CN1686793A

CN1686793A - 硅酸钙多孔支架的制备方法

Info

Publication number: CN1686793A
Application number: CN 200510025003
Authority: CN
Inventors: 常江; 倪似愚
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: CN1329294C

Abstract

本发明涉及硅酸钙多孔支架的制备及性能，属生物材料领域。本发明采用湿化学法合成了纯的硅酸钙(CaSiO₃)粉体，然后将硅酸钙粉体调成均匀的浆料，采用有机泡沫体挂浆法制得硅酸钙多孔支架。制备的硅酸钙多孔支架具有高的孔隙率和连通性，良好的降解性，生物活性和细胞相容性。因此，硅酸钙多孔支架可用于骨组织工程细胞支架及骨修复填充材料。本发明工艺简单且便于推广。

Description

硅酸钙多孔支架的制备方法

技术领域

本发明涉及具有生物活性的高温相硅酸钙(α-CaSiO₃)及低温相硅酸钙(β-CaSiO₃)多孔支架的制备及用途，属生物材料领域。

背景技术

硅酸钙(CaSiO₃)是硅酸盐体系中一种重要的化合物，在耐火材料等领域已有广泛的研究和应用。硅酸钙陶瓷用作生物材料已有一些文献报道。20世纪80年代日本的Kokubo等人(J.Mater.Sci.，1986，21：536)研究出的A-W玻璃是一种在玻璃相中析出磷酸钙和硅酸钙两种晶相的玻璃陶瓷。硅酸钙作为A-W玻璃陶瓷中两种微晶相之一，不仅对A-W玻璃陶瓷的力学性能具有重要贡献，而且同时还有很高的生物活性。西班牙圣地亚哥大学的P.N.DeAza(Biomaterials，1997，18：1285)以磷酸钙和硅酸钙共熔制备出致密的生物陶瓷并研究了该材料的生物活性，研究表明，在模拟体液中类骨磷灰石能在该陶瓷的表面形成。Kokubo等人的研究也证实，在模拟体液中CaO-SiO₂基玻璃表面能形成类骨磷灰石层，而CaO-P₂O₅基玻璃表面没有类骨磷灰石形成。此外，Punnama等人(J.Biomed.Mater.Res.，2000，52：30)也发现，在模拟体液中硅酸钙陶瓷表面类骨磷灰石的形成速度比其它生物玻璃和玻璃陶瓷更快。研究表明硅酸钙生物材料具有良好的生物活性、降解性和良好的力学性能(Ceram.Int.，2005，31：323)。除了材料的组成之外，材料的三维结构对人体骨再生也同样起到重要的作用。研究表明大孔的生物活性材料能够促进新生骨的再生(Biomaterials，1998，11：133)，因此多孔硅酸钙陶瓷作为骨组织工程细胞支架及骨修复填充材料的研究与应用具有一定的意义。CN02137248.9公开了一种以硅酸钙微粉为原料，添加有机造孔剂，经干压成型制备多孔硅酸钙陶瓷的方法，但是该技术存在一些不足之处。主要问题是孔的形态由所加造孔剂的形态决定，并且孔隙间的相互连通程度低、很难达到骨再生所需的三维多孔连通结构。

骨组织工程支架除了应具有较高孔隙率和连通性外，还应具有良好的细胞相容性。因此，能否制备出类似于人体松质骨结构且具有高度连通性的硅酸钙多孔支架，显然对其用于体外骨组织培养的细胞支架及骨修复填充材料具有很强的实用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅酸钙多孔支架的制备方法，具体是通过网眼有机泡沫体挂浆方法制备出大孔硅酸钙(α，β-CaSiO₃)多孔支架，然后对支架的降解性，体外生物活性，细胞相容性等性能的评价来确定其是否能够用作新型的骨组织工程支架材料及骨修复填充材料。

本发明实施方案简述如下：

1.硅酸钙多孔支架的制备

a)在硅酸钙粉体(粒径为10-50μm)中加入质量百分比2-5的58S玻璃粉100g，质量百分比0.1-0.5的羧甲基纤维素(流变剂)，质量百分比0.1-0.5的聚丙烯酰胺(分散剂)，质量百分比5-10的硅溶胶(粘结剂)，将混合料用6-10％(重量)的PVA水溶液(溶剂)(与硅酸钙粉体质量比为1)调成均匀的浆料。

b)采用密度为20-30pores/cm的有机泡沫体挂浆，使浆料均匀涂覆在模板上，并将挂浆后的支架先在室温干燥1-3天，再在50-100℃中干燥1-3天。

c)将干燥后的支架在1100-1350℃中保温3-6小时烧成。

d)加入58S生物玻璃粉的目的在于作为烧结助剂，加入量在2-5wt％显示出最佳烧结效果；加入羧甲基纤维素目的在于调节浆料的流变性，加入量在0.1-0.5wt％时，浆料具有很好的流动性，当浓度低于或高于这个范围，浆料流动性则变差；加入聚丙烯酰胺可达到粉体均匀分散的目的，加入量在0.1-05wt％则显示最佳分散效果；加入硅溶胶目的在于作为粘结剂，加入量在5-10wt％可起到最佳粘结效果。

2.硅酸钙支架的性能评价

2.1孔隙率和微观结构表征

采用阿基米德法测量支架的气孔率，可达90％左右。采用扫描电镜观察支架的多孔形貌，该支架具有类似于人体松质骨的大体结构，高度的孔连通性，且孔径大小不一，如图2所示。

2.2支架降解性评价

采用Ringer’s平衡盐溶液浸泡硅酸钙多孔支架，其组成为：

NaCl： 9.0g/L

NaHCO₃： 0.1g/L

KCl： 0.425g/L

CaCl₂： 0.119g/L

测量浸泡不同时间(3，7，14，21，28天)后支架的质量损失。结果表明该支架具有良好的降解性，如图3所示。

2.3支架的生物活性评价

采用模拟体液浸泡支架7天。模拟体液含有与人体血浆相同的离子和离子团浓度。其组成为：

NaCl： 7.996g/L

NaHCO₃： 0.350g/L

KCl： 0.224g/L

K₂HPO₄.3H₂O： 0.228g/L

MgCl₂.6H₂O： 0.305g/L

HCl： 1mol/L

CaCl₂： 0.278g/L

Na₂SO₄： 0.071g/L

NH₂C(CH₂OH)₃： 6.057g/L

浸泡后，烘干样品，采用XRD和SEM检测形成的羟基磷灰石。结果显示支架表面形成了类骨羟基磷灰石，表明该支架具有优良的生物活性，如图4所示。

2.4支架的细胞相容性评价

将骨髓间质干细胞及成骨细胞接种于硅酸钙多孔支架上，经过1，3，7天的培养，结果表明硅酸钙多孔支架支持细胞的粘附，增殖和分化。说明该支架具有良好的细胞相容性，如图6，7，8所示。

综上所述，本发明制备出的硅酸钙支架具有高的孔隙率和连通性，良好的降解性，生物活性以及细胞相容性。是一种潜在的骨组织工程支架及骨修复填充材料。

附图说明

图1硅酸钙粉体在800℃/3h及硅酸钙支架在1100℃/3h和1350℃/3h煅烧后的XRD分析。

图2分别为硅酸钙(α-CaSiO₃)多孔支架表面(A)及截面(B)的SEM照片。

图3硅酸钙多孔支架(α，β-CaSiO₃)在Ringer’s平衡盐溶液浸泡不同时间后的质量损失。

图4，图5分别为在模拟体液浸泡后，由本发明提供的方法制备的硅酸钙支架(α-CaSiO₃)表面的SEM照片和EDS元素分析。

图6骨髓间质干细胞在硅酸钙(α-CaSiO₃)多孔支架上培养7天的SEM照片。

图7骨髓间质干细胞在硅酸钙(α-CaSiO₃)多孔支架上培养1，3，7天后的增殖。

图8成骨细胞在硅酸钙(α-CaSiO₃)多孔支架上培养3，7天后碱性磷酸酶的活性。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明，但它们并不是对本发明作任何限制。

实施例1：

a)在硅酸钙粉体(粒径为10-50μm)中加入2％(质量百分比)58S玻璃粉，0.1％(质量百分比)的羧甲基纤维素，0.1％(质量百分比)聚丙烯酰胺，5％(质量百分比)的硅溶胶，将混合料用6％(质量)的PVA水溶液(与硅酸钙粉体质量比为1∶1)调成均匀的浆料。然后经超声分散处理5分钟；

b)以聚氨酯泡沫为模板，将挂浆后的涂覆体先在室温干燥3天，再在80℃中干燥1天；模板孔径为20pores/cm；

c)将干燥后的涂覆体在1℃/min的升温速率升至1350℃，保温3小时，随炉冷却。制得本发明的多孔材料；

d)对支架的微观结构，降解性，生物活性和细胞相容性进行评价，其X衍射、SEM照片等见图1和图2。

实施例2：

a)硅酸钙粉体(粒径为10-50μm)中加入3％(质量百分比)58S玻璃粉，0.3％(质量百分比)的羧甲基纤维素，0.3％(质量百分比)聚丙烯酰胺，10％(质量百分比)的硅溶胶，将混合料用10％(质量)的PVA水溶液(与硅酸钙粉体质量百分比为1∶1)调成均匀的浆料。

然后经超声分散处理10分钟；

b)以聚氨酯或聚氯乙稀泡沫为模板，将挂浆后的涂覆体先在室温干燥3天，再在60℃中干燥3天，模板孔径为30pores/cm；

c)将干燥后的涂覆体在2℃/min的升温速率升至1100℃，保温6小时，随炉冷却。制得本发明的多孔材料；

d)对支架的微观结构，降解性，生物活性和细胞相容性进行评价，所得的支架X衍射以及浸泡后SEM、EDS元素分析见图3-5。

实施例3：

a)硅酸钙粉体(粒径为10-50μm)中加入5％(质量百分比)58S玻璃粉，0.5％(质量百分比)的羧甲基纤维素，0.5％(质量百分比)聚丙烯酰胺，10％(质量百分比)的硅溶胶，将混合料用8％质量的PVA水溶液(与硅酸钙粉体质量百分比为1∶1)调成均匀的浆料。然后经超声分散处理10分钟

b)以聚苯乙烯泡沫为模板，模板孔径为25pores/cm，将挂浆后的涂覆体先在室温干燥3天，再在100℃中干燥1天。

c)将干燥后的涂覆体在3℃/min的升温速率升至1200℃，保温5小时，随炉冷却。制得本发明的多孔材料。

d)对支架的微观结构，降解性，生物活性和细胞相容性进行评价，将骨髓间质干细胞或成骨细胞接种于本实施例所得的多孔支架上，经1、3、7天的培养，表明支架具有良好的细胞相容性，如图6-8所示。

Claims

1、硅酸钙多孔支架的制备方法，其特征在于制备的具体步骤是：

a)在硅酸钙粉体中加入质量百分比为2-5的58S玻璃粉，质量百分比为0.1-0.5的羧甲基纤维素，质量百分比为0.1-0.5的聚丙烯酰胺以及质量百分比为5-10的硅溶胶，混匀；

b)步骤(a)所得的混合料与质量百分比为6-10的PVA水溶液调成均匀的浆料，其与硅酸钙粉体的质量比为1∶1；

c)以网眼有机泡沫为模板，将步骤(b)的浆料均匀涂覆在模板上，挂浆后的支架先在室温下自然干燥，然后在50-100℃条件下干燥；

d)步骤(c)干燥后的支架在1100-1350℃烧成；

2、按权利要求1所述的制备硅酸钙多孔支架方法，其特征在于所述的硅酸钙粉体粒径10-50μm。

3、按权利要求1或2所述的制备硅酸钙多孔支架方法，其特征在于所述的硅酸钙粉体是采用湿化学方法制备的。

4、按权利要求1所述的制备硅酸钙多孔支架方法，其特征在于所述58S生物活性玻璃粉的质量百分组成为58SiO₂、33CaO、9P₂O₅。

5、按权利要求1所述的制备硅酸钙多孔支架方法，其特征在于所述的网眼有机泡沫模板的密度为20-30pores/cm。

6、按权利要求1或4所述的制备硅酸钙多孔支架方法，其特征在于所述的网眼有机泡沫体模板为聚氨酯、聚氯乙烯或聚苯乙烯中的一种。

7、按权利要求1所述的制备硅酸钙多孔支架方法，其特征在于涂覆体室温下干燥时间为1-3天；50-100℃干燥时间为1-3天。

8、按权利要求1所述的制备硅酸钙多孔支架方法，其特征在于支架烧成时升温速率为1-3℃/min，保温3-6小时。