CN113633831A - 一种涂覆生物活性涂层的多孔锌合金骨组织工程支架及其制备方法 - Google Patents

一种涂覆生物活性涂层的多孔锌合金骨组织工程支架及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种涂覆生物活性涂层的多孔锌合金骨组织工程支架及其制备方法，解决了目前高孔隙率锌合金骨组织工程支架力学强度低、生物活性较差的问题。通过合金熔炼、气压渗流铸造和涂层制备而成，包括：1)筛选出不同粒径的氯化钠颗粒，将其倒入模具，压实并预热；2)向熔化的锌液中加入Li、Ag和Mn中的1‑3种；3)将锌合金液倒入装有氯化钠颗粒的模具中，进行气压渗流；4)冷却后洗除氯化钠颗粒，剩余多孔锌合金；5)线切割多孔锌合金，然后进行酸处理；6)处理后的多孔锌合金浸入聚合物(海藻酸钠、果胶、壳聚糖等)溶液中，离心干燥。得到孔隙率高，孔径可调，强度较高，生物活性较好的多孔锌合金骨组织工程支架。

Description

一种涂覆生物活性涂层的多孔锌合金骨组织工程支架及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种可降解多孔锌合金骨组织工程支架的制备方法，主要包括多孔锌合金(Zn、Li、Ag、Mn)的制备与多孔锌合金表面生物活性涂层制备，属于骨组织工程支架生物医用材料的设计、制备与应用的技术领域。
背景技术
骨组织工程支架主要用于骨肿瘤、骨炎症或外伤造成的骨缺损部位的修复，现在的研究主要集中在聚合物(PLGA)、生物活性玻璃或陶瓷、不可降解金属(钛合金)、和可降解金属等几个方向。各类材料制备的骨组织工程支架各有优劣。聚合物力学强度不高，生物活性玻璃和陶瓷具有较好的生物活性，但脆性高，均不适于承重部位骨缺损的修复。不可降解金属长期植入会有有害离子溶出，会使植入部位产生炎症反应。铁、锌、镁等可降解金属支架兼具了较高的强度、可降解性和一定的生物活性，在骨组织工程领域孕育着巨大的市场前景。
锌是人体常量元素之一，在正常生长、免疫功能、蛋白质和DNA合成以及伤口愈合等诸多生理功能中起着重要作用。为了避免缺锌，建议每天摄入15～40毫克锌。体外研究表明，锌可以促进成骨细胞的粘附、增殖、分化(即刺激骨形成)和抑制骨吸收。锌的电极电位为-0.762V，介于镁(-2.372V/SCE)和铁(-0.444V/SCE)之间。不同成分的锌基合金在模拟体液中的降解速率在20-300μm/年范围内，低于快速降解的镁基合金(通常高于300μm/年)，高于缓慢降解的铁基合金(通常低于50μm/年)。因此，适度的腐蚀行为和优异的力学性能提供了锌合金作为组织工程支架的潜在前景。
渗流铸造能够制备出孔隙率高、连通性较好的多孔锌合金，是一种制备多孔骨组织工程支架的好方法。利用渗流铸造的方法，Yi等人制备了Zn-3wt.％Cu的多孔合金【Y.Hou,et al,Synthesis of biodegradable Zn-based scaffolds using NaCltemplates:Relationship between porosity,compressive properties anddegradation behavior,Materials Characterization(2018)137:162-169】，Zhao等人制备了Zn-1wt.％Al的多孔合金【L.Zhao,et al.Mechanical properties andbiodegradation of porous Zn-1Al alloy scaffolds.Materials Letters(2019)247:75-78】，但其中合金元素Cu、Al非生命元素，其生物相容性并不理想。一些研究表明，随着支架孔隙率的升高，其力学强度会不断降低。金属Li的加入，会在基体锌中形成LiZn4与片层状锌交替排列的组织，可以极大地提高锌合金的力学性能，使孔隙率较大的多孔锌合金支架保持足够的力学强度。就现在的研究报道来看，Li元素对锌合金的强化效果最为明显，而且其优异的生物相容性完全能够满足体内植入的要求。锌合金的力学强度会随着Li含量的增大不断增大，从而可以通过调节Li元素的含量来调节多孔锌合金支架的力学强度。少量的Li(0.2-1.4wt.％)就可以极大的增强Zn的力学强度。金属银、锰的加入能够细化晶粒，很好的提高材料的韧性。虽然锌锂合金具有较好的力学性能，但利用渗流铸造制备锌锂多孔合金的研究并没有相关的报道。
一些研究表明，锌合金支架不能很好地粘附细胞，增加了损伤部位的愈合时间。通过在多孔锌合金支架表面制备一层生物活性涂层，可以很好地增加细胞活性，促进植入部位快速愈合。Jasmin等人在生物活性玻璃支架上制备了胶原蛋白涂层，促进了细胞的增殖【Jasmin H,et al,Collagen as Coating Material for 45S5 Bioactive Glass-BasedScaffolds for Bone Tissue Engineering，International Journal ofMolecularSciences,(2018)6:1807-1837】。Ana等人通过氢氟酸蚀刻多孔钛合金支架，提高了生物相容性【CivantosA,et al,Designing bioactive porous titanium interfaces tobalance mechanical properties and in vitro cells behavior towards increasedosseointegration,Surface and Coatings Technology,(2019)368:162-174】。但在多孔锌合金支架上制备涂层的研究并不多见。任浩征等通过水热法在多孔锌合金上制备了一层抗菌的ZnO涂层【任浩征，等，ZnO表面改性Zn-Cu组织工程支架的研究，表面技术,(2021)2:58-65】，但由于多孔锌内外pH差异较大，制备的涂层也存在一定的不均匀现象，也没有提升锌合金支架的生物活性和生物相容性。
发明内容
本发明目的是为了解决高孔隙率多孔锌合金支架力学性能不足和生物活性不佳的双重问题，提供一种将渗流铸造多孔锌合金与表面物理粘附生物活性涂层相结合的方法，制备出一种力学性能与生物活性较为优异的骨组织工程支架，用于骨组织缺损部位的修复。
为了满足不同植入部位对锌合金支架力学性能的要求，本发明首次在渗流铸造的锌合金中添加锂元素，极大的提高了支架的力学强度，并在锌锂合金的基础上添加了Ag和Mn元素增加了支架材料的韧性。在多孔锌合金表面涂覆一层生物活性涂层(海藻酸钠、果胶、壳聚糖)，以获得生物活性和相容性良好的多孔锌合金支架。
本发明的技术方案
一种涂覆生物活性涂层的锌合金骨组织工程支架，所述组织工程支架锌合金材料中添加的合金元素为Li、Ag、Mn中的一种或两种及以上，各组分的重量百分比分别为：Li为0.2wt.％-1.4wt.％、和/或Ag为0wt.％-0.5wt.％、和/或Mn为0wt.％-0.5wt.％，余为Zn。采用气压渗流方法制备多孔锌合金骨组织工程支架，能够满足不同骨组织部位的需要，其压缩屈服强度在1MP-60MP范围内，其中具有相互联通的孔隙，孔径大小为100-800μm、孔隙率为50％-90％，且孔径大小与孔隙率均可调节。多孔锌合金支架表面带有生物活性涂层。
一种涂覆生物活性涂层的多孔锌合金骨组织工程支架的制备方法，步骤如下：
1)氯化钠颗粒粒径大小的筛选：将氯化钠颗粒分别通过20目、32目、48目和150目的筛子，可以得到粒径范围分别为100-300μm、300-500μm和500-800μm的氯化钠颗粒。筛选完成后进行300℃-500℃干燥处理2-8h。
2)将不同粒径的氯化钠颗粒分别放入不同的模具中，进行预热，并在此过程中不断对氯化钠颗粒进行压实。压实的程度可以通过氯化钠颗粒的质量与体积的比值来进行衡量。
3)合金的熔炼：合金熔炼在复合炉中进行，炉中通有氩气保护。首先，按照上述多孔锌合金骨组织工程支架中所述合金元素的含量称取一定配比的金属(Zn、Li(0.2wt.％-1.4wt.％)、Ag(0wt.％-0.5wt.％)、Mn(0wt.％-0.5wt.％))。然后，锌块在500℃熔化，将其它所选合金元素(Li、Ag、Mn)中的一种或多种加入，待其熔化后均化半小时。
4)渗流浇铸：将均化后的锌合金熔液加热至560℃，浇铸到已经预热到400℃步骤2)所述的包含氯化钠颗粒的模具中，并对模具进行密封与加压，使锌合金熔液彻底渗入氯化钠颗粒的孔隙处。气体压力一般控制在0.2-0.5MP。
5)氯化钠颗粒的洗除：将冷却到室温的锌合金与氯化钠颗粒块体放入烧杯中，用清水不断进行超声处理，充分洗除合金内部的氯化钠颗粒，留下多孔的锌合金。
6)多孔锌合金的孔结构优化：将清洗完成的多孔锌合金线切割成骨缺损的形状，包括长条状、方块状和圆柱形；如直径为6-8mm，高度为2-3mm的圆片，然后浸入0.1M-0.5M的盐酸溶液中超声处理2-30min，以增大锌合金孔隙率和锌合金实体支柱表面的粗糙度。
7)聚合物溶液的配置：称取海藻酸钠、果胶、壳聚糖等中的一种或多种，总重量为0.2g-2g，加入到100ml醋酸的水溶液(Vol水：Vol醋酸＝10:1、9:1、8:1、7:1、6:1、5:1、4:1)中，在200r/min-900r/min的转速下，搅拌1-10h，待其完全溶解。
8)多孔锌合金表面粘附生物活性聚合物：将上述100ml聚合物溶液倒入100ml的锥形瓶中，再将步骤6)酸处理后的多孔锌合金放入其中，盖上橡胶塞抽真空。在0.03-0.09Mpa的负压下，处理1-10min，使多孔锌合金中完全浸入聚合物溶液。
9)离心出多孔锌合金内部聚合物溶液：将浸入生物活性聚合物的多孔锌合金放入离心机，1000r/min-10000r/min的转速下离心3-10min，使多孔锌合金内部的聚合物溶液能够离心出来，防止干燥后，剩余过多的生物活性聚合物封堵内部孔。
10)干燥处理：将离心过后的多孔锌合金放入真空干燥箱中，60℃真空干燥5h，得到表面带有生物活性涂层的多孔锌合金骨组织工程支架。
本发明的优点和有益效果：
本发明通过渗流铸造多孔锌合金支架，结合生物活性涂层(海藻酸钠涂层、果胶涂层、壳聚糖涂层)制备一种强度可调节、生物活性优异的多孔锌合金支架。制备的多孔支架孔隙率高(50％-90％)，孔径大小可调节(100μm-800μm)，孔分布均匀，孔连通性好，并且具有十分优异的生物相容性。在高孔隙率状态下，可以通过调节锌合金支架中添加元素(Li、Ag、Mn)的含量，来保持支架的压缩屈服强度在1MP-60MP范围，以满足不同部位骨缺损修复的要求。在多孔锌合金支架上制备一层生物活性优异的生物活性涂层能够很好地粘附细胞，促进细胞增长，加快骨损伤部位的愈合。
附图说明
图1为渗流铸造的流程图。
图2为多孔锌合金的宏观形貌。
图3为多孔锌锂合金的电镜图片。
图4为多孔锌锂银合金的电镜图片。
图5为酸处理的多孔锌合金的电镜图片。
图6为多孔锌合金上制备果胶涂层的电镜图片。
具体实施方式
实施例1：
本实施例涉及一种涂覆生物活性涂层(果胶涂层)的多孔锌合金骨组织工程支架的制备方法，孔径大小为100μm-300μm，孔隙率为50％-70％，使用锌锂合金(Zn-0.8wt.％Li)作为基体。图3显示了多孔锌合金的孔分布情况与孔径大小，通过排水法测得多孔锌合金的孔隙率。具体方法：将切割好的多孔样品(φ6×20mm)置入装有10ml水的25ml量筒中，将量筒接上真空机，抽真空5min左右，直到把多孔金属中的气体全部排出。此时记录下多孔支架排开水的体积(V2)。多孔样品的体积为圆柱体(φ6×20mm)的体积(V1＝565.2mm3)。
Figure BDA0003228653550000051
由此公式可得多孔样品的孔隙率。
具体实施步骤：
氯化钠颗粒粒径大小的筛选：将氯化钠颗粒分别通过48目和150目的筛子，可以得到粒径范围为100-300μm的氯化钠颗粒。筛选完成后进行400℃干燥处理6h。
将300g氯化钠颗粒放入模具中，模具的尺寸为
Figure BDA0003228653550000052
进行预热，预热到300℃进行保温8h。并在此过程中不断对氯化钠颗粒进行压实，使氯化钠颗粒达到60％-70％的致密度。自然堆积的氯化钠盐颗粒密实程度为50％-60％，我们将自然堆积的氯化钠盐颗粒向下压实1cm。压实的程度可以通过氯化钠颗粒的质量与体积的比值来进行衡量。
合金的熔炼：合金熔炼在复合炉中进行，炉中通有氩气保护。首先按照锌锂合金Zn-0.8wt.％Li的含量比例，称取992g纯锌与8g锂片。然后，锌块在500℃熔化，将锂片加入其中，待其熔化后均化半小时。
渗流浇铸(浇铸流程参见图1)：将已经均化完成后的锌锂合金液加热到560℃，浇铸到已经预热到400℃的包含氯化钠颗粒的模具中，并对模具进行密封与加压，使锌合金液彻底渗入氯化钠颗粒的孔隙处。气体压力控制在0.5MP。
氯化钠颗粒的洗除：待浇铸完成后的包含氯化钠颗粒的锌合金冷却到室温，将其放入烧杯中，用清水不断进行超声处理，2h换一次清水，重复进行10次。充分洗除锌合金内部的氯化钠颗粒，留下孔径大小为100μm-300μm的多孔的锌合金结构。其宏观形貌参见图2。
酸处理：将清洗完成的多孔锌合金进行线切割，切出直径为8mm，高度为3mm的圆片。切好的锌合金放入0.1M的盐酸溶液中超声处理30min，取出清水冲洗三遍，干燥。处理后形貌参见图4。
果胶溶液的配置：2g果胶加入100ml醋酸的水溶液(Vol水：Vol醋酸＝10:1)中，在200r/min的转速下，搅拌10h，待其完全溶解。
多孔锌合金表面粘附果胶：将上述100ml果胶溶液倒入100ml的锥形瓶中，再将酸处理后的多孔锌合金放入其中，盖上橡胶塞抽真空。在0.03Mpa的负压下，处理10min，使多孔锌合金中完全浸入果胶溶液。
离心出多孔锌合金内部果胶溶液：将浸入果胶的多孔锌合金放入离心机，1000r/min的转速下离心3min，使多孔锌合金内部的果胶溶液能够离心出来，防止干燥后，剩余过多的果胶封堵内部孔。
干燥处理：将离心过后的多孔锌合金放入真空干燥箱中，60℃真空干燥5h，得到表面带有果胶涂层的多孔锌合金骨组织工程支架。其形貌参见图6。
实施例2
本实施例涉及一种涂覆生物活性涂层(壳聚糖涂层)的多孔锌合金骨组织工程支架的制备方法，孔径大小为500μm-800μm，孔隙率为70％-90％，使用锌锂银合金(Zn-0.8wt.％Li-0.5wt.％Ag)作为基体。通过排水法测得多孔锌合金的孔隙率，步骤与例1相同。
具体实施步骤：
氯化钠颗粒粒径大小的筛选：将氯化钠颗粒分别通过20目和32目的筛子，可以得到粒径范围为500μm-800μm的氯化钠颗粒。筛选完成后进行500℃干燥处理2h。
将300g氯化钠颗粒放入模具中，模具的尺寸为
Figure BDA0003228653550000061
进行预热，预热到400℃进行保温。并在此过程中不断对氯化钠颗粒进行压实，使氯化钠颗粒达到80％-90％的致密度。自然堆积的氯化钠盐颗粒密实程度为50％-60％，我们将300g自然堆积的氯化钠盐颗粒向下压实2cm。压实的程度可以通过氯化钠颗粒的质量与体积的比值来进行衡量。
合金的熔炼：合金熔炼在复合炉中进行，炉中通有氩气保护。首先按照锌锂银合金Zn-0.8wt.％Li-0.5wt.％Ag的含量比例，称取987g纯锌、8g锂片与5g银粒。然后，锌块在500℃熔化，将锂片与银粒加入其中，待其熔化后均化半小时。
渗流浇铸(浇铸流程参见图1)：将已经均化完成后的锌锂银合金液加热到560℃，浇铸到已经预热到400℃的包含氯化钠颗粒的模具中，并对模具进行密封与加压，使锌合金液彻底渗入氯化钠颗粒的孔隙处。气体压力控制在0.2MP。
氯化钠颗粒的洗除：待浇铸完成后的包含氯化钠颗粒的锌合金冷却到室温，将其放入烧杯中，用清水不断进行超声处理，2h换一次清水，重复进行10次。充分洗除锌合金内部的氯化钠颗粒，留下孔径大小为500μm-800μm的多孔的锌合金结构。形貌参见图5。
将清洗完成的多孔锌合金进行线切割，切出直径为6mm，高度为2mm的圆片。切好的锌合金放入0.5M的盐酸溶液中超声处理2min，取出清水冲洗三遍，干燥。
壳聚糖溶液的配置：0.2g壳聚糖加入100ml醋酸的水溶液(Vol水：Vol醋酸＝4:1)中，在900r/min的转速下，搅拌1h，待其完全溶解。
多孔锌合金表面粘附壳聚糖：将上述100ml壳聚糖溶液倒入100ml的锥形瓶中，再将酸处理后的多孔锌合金放入其中，盖上橡胶塞抽真空。在0.09Mpa的负压下，处理10min，使多孔锌合金中完全浸入壳聚糖溶液。
离心出多孔锌合金内部壳聚糖溶液：将浸入壳聚糖的多孔锌合金放入离心机，10000r/min的转速下离心10min，使多孔锌合金内部的壳聚糖溶液能够离心出来，防止干燥后，剩余过多的壳聚糖封堵内部孔。
干燥处理：将离心过后的多孔锌合金放入真空干燥箱中，60℃真空干燥5h，得到表面带有壳聚糖涂层的多孔锌合金骨组织工程支架。
实施例3
本实施例涉及一种涂覆生物活性涂层(海藻酸钠涂层)的多孔锌合金骨组织工程支架的制备方法，孔径大小为500μm-800μm，孔隙率为70％-90％，使用锌锂锰合金(Zn-0.8wt.％Li-0.5wt.％Mn)作为基体。通过排水法测得多孔锌合金的孔隙率，步骤与例1相同。
具体实施步骤：
氯化钠颗粒粒径大小的筛选：将氯化钠颗粒分别通过20目和32目的筛子，可以得到粒径范围为500μm-800μm的氯化钠颗粒。筛选完成后进行400℃干燥处理6h。
将300g氯化钠颗粒放入模具中，模具的尺寸为
Figure BDA0003228653550000071
进行预热，预热到400℃进行保温。并在此过程中不断对氯化钠颗粒进行压实，使氯化钠颗粒达到80％-90％的致密度。自然堆积的氯化钠盐颗粒密实程度为50％-60％，我们将300g自然堆积的氯化钠盐颗粒向下压实2cm。压实的程度可以通过氯化钠颗粒的质量与体积的比值来进行衡量。
合金的熔炼：合金熔炼在复合炉中进行，炉中通有氩气保护。首先按照锌锂锰合金Zn-0.8wt.％Li-0.5wt.％Mn的含量比例，称取952g纯锌、8g锂片与40g锌锰中间合金(Zn-20wt.％Mn)。然后，锌块在500℃熔化，将锂片与锌锰中间合金加入其中，待其熔化后均化半小时。
渗流浇铸(浇铸流程参见图1)：将已经均化完成后的锌锂合金液加热到560℃，浇铸到已经预热到400℃的包含氯化钠颗粒的模具中，并对模具进行密封与加压，使锌合金液彻底渗入氯化钠颗粒的孔隙处。气体压力控制在0.5MP。
氯化钠颗粒的洗除：待浇铸完成后的包含氯化钠颗粒的锌合金冷却到室温，将其放入烧杯中，用清水不断进行超声处理，2h换一次清水，重复进行10次。充分洗除锌合金内部的氯化钠颗粒，留下孔径大小为500μm-800μm的多孔的锌合金结构。
将清洗完成的多孔锌合金进行线切割，切出直径为8mm，高度为3mm的圆片。切好的锌合金放入0.5M的盐酸溶液中超声处理10min，取出清水冲洗三遍，干燥。
海藻酸钠溶液的配置：2g海藻酸钠加入100ml醋酸的水溶液(Vol水：Vol醋酸＝4:1)中，在700r/min的转速下，搅拌8h，待其完全溶解。
多孔锌合金表面粘附海藻酸钠：将上述100ml海藻酸钠溶液倒入100ml的锥形瓶中，再将酸处理后的多孔锌合金放入其中，盖上橡胶塞抽真空。在0.08Mpa的负压下，处理5min，使多孔锌合金中完全浸入海藻酸钠溶液。
离心出多孔锌合金内部海藻酸钠溶液：将浸入海藻酸钠的多孔锌合金放入离心机，7000r/min的转速下离心5min，使多孔锌合金内部的海藻酸钠溶液能够离心出来，防止干燥后，剩余过多的海藻酸钠封堵内部孔。
干燥处理：将离心过后的多孔锌合金放入真空干燥箱中，60℃真空干燥5h，得到表面带有海藻酸钠涂层的多孔锌合金骨组织工程支架。
实施例4
本实施例涉及一种涂覆生物活性涂层(海藻酸钠涂层)的多孔锌合金骨组织工程支架的制备方法，孔径大小为100μm-300μm，孔隙率为50％-70％，使用锌锂锰合金(Zn-1.4wt.％Li-0.5wt.％Mn)作为基体。通过排水法测得多孔锌合金的孔隙率，步骤与例1相同。
具体实施步骤：
氯化钠颗粒粒径大小的筛选：将氯化钠颗粒分别通过48目和150目的筛子，可以得到粒径范围为100μm-300μm的氯化钠颗粒。筛选完成后进行400℃干燥处理6h。
将300g氯化钠颗粒放入模具中，模具的尺寸为
Figure BDA0003228653550000081
进行预热，预热到400℃进行保温。并在此过程中不断对氯化钠颗粒进行压实，使氯化钠颗粒达到50％-70％的致密度。自然堆积的氯化钠盐颗粒密实程度为50％-60％，我们将300g自然堆积的氯化钠盐颗粒向下压实1cm。压实的程度可以通过氯化钠颗粒的质量与体积的比值来进行衡量。
合金的熔炼：合金熔炼在复合炉中进行，炉中通有氩气保护。首先按照锌锂锰合金Zn-0.8wt.％Li-0.5wt.％Mn的含量比例，称取946g纯锌、14g锂片与40g锌锰中间合金(Zn-20wt.％Mn)。然后，锌块在500℃熔化，将锂片与锌锰中间合金加入其中，待其熔化后均化半小时。
渗流浇铸(浇铸流程参见图1)：将已经均化完成后的锌锂合金液加热到560℃，浇铸到已经预热到400℃的包含氯化钠颗粒的模具中，并对模具进行密封与加压，使锌合金液彻底渗入氯化钠颗粒的孔隙处。气体压力控制在0.5MP。
氯化钠颗粒的洗除：待浇铸完成后的包含氯化钠颗粒的锌合金冷却到室温，将其放入烧杯中，用清水不断进行超声处理，2h换一次清水，重复进行10次。充分洗除锌合金内部的氯化钠颗粒，留下孔径大小为100μm-300μm的多孔的锌合金结构。
将清洗完成的多孔锌合金进行线切割，切出直径为8mm，高度为3mm的圆片。切好的锌合金放入0.5M的盐酸溶液中超声处理10min，取出清水冲洗三遍，干燥。
海藻酸钠溶液的配置：0.5g海藻酸钠加入100ml醋酸的水溶液(Vol水：Vol醋酸＝4:1)中，在700r/min的转速下，搅拌8h，待其完全溶解。
多孔锌合金表面粘附海藻酸钠：将上述100ml海藻酸钠溶液倒入100ml的锥形瓶中，再将酸处理后的多孔锌合金放入其中，盖上橡胶塞抽真空。在0.08Mpa的负压下，处理5min，使多孔锌合金中完全浸入海藻酸钠溶液。
离心出多孔锌合金内部海藻酸钠溶液：将浸入海藻酸钠的多孔锌合金放入离心机，7000r/min的转速下离心5min，使多孔锌合金内部的海藻酸钠溶液能够离心出来，防止干燥后，剩余过多的海藻酸钠封堵内部孔。
干燥处理：将离心过后的多孔锌合金放入真空干燥箱中，60℃真空干燥5h，得到表面带有海藻酸钠涂层的多孔锌合金骨组织工程支架。
实施例5
本实施例涉及一种涂覆生物活性涂层(壳聚糖涂层)的多孔锌合金骨组织工程支架的制备方法，孔径大小为500μm-800μm，孔隙率为70％-90％，使用锌锂银合金(Zn-1.4wt.％Li-0.5wt.％Ag)作为基体。通过排水法测得多孔锌合金的孔隙率，步骤与例1相同。
具体实施步骤：
氯化钠颗粒粒径大小的筛选：将氯化钠颗粒分别通过20目和32目的筛子，可以得到粒径范围为500μm-800μm的氯化钠颗粒。筛选完成后进行500℃干燥处理2h。
将300g氯化钠颗粒放入模具中，模具的尺寸为
Figure BDA0003228653550000091
进行预热，预热到400℃进行保温。并在此过程中不断对氯化钠颗粒进行压实，使氯化钠颗粒达到80％-90％的致密度。自然堆积的氯化钠盐颗粒密实程度为50％-60％，我们将300g自然堆积的氯化钠盐颗粒向下压实2cm。压实的程度可以通过氯化钠颗粒的质量与体积的比值来进行衡量。
合金的熔炼：合金熔炼在复合炉中进行，炉中通有氩气保护。首先按照锌锂银合金Zn-0.8wt.％Li的含量比例，称取981g纯锌、14g锂片与5g银粒。然后，锌块在500℃熔化，将锂片与银粒加入其中，待其熔化后均化半小时。
渗流浇铸(浇铸流程参见图1)：将已经均化完成后的锌锂合金液加热到560℃，浇铸到已经预热到400℃的包含氯化钠颗粒的模具中，并对模具进行密封与加压，使锌合金液彻底渗入氯化钠颗粒的孔隙处。气体压力控制在0.2MP。
氯化钠颗粒的洗除：待浇铸完成后的包含氯化钠颗粒的锌合金冷却到室温，将其放入烧杯中，用清水不断进行超声处理，2h换一次清水，重复进行10次。充分洗除锌合金内部的氯化钠颗粒，留下孔径大小为500μm-800μm的多孔的锌合金结构。
将清洗完成的多孔锌合金进行线切割，切出直径为6mm，高度为2mm的圆片。切好的锌合金放入0.5M的盐酸溶液中超声处理2min，取出清水冲洗三遍，干燥。
壳聚糖溶液的配置：0.75g壳聚糖加入100ml醋酸的水溶液(Vol水：Vol醋酸＝4:1)中，在700r/min的转速下，搅拌8h，待其完全溶解。
多孔锌合金表面粘附壳聚糖：将上述100ml壳聚糖溶液倒入100ml的锥形瓶中，再将酸处理后的多孔锌合金放入其中，盖上橡胶塞抽真空。在0.08Mpa的负压下，处理5min，使多孔锌合金中完全浸入壳聚糖溶液。
离心出多孔锌合金内部壳聚糖溶液：将浸入壳聚糖的多孔锌合金放入离心机，7000r/min的转速下离心5min，使多孔锌合金内部的壳聚糖溶液能够离心出来，防止干燥后，剩余过多的壳聚糖封堵内部孔。
干燥处理：将离心过后的多孔锌合金放入真空干燥箱中，60℃真空干燥5h，得到表面带有壳聚糖涂层的多孔锌合金骨组织工程支架。

Claims (5)

1.一种涂覆生物活性涂层的多孔锌合金骨组织工程支架，其特征在于：所述支架使用的锌合金中添加的合金元素为Li、Ag、Mn中的一种或两种及以上，其中合金元素的质量比百分含量为Li0.2 wt.％-1.4wt.％、和/或Ag0wt.％-0.5wt.％、和/或Mn0wt.％-0.5wt.％，其余为纯锌；制备出多孔锌合金骨组织工程支架能够满足不同骨组织部位的需要，其压缩屈服强度在1MP-60MP范围内，孔隙率在50％-90％范围内，孔径大小在100-800μm范围内，且孔径大小与孔隙率均可调节。
2.根据权利要求1所述的涂覆生物活性涂层的多孔锌合金骨组织工程支架，其特征在于：多孔锌合金骨组织工程支架表面带有生物活性涂层。
3.一种权利要求1或2所述的涂覆生物活性涂层的多孔锌合金骨组织工程支架的制备方法，其特征在于，具体制备方法如下：
1)氯化钠颗粒粒径大小的筛选：将氯化钠颗粒分别通过20目、32目、48目和150目的筛子，可以得到粒径范围分别为100-300μm、300-500μm和500-800μm的氯化钠颗粒；筛选完成后进行300℃-500℃干燥处理2-8h；
2)将不同粒径的氯化钠颗粒分别放入不同的模具中，进行预热，并在此过程中不断对氯化钠颗粒进行压实；压实的程度通过氯化钠颗粒的质量与体积的比值来进行衡量；
3)合金的熔炼：合金熔炼在复合炉中进行，炉中通有氩气保护；首先，按照权利要求1中所述合金元素的含量称取一定配比的金属，然后，锌块在500℃熔化，加入其它所选合金元素，待其熔化后均化半小时；
4)渗流浇铸：将已经均化完成后的锌合金液加热到560℃，浇铸到已经预热到400℃的步骤2)所述的包含氯化钠颗粒的模具中，并对模具进行密封与加压，使锌合金液彻底渗入氯化钠颗粒的孔隙处，气体压力控制在0.2-0.5MP；
5)氯化钠颗粒的洗除：待浇铸完成后的包含氯化钠颗粒的锌合金冷却到室温，将其放入烧杯中，用清水不断进行超声处理，充分洗除合金内部的氯化钠颗粒，留下多孔的锌合金结构；
6)多孔锌合金的孔结构优化：将清洗完成的多孔锌合金线切割成骨缺损的形状，切好的锌合金放入0.1M-0.5M的盐酸溶液中超声处理2-30min，不仅增大了孔隙率，还很大程度上增大了实体支柱部分的粗糙度；
7)聚合物溶液的配置：称取海藻酸钠、果胶或壳聚糖中的一种或多种，总重量为0.2g-2g，加入到100ml醋酸水溶液中，其中Vol水：Vol醋酸分别＝10:1、9:1、8:1、7:1、6:1、5:1、4:1，在200-900r/min的转速下，搅拌1-10h，待其完全溶解；
8)多孔锌合金表面粘附生物活性聚合物：将上述100ml聚合物溶液倒入100ml的锥形瓶中，再将步骤6)酸处理后的多孔锌合金放入瓶中，盖上橡胶塞抽真空，在0.03-0.09Mpa的负压下，处理1-10min，使多孔锌合金中完全浸入聚合物溶液；
9)离心出多孔锌合金内部聚合物溶液：将浸入生物活性聚合物的多孔锌合金放入离心机，1000-10000r/min的转速下离心3-10min，使多孔锌合金内部的聚合物溶液能够离心出来，防止干燥后，剩余过多的生物活性聚合物封堵内部孔；
10)干燥处理：将离心过后的多孔锌合金放入真空干燥箱中，60℃真空干燥5h，得到表面带有生物活性涂层的多孔锌合金骨组织工程支架。
4.根据权利要求3所述一种涂覆生物活性涂层多孔锌合金骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：步骤6)中所述骨缺损的形状包括长条状、方块状和圆柱形。
5.根据权利要求3所述一种涂覆生物活性涂层多孔锌合金骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：骨组织工程支架表面生物活性涂层的制备，改善了多孔锌合金支架的生物相容性，能够很好的粘附细胞，促进细胞增长。
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