一种钙镁硅酸盐多孔陶瓷球义眼座及其制备方法与流程

本发明涉及医用生物材料，特别是涉及一种钙镁硅酸盐多孔陶瓷球义眼座及其制备方法。

技术背景

眼球摘除术是治疗眼球严重破裂伤、青光眼、眼内肿瘤等问题的优选方案，但术后眼球缺失所致的上睑塌陷、睁闭不能眼睑和眼窝凹陷，给患者带来后续影响。义眼座植入手术弥补眶内容物缺失是修复眼球缺失较为理想的方案。目前临床使用的义眼座主要以分硅胶为代表的实心球体和珊瑚相转化羟基磷灰石(HA)为代表的多孔义眼座(美国专利.No.4976731)。前者植入眼窝后在球体周围形成纤维膜包裹，眼座在眼窝肌锥内容易移位并引起上框凹陷，下睑松弛，义眼片配制困难等问题，同时免疫排斥反应难以避免，导致植入物挤出。HA义眼座则具有多孔性结构，如果新生血管及纤维结缔组织长入其多孔孔道，则有利于该类义眼座在眼窝内固定，同时完全血管化后增加了义眼座抗感染和自我修复能力。但是，一旦血管化延迟就可能会引起HA义眼座暴露。此外，β-磷酸三钙陶瓷多孔义眼座也上市进入临床，这种材料尽管比HA降解性优良，但是仍然面临生物活性有限而血管化效率缓慢等问题。

通常，义眼座植入眼眶后新生血管及纤维结缔组织沿微孔缓慢从外周向中央生长，即眼座血管化。Bdolah发现血管再生是在原有毛细血管上通过血管内皮细胞的增殖、迁移，从已有血管处以芽生、非芽生等形式，在各种细胞因子和细胞外基质、蛋白、酶的调节下生成新生血管(Bdolah Y,et al.Semin Nephrol 2004；24:548–556)。在新生血管化过程中，血浆中的一系列蛋白和因子，如纤维连接蛋白、血管内皮细胞生长因子、碱性成纤维细胞生长因子等吸附发挥重要调节作用。长期以来，HA义眼座血管化的研究多见于进行孔道表面修饰促血管生长的因子，达到植入物快速血管化的目的。近来发展的由介孔生物玻璃修饰HA的陶瓷义眼座(中国专利.No.4976731)在解决载药、药物缓释、抗感染和促进血管化方面显示出良好的潜在应用价值。

含镁的钙硅酸盐则是一类典型的钙-硅基物质，根据其稳定性、形成条件以及镁含量的不同，形成多种化合物，如白硅钙石(Ca7Mg(SiO4)4)、镁硅钙石(Ca3Mg(SiO4)2)、镁黄长石(Ca2MgSi2O7)、透辉石(CaMgSi2O6)以及镁钙橄榄石(CaMgSiO4)等(Diba M,et al.Current Opin State Mater Sci.2014；18:147-167.)。其中，透辉石最早受到生物医用材料领域学者的关注，Nonami报道高温烧结透辉石陶瓷比HA陶瓷稳定性还高，但是经模拟体液浸泡3天后即诱导类骨磷灰石矿物沉积，显示出优良生物活性。国内外不少学者发现白硅钙石、镁黄长石、镁硅钙石等具有极为优良的生物活性和良好生物降解性。与透辉石和钙-磷基陶瓷相比，白硅钙石、镁黄长石因其较快降解释放钙、镁、硅离子的能力，其无机离子组合物对骨髓间充质干细胞(MSCs)具有刺激成骨效应，并促进内皮细胞增殖、促进血管化因子(如KDR，FGFR1，ACVRL1，NOS3)高表达等功效(Zhai W,et al.Acta Biomater 2013；9:8004-8014)。人们对透辉石的研究已经有近百年的历史，同时透辉石比白硅钙石、镁黄长石等具有更高的稳定性，降解极为缓慢(Wu C,et al.J Biomed Mater Part B:Appl Biomater.2007；83B:153-160)，表明，透辉石等的高度稳定性和良好生物活性是开发钙-硅基陶瓷义眼座的可靠选择。

技术实现要素：

为了克服

背景技术：
中磷灰石生物陶瓷义眼座等存在的问题，本发明的目的在于提供一种钙镁硅酸盐多孔陶瓷球义眼座及其制备方法，用可降解钙镁硅酸盐修饰透辉石的多孔陶瓷球义眼座，是不依赖于活性因子并能有效促进新血管内生长和快速纤维血管化，避免眼球暴露的新型钙-硅基陶瓷义眼座。

本发明采用的技术方案是：

一、一种钙镁硅酸盐多孔陶瓷球义眼座：

包括不可生物降解的钙镁硅酸盐多孔陶瓷球的义眼座，义眼座的形状为球形或椭球形；

包括覆盖在钙镁硅酸盐多孔陶瓷球孔道壁表面的可降解的钙镁硅酸盐修饰层，钙镁硅酸盐修饰层是由钙镁硅酸盐修饰改性并烧结处理后覆盖在多孔陶瓷球的孔道壁上。

钙镁硅酸盐多孔陶瓷球的生物降解性极为缓慢，钙镁硅酸盐修饰层生物降解性良好。

所述义眼座的直径为12～22mm，义眼座内部具有相互贯穿的多孔网络结构，孔隙率为35％～85％，孔道孔径在60～800μm，孔道壁上可降解钙镁硅酸盐层的厚度为30nm～600μm。

所述的钙镁硅酸盐多孔陶瓷球是透辉石、镁钙橄榄石中的一种或二者的组合。

所述的钙镁硅酸盐修饰层是镁黄长石、白硅钙石、镁硅钙石、镁掺杂硅灰石中的一种或几种的任意组合；镁掺杂硅灰石中镁代替钙的摩尔百分数为4～14％。

所述的镁黄长石、白硅钙石、镁硅钙石、镁掺杂硅灰石中还掺杂有微量元素，微量元素为铜、锌和硼中的一种或几者的任意比例组合；微量元素的总掺杂量为其中原有Ca元素含量的15％以下。

所述钙镁硅酸盐多孔陶瓷球采用增材制造方法构建制成。

所述钙镁硅酸盐多孔陶瓷球采用以下方法制备而成：将钙镁硅酸盐粉体球磨、筛分，取不超过60μm的超细粉体按固/液质量比为1:(0.8～2)分散到浓度为3～8％的聚乙烯醇水溶液中，充分搅拌形成混匀糊状物，再将糊状物置入与三维打印机注射储液池中，启动三维打印机，按预设孔道形态和陶瓷多孔材料的球形外观形态进行三维打印出多孔材料，再将该多孔材料干燥除去水分，在1000～1350℃下烧结1～8小时，从而得到钙镁硅酸盐多孔陶瓷球。

二、一种钙镁硅酸盐多孔陶瓷球义眼座的其制备方法，包括以下步骤：

1)将正硅酸乙酯、硝酸溶解于去离子水中，充分搅拌水解10～90分钟，再依次加入钙盐、镁盐并搅拌完全溶解，然后经陈化2～24小时转化为水凝胶；

2)将钙镁硅酸盐多孔陶瓷球置入水凝胶中，抽吸浸渍并静置后取出，再真空抽滤吸出孔道内多余的凝胶，继续陈化、干燥后，在800～1200℃下煅烧1～4小时，再自然冷却后，得到最终的生物活性陶瓷多孔陶瓷球义眼座。

所述步骤1)中镁、钙、正硅酸乙酯的摩尔比为100：(200～2500)：(100～2500)，正硅酸乙酯与硝酸的摩尔比为100：(5～20)。

所述的钙盐是硝酸钙或乙酸钙，所述的镁盐是硝酸镁或乙酸镁。

所述的钙镁硅酸盐多孔陶瓷球是透辉石、镁钙橄榄石中的一种或二者的任意比例组合。

所述的钙镁硅酸盐修饰层是镁黄长石、白硅钙石、镁硅钙石、镁掺杂硅灰石中的一种或几种的任意组合；镁镁代替钙的摩尔百分数为4～14％。

所述的镁黄长石、白硅钙石、镁硅钙石、镁掺杂硅灰石中还掺杂有微量元素，微量元素为铜、锌和硼中的一种或几者的任意比例组合；微量元素的总掺杂量为其中原有Ca元素含量的15％以下。

所述钙镁硅酸盐多孔陶瓷球采用增材制造方法构建制成。

所述钙镁硅酸盐多孔陶瓷球采用以下方法制备而成：将钙镁硅酸盐粉体球磨2～6小时并筛分，获得颗粒度不超过60μm的超细粉体，再将该超细粉体按固液质量比为1:(0.8～2)分散到浓度为3～8％的聚乙烯醇水溶液中，充分搅拌形成混匀糊状物，再将糊状物置入与三维打印机注射储液池中，启动三维打印机，按预设孔道形态和陶瓷多孔材料的球形外观形态进行三维打印出多孔材料，再将该多孔材料干燥除去水分，在1000～1350℃下烧结1～8小时，从而得到钙镁硅酸盐多孔陶瓷球。

三、一种生物活性陶瓷多孔陶瓷球义眼座的应用，其特征在于：

本发明所述多孔陶瓷球义眼座应用于眼球摘除术后的重建。

本发明具有的有益效果体现在：

1)在组成上，经高温煅烧处理的透辉石、镁钙橄榄石多孔陶瓷球为主体，有利于义眼座在眼窝内保持长期稳定的体积，以可降解性钙镁硅酸盐为透辉石、镁钙橄榄石多孔陶瓷球孔道壁的修饰物，具有优异的促进血管化特性。

2)在微结构上，以增材制造工艺制备的透辉石多孔陶瓷球，孔隙率、孔尺度都可以广泛调节，并且相邻孔道完全贯通，有利于细胞迁移、血管内生长；同时，通过可降解钙镁硅酸盐凝胶前驱体浸渍和二次煅烧处理后，多孔陶瓷球表面不具有任何不规则尖锐棱角，可以彻底消除这类棱角对造成强烈组织损伤并引起急性、慢性炎症反应。

3)在生物学效应上，以具有显著促进血管化的可降解性钙镁硅酸盐修饰改性极为稳定的透辉石、镁钙橄榄石多孔球的孔道壁，极为有利于在实现快速血管化与维持义眼座长期稳定性上的统一，因而符合理想义眼座的最佳生物学效应需求。

4)在可操作性上，增材制造成型工艺制备球形材料和凝胶态浸渍修饰改性，减少了切割、抛光等加工处理对多孔陶瓷球表面局部的损伤，在二次煅烧完成后可以进行直接无菌包装，减少多孔材料内部灭菌处理等复杂问题，可直接用于填充眼球摘除术后患者。

附图说明

图1是本发明的多孔陶瓷球义眼座示意图。

图2是本发明的透辉石多孔陶瓷球XRD图谱。

图3是本发明的经可降解钙镁硅酸盐修饰改性后多孔陶瓷球义眼座的XRD图谱。

图4是扫描电镜拍摄的钙镁硅酸盐多孔陶瓷球义眼座表面形貌图。

图5是扫描电镜拍摄的钙镁硅酸盐多孔陶瓷球义眼座断面形貌图。

图6是钙镁硅酸盐多孔陶瓷球义眼座和羟基磷灰石HA义眼座放入细胞培养液中浸泡0～168小时过程中离子浓度变化图。

图7是钙镁硅酸盐多孔陶瓷球义眼座与羟基磷灰石HA义眼座放入静脉内皮细胞共培养过程细胞增殖率变化图(纵坐标表示细胞数量，横坐标表示天数；其中，1表示纯羟基磷灰石HA义眼座，2表示透辉石陶瓷管修饰前，3表示透辉石陶瓷义眼台修饰掺铜修饰后)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对做本发明进一步说明。以下具体实施例用来解释说明本发明，但不应理解为对本发明的限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。所有实施例使用试剂不低于分析纯标准。

实施例1：

1)将透辉石粉体放入球磨机中球磨4小时，用筛子筛分获得60μm以下超细透辉石粉体，再将该超细粉体按固液质量比为1:2搅拌分散到浓度为8％的聚乙烯醇水溶液中，形成两相均一的糊状物，再将糊状物置入与管状喷头相连的三维打印机注射储液池中，再启动三维打印机，按预设正方形孔道和直径进行三维打印，形成直径为24mm的球形多孔复合材料，再将该多孔复合材料在60℃下干燥12小时，在1350℃下烧结8小时，从而得到透辉石多孔陶瓷球，经检测，烧结后的陶瓷球直径为22mm，孔道尺度为800μm，如附图1所示外观，经XRD检测证明该烧结陶瓷为纯透辉石(图2)。

2)将0.40mol正硅酸乙酯溶解于200ml去离子水中，再加入6ml硝酸后搅拌30分钟，再加入0.4mol硝酸钙和0.2mol硝酸镁依次，常温下搅拌水解90分钟，陈化24小时，混合溶液转化为水凝胶，将步骤1)制备的透辉石多孔陶瓷球放置入该水凝胶中，负压抽吸浸渍，取出多孔陶瓷球，再用真空抽滤吸出孔道内多余凝胶，继续陈化48h、90℃干燥24h后，在800℃煅烧4小时，自然冷却。经检测，透辉石多孔陶瓷球孔道壁表面层积厚度为600μm的镁黄长石(Ca2MgSi2O7)层，经XRD检测证明该修饰层经较低温度煅烧后保留在透辉石陶瓷表面(图3)；经电子扫描显微镜观察可见多孔陶瓷表面(图4)和断面(图5)均呈规则孔道结构。

将实施例1所得义眼座和商用HA义眼座分别放入20ml细胞培养液a-MEM中，37℃条件下持续浸泡，用ICP检测0～168小时内硅、镁、钙和磷的放情况测定结果显示，在a-MEM中，实施例1的钙镁硅酸盐多孔陶瓷球义眼座镁、硅浓度持续增长，并到一定时间后因再次沉积形成类骨HA而出现钙、磷浓度缓慢下降；但是，HA义眼座的浸泡液中钙、磷的浓度随着时间基本不变，表明HA溶出极少(图6)。

实施例2：

制备方法同实施例1，区别在于：将步骤2)中制备钙镁硅酸盐修饰层的原料组成调整为：将0.40mol正硅酸乙酯溶解于400ml去离子水中，再加入8ml硝酸后搅拌90分钟，再加入0.7mol硝酸钙和0.1mol硝酸镁，常温下搅拌水解90分钟，陈化12小时，混合溶液转化为水凝胶，将步骤1)制备的透辉石多孔陶瓷球放置入该凝胶中，负压抽吸浸渍，静置8分钟后取出多孔陶瓷球，再用真空抽滤2分钟吸出孔道内多余凝胶，继续陈化36h、95℃干燥24h后，在1200℃煅烧1小时，自然冷却。经检测，透辉石多孔陶瓷球孔道壁表面层积厚度为120μm的白硅钙石(Ca7Mg(SiO4)4)层。

将实施例2中步骤1)制备的透辉石陶瓷多孔球、实施例2步骤2)所得经白硅钙石修饰改性的钙镁硅酸盐陶瓷多孔球义眼座以及HA义眼座分别放入体外标准条件化无菌培养的人静脉内皮细胞培养瓶中共培养。经检测，培养1、3、7天后投入钙镁硅酸盐陶瓷义眼座培养瓶中细胞增殖率分别比HA义眼座组高20～145％，透辉石多孔陶瓷组比HA组细细胞增殖率高7～33％(图7)；同时主要因子表达也显示类似变化规律。该检测结果表明经可降解白硅钙石修饰改性透辉石的陶瓷义眼座具有优良的促进血管化密切相关细胞活性和血管化因子表达功效。

实施例3：

制备方法同实施例1，区别在于：将步骤2)中制备钙镁硅酸盐修饰层的原料组成调整为：将0.20mol正硅酸乙酯溶解于90ml去离子水中，再加入3ml硝酸后搅拌40分钟，再加入0.3mol硝酸钙和0.1mol硝酸镁，常温下搅拌水解60分钟，陈化2小时，混合溶液转化为凝胶，将步骤1)制备的透辉石多孔陶瓷球放置入该凝胶中，负压抽吸浸渍，静置5分钟后取出多孔陶瓷球，再用真空抽滤5分钟吸出孔道内多余凝胶，继续陈化36h、95℃干燥36h后，在1000℃煅烧2小时，自然冷却。经检测，透辉石多孔陶瓷球孔道壁表面层积厚度为30nm的镁硅钙石(Ca3Mg(SiO4)2)层。

实施例4：

制备方法同实施例1，区别在于：将步骤2)中的正硅酸乙酯、硝酸钙、硝酸镁的添加量分别改为0.20mol、0.26mol和0.1mol，并在修饰、陈化和干燥后1100℃煅烧1小时。经检测，透辉石多孔陶瓷球孔道壁表面层积厚度为400μm的镁硅钙石-镁黄长石复合物层。

实施例5：

制备方法同实施例1，区别在于：将步骤2)中的正硅酸乙酯、硝酸钙、硝酸镁的添加量分别改为0.50mol、0.48mol和0.02mol。经检测，透辉石多孔陶瓷球孔道壁表面层积厚度为560μm的镁掺杂硅灰石层，镁代替硅灰石中钙为4％。

实施例6：

制备方法同实施例5，区别在于：将步骤2)中的正硅酸乙酯、硝酸钙、硝酸镁的添加量分别改为0.50mol、0.43mol和0.07mol。经检测，透辉石多孔陶瓷球孔道壁表面层积厚度为560μm的镁掺杂硅灰石层，镁代替硅灰石中钙为14％。

实施例7：

制备方法同实施例2，区别在于：将步骤1)三维打印预设通孔形态为圆形，球的直径为13.2mm。经检测，烧结后的透辉石多孔陶瓷球直径为12.0mm，经可降解白硅钙石修饰改性孔道壁后孔道仍然维持圆形形态。

实施例8：

制备方法同实施例3，区别在于：将步骤1)三维打印预设孔形态为蜂窝形，球直径为19μm；将步骤2)镁硅钙石前驱体凝胶修饰后煅烧温度改为850℃。经检测，烧结后的透辉石多孔陶瓷球直径为17.5mm，经镁硅钙石修饰后的孔道呈蜂窝形。

实施例9：

制备方法同实施例1，区别在于：将步骤1)中透辉石超细粉体按固液质量比为1:0.8搅拌分散到浓度为3％的聚乙烯醇水溶液中。经检测，烧结后的透辉石多孔陶瓷球直径为19.5mm，孔道直径为460μm。

大鼠实验：

取3月龄雄性SD大鼠，体重245±10g；按10％水合氯醛0.25ml/100g的用量实施腹腔麻醉后，背部备皮，常规消毒铺单。取背部正中纵行切口，长约3cm，游离皮下，显露腰背筋膜，在离正中线约0.6cm处纵向切开腰背筋膜，深至肌层表面，切开约长2.3cm，切口外侧腰背筋膜与肌层表面之间做钝性分离，形成一个袋装结构，将实施例1和实施例4制备的钙镁硅酸盐陶瓷多孔球义眼座、临床医用HA义眼座灭菌后分别植入该袋装结构中。缝合腰背筋膜切口。仔细止血，清洗伤口后逐层关闭创口，缝合皮肤。术后青霉素40万单位肌肉注射。正常条件喂食。2～4周后分别处死大鼠，观察义眼座与周围组织情况。发现实施例1和4的钙镁硅酸盐陶瓷义眼座周围组织和血管长入孔道中，无纤维包膜和炎症反应；筋膜面可见清晰的血管长入，但是HA义眼座血管化程度显著偏低。

由上述实施例可知，本发明的义眼座能实现孔道内快速血管化并避免义眼座移位或脱出；其钙-硅基陶瓷义眼座孔道壁生物活性优良，在眼座重建中具有突出的技术效果和较高的应用价值。