100pa的条件下冷冻干燥。
冷冻干燥的操作避免了陶瓷坯体在干燥过程中因体积收缩不均而出现的剥落和裂纹现象。
对陶瓷坯体进行排蜡和烧结，冷却后得到多孔生物陶瓷支架的操作为：按照1℃/min～5℃/min的升温速率将陶瓷坯体升温至300℃～600℃并保温0.5h～5h以除去石蜡，接着按照5℃/min～10℃/min的升温速率将陶瓷坯体升温至900℃～1300℃并保温0.5h～5h，冷却后得到多孔生物陶瓷支架。
这种多孔生物陶瓷支架的制备方法，通过将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版，将陶瓷浆料注入致孔剂模版中，经注浆、干燥、排蜡和烧结后得到的多孔生物陶瓷支架具有梯度变化的多孔结构，并且孔隙分布均匀可控，孔形规整，连通孔率高。这种多孔生物陶瓷支架的制备方法制得的多孔生物陶瓷支架的孔结构与天然骨头接近，是一种性能更为优良的骨修复材料。
本发明还公开了一实施方式的多孔生物陶瓷支架，采用上述的多孔生物陶瓷支架的制备方法制得。
这种多孔生物陶瓷支架具有梯度变化的孔结构，与天然骨头接近，是一种性能更为优良的骨修复材料。
下面为具体实施例。
实施例1
1、筛选出粒径范围在600μm～1200μm的石蜡微球作为大粒径石蜡微球，粒径范围在50μm～600μm的石蜡微球作为小粒径石蜡微球。
2、大粒径石蜡微球堆积在筒状模具内部，压平后在在45℃条件下加热15min，使得大粒径的石蜡微球之间相互粘结，冷却后形成大粒径石蜡微球模板；再将小粒径石蜡微球堆积在筒状模具外周，压平后撤出筒状模具，接着在45℃条件下加热15min，冷却后形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版。其中，大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球的质量比为2：1。
3、配制质量百分浓度为2％的聚丙烯酸铵分散剂溶液，将β-磷酸三钙与硅酸钙按质量比1：1比例混合成陶瓷粉末，再按陶瓷粉末：聚丙烯酸铵分散剂溶液＝1g：1mL的比例配制成陶瓷浆料。
4、将陶瓷浆料注入致孔剂模版中，利用真空抽滤的方式形成陶瓷坯体。
5、将陶瓷坯体放置在-20℃条件下预冻2h，而后在真空度为30pa、温度为-30℃的条件冷冻干燥。
6、将干燥后的陶瓷坯体放入烧结炉中，按2℃/min升温速率升至600℃，保温2h，充分去除致孔剂，而后按10℃/min升温速度升至1300℃，保温1h，冷却后得到多孔生物陶瓷支架。
用扫描电子显微镜对实施例1制得的多孔生物陶瓷支架的不同区域进行观察，得到图2和图3。
由图2和图3可以看出，实施例1制得的多孔生物陶瓷支架具有两种大小的孔结构，并且孔隙分布均匀可控，孔形规整，连通孔率高。
实施例2
1、筛选出粒径范围在600μm～1200μm的石蜡微球作为大粒径石蜡微球，粒径范围在50μm～600μm的石蜡微球作为小粒径石蜡微球。
2、大粒径石蜡微球堆积在筒状模具内部，再将小粒径石蜡微球堆积在筒状模具外周，压平后撤出筒状模具，接着在40℃条件下加热30min，冷却后形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版。其中，大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球的质量比为1：1。
3、配制质量百分浓度为1％的聚丙烯酸钠分散剂溶液，将羟基磷灰石与β-磷酸三钙质量比1：1比例混合成陶瓷粉末，再按陶瓷粉末：聚丙烯酸铵分散剂溶液＝1g：0.9mL的比例配制成陶瓷浆料。
4、将陶瓷浆料注入致孔剂模版中，利用真空抽滤的方式形成陶瓷坯体。
5、将陶瓷坯体放置在-20℃条件下预冻4h，而后在真空度为50pa、温度为-50℃的条件冷冻干燥。
6、将干燥后的陶瓷坯体放入烧结炉中，按3℃/min升温速率升至600℃，保温1h，充分去除致孔剂，而后按5℃/min升温速度升至1300℃，保温2h，冷却后得到多孔生物陶瓷支架。
用扫描电子显微镜对实施例2制得的多孔生物陶瓷支架的不同区域进行观察，得到图4和图5。
由图4和图5可以看出，实施例2制得的多孔生物陶瓷支架具有两种大小的孔结构，并且孔隙分布均匀可控，孔形规整，连通孔率高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版；
将陶瓷粉末与分散剂溶液混合得到陶瓷浆料；
将所述陶瓷浆料注入所述致孔剂模版中，注浆后得到陶瓷坯体；所述注浆的操作为真空抽滤注浆；
将所述陶瓷坯体预冻后冷冻干燥，接着对所述陶瓷坯体进行排蜡和烧结，冷却后得到所述多孔生物陶瓷支架；
所述大粒径石蜡微球的粒径为600μm～1200μm，小粒径石蜡微球的粒径可以为50μm～600μm；
将大粒径石蜡微球和小粒径石蜡微球混合堆积并加热形成粒径径向梯度变化的致孔剂模版的操作为：
将所述大粒径石蜡微球堆积在筒状模具内部，压平后再将所述小粒径石蜡微球堆积在所述筒状模具外周，压平后撤出所述筒状模具形成堆积好的石蜡微球模板；将石蜡微球模板在40℃～60℃的条件下加热10～30min，使得所述大粒径石蜡微球和所述小粒径石蜡微球之间相互粘结，冷却后形成粒径径向梯度变化的所述致孔剂模版；
或；
将所述大粒径石蜡微球堆积在筒状模具内部，压平后在40℃～60℃的条件下加热10min～30min，使得所述大粒径的石蜡微球之间相互粘结，冷却后形成大粒径石蜡微球模板；将小粒径的石蜡微球堆积所述筒状模具外周，压平后撤出所述筒状模具，在40℃～60℃的条件下加热10min～30min，使得所述大粒径石蜡微球和所述小粒径石蜡微球之间相互粘结，冷却后形成粒径径向梯度变化的所述致孔剂模版。
2.根据权利要求1所述的多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，所述致孔剂模版中，所述大粒径石蜡微球和所述小粒径石蜡微球的质量比为1：0.1～10。
3.根据权利要求1所述的多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，所述筒状模具为圆形筒状模具、椭圆形筒状模具、长方形筒状模具或梯形筒状模具。
4.根据权利要求1所述的多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉末选自α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、磷酸四钙、焦磷酸钙、硫酸钙、硅酸钙、羟基磷灰石和缺钙磷灰石中的至少一种；
所述分散剂溶液为聚丙烯酸铵溶液、聚丙烯酸钠溶液或二水合柠檬酸三钠溶液，所述分散剂溶液的质量百分浓度为0.01％～10％。
5.根据权利要求4所述的多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉末与所述分散剂溶液的质量体积比为0.5g/mL～1.2g/mL。
6.根据权利要求1所述的多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，将所述陶瓷坯体预冻后冷冻干燥的操作为：将所述陶瓷坯体在0～-24℃的条件下预冻1～4h，接着在0～-80℃、真空度为0～100pa的条件下冷冻干燥。
7.根据权利要求1所述的多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，对所述陶瓷坯体进行排蜡和烧结，冷却后得到所述多孔生物陶瓷支架的操作为：按照1℃/min～5℃/min的升温速率将所述陶瓷坯体升温至300℃～600℃并保温0.5h～5h以除去石蜡，接着按照5℃/min～10℃/min的升温速率将所述陶瓷坯体升温至900℃～1300℃并保温0.5h～5h，冷却后得到所述多孔生物陶瓷支架。
8.一种多孔生物陶瓷支架，其特征在于，采用如权利要求1～7中任一项所述的多孔生物陶瓷支架的制备方法制得。
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