表面有序微米图案化结构羟基磷灰石生物陶瓷的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有促成骨活性功能的表面有序微米图案化结构羟基磷灰石生物陶瓷的制备方法与应用，属生物医用材料领域。
【背景技术】
[0002]人工合成的HAp材料因其与人骨/牙的无机成分相似，且具有无毒、安全、良好的生物活性和生物相容性的特点，在体液作用下，会发生部分降解，释放出钙和磷参与成骨，从而具有骨传导作用。因此受到生物材料领域和骨科临床医生的极大关注，并在临床骨修复材料领域得到广泛应用。但是，传统方法烧结制备得到的HAp生物陶瓷材料的诱导成骨活性仍然较差，在植入骨缺损部位时时有纤维组织包埋植入体的现象，进而导致HAp植入体与新生骨组织之间不能形成良好的骨性结合，因此缺乏良好的诱导成骨活性[B1materials.2003 ;24:2161]。研究发现，在HAp材料表面构筑微/纳米结构可以明显提高细胞粘附、增殖和成骨分化性能，进而改善这类材料的骨诱导活性[ActaB1materialia.2012 ；8:3794]。
[0003]二十世纪90年代末，图案化技术(patterning technique)被大量应用于生物材料的制备。1997年美国哈佛大学的Whitesides教授课题组和哈佛医学院的Ingber教授课题组采用微接触技术和分子自组装技术在抗细胞黏附的材料表面上构筑了不同尺寸的微米图案，并对图案的尺寸与细胞响应之间的关系进行了研究[Science.1997 ;276:1425]。研究结果表明微米图案结构可以促进细胞黏附和生长，并实现对细胞的黏附位置、尺寸、形状、爬行方向等的精确控制。自此，多种技术被发展并应用于表面图案化生物材料的制备领域。近年来的研究发现:表面简单的微米柱或凹坑构筑的“脊一槽”状拓扑状微米图案化结构即能良好的促进细胞黏附、增殖、迁移、及分化等生物学性能[B1materials.2012 ；33:1730.；B1materials.2006 ；27:2558.；Tissue Eng Part A.2009 ; 15:1427]。McNamara等人的研究还还发现细胞在沟槽拓扑结构表面的力学信号传导伴随着细胞骨架、细胞核形态和染色体位置的变化，揭示了图案化结构下细胞对力学信号的响应、以及图案化结构与亚细胞结构之间的关联[B1materials.2012 ;33:2835]。总之，微米图案结构可以有效促进细胞的黏附、增殖、以及分化等性能，进而提高提高材料的诱导成骨活性和骨整合性能。
[0004]目前微米图案制备方法主要有光刻[Materials Science andEngineering:C.2009 ；29:1855]、软光刻技术[B1materials.1999 ；20:2363.；ElsevierScience.2006 ； 161]、微流体图形化[Analytical Chemistry.2011 ；84:1012]、微接触压印[J B1med Mater Res.2001 ;55:487]、模板掩盖喷涂技术[J B1med Mater Res A.2008 ；85A:530]、自组装方法[Soft Matter.2011 ;7:6811]、扫描探针显微加工技术[Journal ofLaser Micro/Nanoengineering.2011 ;6:180]、纳米压印!技术[Materials Science andEngineering: C.2009 ;29:]、浸蘸笔纳米加工刻蚀技术(dip-pen nano lithography, DPN)[Lab Chip.2010 ;10:1662]、胶体光刻方法[Nano Today.2011 ;6:608]、离子束加工技术[Materials Science with 1n Beams.2010 ；116:345]等。虽然利用这些技术可以实现图案化结构的制备和尺寸调控，但需要以昂贵的设备和复杂的操作为代价。而对于陶瓷材料，由于其脆性大，目前基本只能采用机械打磨、激光加工(刻槽、挖坑)、直接打印等方法。这些方法都各有缺点:如机械打磨易损坏样品，激光加工会造成热损伤。
[0005]因此，发展一种简单易行、成本低廉且无需特殊设备的制备表面有序微米图案化结构生物陶瓷材料的制备方法具有重要的意义和应用价值。
【发明内容】
[0006]本发明旨在克服现有表面有序微米图案化结构生物陶瓷材料的制备方法的缺陷，本发明提供了一种具有促成骨活性功能的表面有序微米图案化结构羟基磷灰石生物陶瓷的制备方法。
[0007]本发明提供了一种表面有序微米图案化结构羟基磷灰石生物陶瓷的制备方法，所述方法包括:
将羟基磷灰石粉体、粘结剂均匀混合后，置于表面垫有有机网筛的模板中，依次经干压成型、高温煅烧得到所述表面有序微米图案化结构羟基磷灰石生物陶瓷。
[0008]较佳地，粘结剂的含量为羟基磷灰石粉体质量的1_5%，粘结剂包括质量百分比浓度为I一 10%的聚乙烯醇、质量百分比浓度为1-5%的羟丙基甲基纤维素。
[0009]较佳地，所述有机网筛为经高温煅烧能够去除的尼龙网筛，所述有机网筛的目数为 50— 500 目。
[0010]较佳地，干压成型的工艺参数包括:成型压力为2 — lOMPa。
[0011]较佳地，高温烧结的参数包括:在900-1300°C温度下煅烧1-5小时。
[0012]较佳地，所述表面有序微米图案化结构羟基磷灰石生物陶瓷的凸起高度、凸起宽度、相邻凸起间距分别在5-100微米、15-200微米、15-300微米范围内。
[0013]本发明的有益效果:
(1)表面图案化结构评价
采用扫描电镜(SEM)观察本发明制备得到的表面有序微米图案化结构HAp生物陶瓷的表面形貌；采用三维(3D)激光显微镜观察样品的表面三维结构，以测试图案化结构中凸起宽度、高度及其间距；
(2)生物学评价
有序微米结构对大鼠来源的骨髓间充质干细胞(Bone marrow stromal cells,BMSCs)的黏附作用研究:将BMSCs细胞接种在表面有序微米图案化结构的HAp生物陶瓷上，以平板结构HAp生物陶瓷为对照组样品，于接种后6小时后进行细胞肌动蛋白染色，培养I天后进行扫描电镜观察细胞的粘附及生长情况；
有序微米结构对BMSCs的增殖、成骨分化的作用研究:将细胞接种在表面有序微米图案化结构的HAp生物陶瓷上，以平板结构HAp生物陶瓷作为对照组样品，研究有序微米图案化结构促BMSCs的增殖、成骨基因表达等功能。
【附图说明】
[0014]图1示出了本发明的一个实施方式中表面有序微米图案化结构的HAp生物陶瓷的制备工艺流程图； 图2示出了未采用尼龙网筛制备的HAp生物陶瓷(对照组)、以及本发明的一个实施方式中制备的表面有序微米结构的HAp生物陶瓷的SHM照片；
图3示出了未采用尼龙网筛制备的HAp生物陶瓷(对照组)、以及本发明的一个实施方式中制备的HAp生物陶瓷进行细胞培养所得细胞的形态SEM扫描图；
图4示出了 BMSCs在未采用尼龙网筛制备的HAp生物陶瓷(对照组)、以及在本发明的一个实施方式中制备的HAp陶瓷表面培养1、3、7天后的增殖情况；
图5示出了骨髓间充质干细胞在未采用尼龙网筛制备的HAp生物陶瓷(对照组)、以及在本发明的一个实施方式中制备的HAp陶瓷表面培养4、7天后的分化结果。
【具体实施方式】
[0015]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0016]本发明涉及一种具有促进成骨的表面有序微米图案化结构羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2, HAp)生物陶瓷的制备与应用，属生物医用材料领域。
[0017]本发明的目的在于提供一种表面有序微米图案化结构HAp生物陶瓷的制备方法，制备得到的表面有序微米图案化结构HAp生物陶瓷较传统平板结构材料具有更好的促进成骨细胞、骨髓间充质干细胞的黏附、增殖和成骨分化等功能，从而提高HAp材料的成骨活性。此方法可以根据实际需要，选择不同筛目的尼龙网筛以调控微米图案化结构的尺寸大小以及凹坑结构的深度。
[0018]所述制备方法包括:
以HAp陶瓷粉体为原料采用有机网筛为模板压制成型后、经烧结即可获得表面有序微米尺度凹凸状图案化结构的HAp生物陶瓷材料，而其表面结构的尺寸可以通过调控模板的尺度加以调控。
[0019]具体来说，以HAp粉体为原料、以尼龙网筛为模板，经干压成型和高温煅烧而获得。
[0020]在干压成型过程中，在医用不锈钢的模具内先垫上一层与模具尺寸一致的尼龙网筛，然后加入HAp粉体，经干压成型获得素坯，而后素坯经高温煅烧后即可获得本发明的具有表面有序微米图案化结构的HAp陶瓷。
[0021]在HAp粉体中加入1-5% (质量百分比)的浓度为1-10%的PVA(聚乙烯醇)作黏结剂，搅拌均匀。在接下来的压制成型过程中，首先将尼龙网筛裁剪成与医用模具相同的尺寸，在医用模具内垫上一层与模具相同尺寸的尼龙网筛，然后在网筛上方加入一定质量的经PVA (聚乙烯醇)黏结剂调好后的HAp粉体，以2-10MPa的压力干压成型获得本发明的陶瓷素坯；将素坯在900-1300°C温度下煅烧1-5小时，即可制备得到表面有序微米图案化结构的HAp生物陶瓷。
[0022]以尼龙网筛作为表面微米有序图案化结构的模板，该模板在高温烧结过程中可以被完全煅烧去除，而不会留下残留物。同时，通过改变尼龙网筛的目数可以实现本发明的HAp陶瓷