专利名称：聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种生物医用材料技术领域的方法，具体是一种基于复合浆料发 泡法的孔隙率大于70%的聚磷酸钙_磷酸三钙骨支架及其制备方法。
背景技术：
近十几年的研究表明，磷酸三钙材料-TCP :calcium phosphate, Ca3(P04)2)和 聚磷酸钙材料(CPP :Calcium polyphosphate, (Ca(P03)2)n)不仅继承了羟基磷灰石类材料 优异的生物相容性和力学强度，同时还具有很好的生物降解性能、骨诱导性能和骨吸收性 能。13 -TCP的降解性能是羟基磷灰石的10 20倍；CPP是一种通过P-O-P键串连形成含 钙、磷和氧的无机单链聚合物，由于P-O-P键在湿度气氛下容易吸水分解成正磷酸盐和钙 离子，因此，CPP表现出优于P-TCP的降解性能，非晶态CPP能在l个月内降解完全，部分 分解产物能就近被吸收有于骨组织重建，表现出优异的生物相容性和骨诱导性。晶态CPP 能在半年到一年内降解。两种材料的体内体外实验均表现出优异的诱导骨细胞繁殖的性 能。因此，两种磷酸钙陶瓷材料在骨修复材料方面具有广泛的应用前景。应用双相生物陶 瓷(BCP :biphasic calcium phosphates)设计理念，将两者复合，在一定程度上实现了对力 学强度和降解速率的可控调节，进一步拓宽了该类材料的临床应用。 骨支架首先是一种多孔材料，支架材料的孔隙结构包括孔隙率、孔径、孔道的联通 性、孔的取向等，它应与组织或器官的生理需求和代谢需求相匹配。 一般而言，疏松多孔支 架具有较大的表面积/体积比和表面积，它能够提高细胞在基质上的滞留量、均匀分布和 粘附，有利于养分和代谢物的运输及交换，从而有利于细胞和血管的长入。研究表明，孔隙 率应尽可能高， 一般为40 % 95 % ， 70 %以上效果更好。大孔孔径应大于100微米，并控制 在100 1000微米之间，200 400微米时最佳，过大的孔径会显著降低支架的力学强度， 孔径分布集中，有利于提高力学强度。孔与孔之间应该相互联通。 现有技术中制备多孔陶瓷的方法主要可归为三类最主要、最基本的方法模板法、 牺牲相法和发泡法。其中涉及到的孔隙率范围在20 97%之间，孔隙大小在400纳米 4厘米之间。模板法将具有孔隙结构的模板(高分子、珊瑚礁、木头等)浸渍在磷酸钙悬浮 液或其前驱体溶液中，取出，干燥，烧结，除去模版，获得与模版空隙结构相似的材料。该方 法实用性很强，模板可以是人工合成聚合物泡膜、碳泡膜，也可以是天然的模板如珊瑚礁、 木头等。该方法易于得到高孔隙且相互联通的支架，但对陶瓷浆料的流动性和固相含量的 要求较高。流动性可以保证充分填满模板的每一个孔隙，高固相含量可大大提高结构强度。 牺牲相法将陶瓷粉体与一预去除相均匀混合后，成型，热处理去除一相后得到多孔支架材 料。可使用合成聚合物如PEG、 PLA、 PE0、 PVB、 PMMA、 PMMA-PEG、 C1(1H8的颗粒；或天然有机物 如棉花，淀粉，蔗糖，石蜡等作牺牲；也可用液体、盐类或金属/陶瓷颗粒做造孔剂如冰冻干 燥法、盐类等。该方法实用性强、模板取材广泛、操作方便、易于控制孔隙率及大小形态等， 但孔隙的联通性较差，热处理时易出现裂纹。直接发泡法将空气鼓入陶瓷悬浮液中并通过 表面活性剂加以固定，再烧结，该方法关键在于稳定气泡。通常使用表面活性剂如长链两性高分子、生物分子或表面改性的凝胶粒子等防止气泡成熟或分化。有聚合物原位发泡固定， 溶胶凝胶固定，凝胶注模固定等。该法简单、便宜，所得多孔陶瓷力学强度一般比前两种方 法要好。 经对现有技术文献检索发现，中国专利文献号CN1736955记载了一种将浆料发泡 和淀粉原位凝固成型工艺相结合制备多孔陶瓷，该技术制备所得多孔陶瓷孔隙率高，含有 两种不同尺度的气孔，但该方法对孔隙形态的控制较差，所得多孔体力学强度较差。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种聚磷酸钙_磷酸三钙骨支架的制 备方法，利用浆料发泡法的高效、低成本、孔隙率可控的特性制备高孔隙陶瓷骨支架。
本发明是通过以下技术方案实现的将磷酸钙陶瓷粉末(TCP/CPP复合粉末)、浆 料稳定剂甲基纤维素(CMC)、表面活性剂聚乙烯醇(PVA)、发泡剂双氧水(H202)以及去离子 水按比例球磨混合，制备复合陶瓷浆料。所得浆料注入模具中，采用四步干燥法在烘箱中干 燥，得到的干燥坯体在高温下进行烧结，得到多孔磷酸钙陶瓷支架。
本发明包括以下步骤 第一步，配置聚乙烯醇水溶液，然后将聚乙烯醇水溶液进行加热处理；
所述的聚乙烯醇水溶液的质量百分比浓度为2% ; 所述的加热处理是指在ll(TC的环境中对聚乙烯醇水溶液加热60分钟后，自然 冷却至常温； 第二步，按质量比为10. 6 17. 7 : 1的比例称取复合陶瓷粉末和甲基纤维素粉 末并搅拌均匀，然后依次加入聚乙烯醇水溶液、过氧化氢溶液以及去离子水并球磨处理，制 成陶瓷浆料； 所述复合陶瓷粉末的组分及其质量百分比为生物降解13 -磷酸三钙陶瓷非晶态 聚磷酸钙(CPP) = 5. 0 25. 0。 所述的聚乙烯醇水溶液的用量为每克复合陶瓷粉末0. 375 1. 875毫升；
所述的过氧化氢溶液是指质量百分比浓度为3%的过氧化氢水溶液，其用量为为 每克复合陶瓷粉末0. 25 0. 625毫升； 所述的球磨处理是指采用50毫升的球磨罐对陶瓷桨料进行球磨混合，球磨速度 300-400转/分钟，球磨时间3-6小时。 所述的陶瓷浆料中复合陶瓷粉末、甲基纤维素粉末、聚乙烯醇水溶液和过氧化氢 溶液的总质量与去离子水的比例为0. 55-0. 75克/毫升。 第三步，将陶瓷浆料注入塑料模具中进行干燥处理，制成多孔坯体，经过脱模后进 行高温烧结处理，制成高孔隙聚磷酸^ _磷酸三*丐骨支架。 所述的干燥处理是指采用四步干燥法干燥，即在2『C下干燥1天，35t:下干燥1 天，45t:下干燥1天，6(TC下干燥1天。 所述的注入塑料模具是指注塑前先在模具表面内部垫上滤纸，以便于干燥后脱 模。 所述的高温烧结处理包括在3小时内从(TC升温至30(TC，然后在300°C -600°C 下保温1小时，再进一步从60(TC开始以5-10°C /分钟的速度升温至1250-135(TC并烧结时间2-5小时，最后随炉冷却至室温。 本发明结合了表面活性剂造孔和11202发泡法，具有明显的优势，通过调节浆料中 调节H202含量和固相粉末与液相的比例，从而有效调节多孔体的孔隙率；通过调节添加剂 含量来调节浆料的流变性能如粘度、回复性能等，并结合球磨混合的速度的调节，从而控制 浆料捕获气体的能力以及浆料中气泡的形态，如气泡的数量、大小、均一性等，最终获得满 足不同要求的多孔陶瓷支架。所得多孔陶瓷支架大孔孔径在200 600微米，微孔在2-5 微米，总孔隙率在60 90%之间，抗压强度在0. 5 7. 0MPa之间。此外，该方法成本低廉、 效率高、并可规模化生产。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 实施例1 1.称取O. 1克PVA，放入50毫升烧杯中，置于11(TC烘箱中，60分钟后取出，冷却
至常温后用纱布过滤后备用。 2.称8克质量比为20. 0的TCP/CPP复合陶瓷粉末，0. 45克的甲基纤维素粉末，机 械混合；加入上述PVA溶液15毫升，3% H2022毫升，球磨混合，球磨速度300转/分钟，球磨 时间4小时。 3.将所得浆料注入塑料模具中，采用四步干燥法干燥，即在2『C下干燥1天，35t: 下干燥1天，45t:下干燥1天，6(TC下干燥1天。 4.多孔坯体脱模后置于坩埚中，放入程序控温高温烧结炉中烧结，升温程序为 0-300°C 3小时，300-60(TC 1小时，60(TC以上升温速率可控制在5°C /分钟，烧结温度 125(TC，烧结时间3小时，随炉冷却至室温，得到多孔陶瓷支架，孔隙率为73. 6%，大孔孔径 为250-400纳米，抗压强度4. lMPa。
实施例2 1.称取O. 1克PVA，放入50毫升烧杯中，置于11(TC烘箱中，60分钟后取出，冷却
至常温后用纱布过滤后备用。 2.称8克质量比为15. 0的TCP/CPP复合陶瓷粉末，O. 6克的甲基纤维素粉末，机 械混合；加入上述PVA溶液10毫升，3% H2025毫升，去离子水2毫升，球磨混合，球磨速度 350转/分钟，球磨时间6小时。 3.将所得浆料注入塑料模具中，采用四步干燥法干燥，即在2『C下干燥1天，35t: 下干燥1天，45t:下干燥1天，6(TC下干燥1天。 4.多孔坯体脱模后置于坩埚中，放入程序控温高温烧结炉中烧结，升温程序 0-300°C 3小时，300-60(TC 1小时，60(TC以上升温速率可控制在l(TC /分钟，烧结温度 135(TC，烧结时间2小时，随炉冷却至室温，得到多孔陶瓷支架，孔隙率为68. 5%，大孔孔径 为200-350纳米，抗压强度6. 7MPa。
实施例3 1.称取O. 1克PVA，放入50毫升烧杯中，置于11(TC烘箱中，60分钟后取出，冷却至常温后用纱布过滤后备用。 2.称8克质量比为25. 0的TCP/CPP复合陶瓷粉末，0. 75克的甲基纤维素粉末，机 械混合；加入上述PVA溶液3毫升，3% H2023毫升，去离子水12毫升，球磨混合，球磨速度 400转/分钟，球磨时间4小时。 3.将所得浆料注入塑料模具中，采用四步干燥法干燥，即在2『C下干燥1天，35t: 下干燥1天，45t:下干燥1天，6(TC下干燥1天。 4.多孔坯体脱模后置于坩埚中，放入程序控温高温烧结炉中烧结，升温程序 0-300°C 3小时，300-60(TC 1小时，600°C以上升温速率可控制在8 °C /分钟，烧结温度 125(TC，烧结时间5小时，随炉冷却至室温，得到多孔陶瓷支架，孔隙率为79. 2%，大孔孔径 为200-400纳米，抗压强度3. 5MPa。
实施例4 1.称取O. 1克PVA，放入50毫升烧杯中，置于11(TC烘箱中，60分钟后取出，冷却
至常温后用纱布过滤后备用。 2.称8克质量比为5. 0的TCP/CPP复合陶瓷粉末，O. 6克的甲基纤维素粉末，机械 混合；加入上述PVA溶液8毫升，3% H2025毫升，去离子水4毫升，球磨混合，球磨速度400 转/分钟，球磨时间6小时。 3.将所得浆料注入塑料模具中，采用四步干燥法干燥，即在2『C下干燥1天，35t: 下干燥1天，45t:下干燥1天，6(TC下干燥1天。 4.多孔坯体脱模后置于坩埚中，放入程序控温高温烧结炉中烧结，升温程序 0-300°C 3小时，300-60(TC 1小时，60(TC以上升温速率可控制在l(TC /分钟，烧结温度 130(TC，烧结时间3小时，随炉冷却至室温，得到多孔陶瓷支架，孔隙率为85. 5%，大孔孔径 为260-400纳米，抗压强度3. lMPa。
权利要求
一种聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，配置聚乙烯醇水溶液，然后将聚乙烯醇水溶液进行加热处理；第二步，按质量比为10.6～17.7∶1的比例称取复合陶瓷粉末和甲基纤维素粉末并搅拌均匀，然后依次加入聚乙烯醇水溶液、过氧化氢溶液以及去离子水并球磨处理，制成陶瓷浆料；第三步，将陶瓷浆料注入塑料模具中进行干燥处理，制成多孔坯体，经过脱模后进行高温烧结处理，制成高孔隙聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架。
2. 根据权利要求l所述的聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架的制备方法，其特征是，所述的聚乙烯醇水溶液的质量百分比浓度为2%。
3. 根据权利要求1所述的聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架的制备方法，其特征是，所述的加热处理是指在ll(TC的环境中对聚乙烯醇水溶液加热60分钟后，自然冷却至常温。
4. 根据权利要求1所述的聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架的制备方法，其特征是，所述的复合陶瓷粉末的组分及其质量比为生物降解磷酸三钙陶瓷非晶态聚磷酸钙=5. 0 25. 0。
5. 根据权利要求1所述的聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架的制备方法，其特征是，所述的聚乙烯醇水溶液的用量为每克复合陶瓷粉末0. 375 1. 875毫升。
6. 根据权利要求l所述的聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架的制备方法，其特征是，所述的过氧化氢溶液是指质量百分比浓度为3%的过氧化氢水溶液，其用量为为每克复合陶瓷粉末0. 25 0. 625毫升。
7. 根据权利要求1所述的聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架的制备方法，其特征是，所述的球磨处理是指采用50毫升的球磨罐对陶瓷桨料进行球磨混合，球磨速度300-400转/分钟，球磨时间3-6小时。
8. 根据权利要求l所述的聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架的制备方法，其特征是，所述的陶瓷浆料中复合陶瓷粉末、甲基纤维素粉末、聚乙烯醇水溶液和过氧化氢溶液的总质量与去离子水的比例为0. 55-0. 75克/毫升。
9. 根据权利要求l所述的聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架的制备方法，其特征是，所述的干燥处理是指采用四步干燥法干燥，即在2『C下干燥1天，35t:下干燥1天，45t:下干燥1天，6(TC下干燥1天。
10. 根据权利要求1所述的聚磷酸钙_磷酸三钙骨支架的制备方法，其特征是，所述的高温烧结处理包括在3小时内从(TC升温至30(TC，然后在300°C _6001:下保温1小时，再进一步从60(TC开始以5-10°C /分钟的速度升温至1250-135(TC并烧结时间2-5小时，最后随炉冷却至室温。
全文摘要
一种生物医用材料技术领域的聚磷酸钙-磷酸三钙骨支架的制备方法，将磷酸钙陶瓷粉末、浆料稳定剂甲基纤维素、表面活性剂聚乙烯醇、发泡剂双氧水以及去离子水按一定的比例球磨混合，制备复合陶瓷浆料。所得浆料注入模具中，采用四步干燥法在烘箱中干燥，得到的干燥坯体在高温下进行烧结，得到多孔磷酸钙陶瓷支架。本发明所得多孔陶瓷支架大孔孔径在200～600微米，微孔在2-5微米，总孔隙率在60～90％之间，抗压强度在0.5～7.0MPa之间。此外，该方法成本低廉、效率高、并可规模化生产。
文档编号A61L27/10GK101716369SQ20091020074
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者何丹农, 叶晓健, 范纯泉, 金彩虹, 陈高祥 申请人:上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司;上海长征医院