一种复合陶瓷骨支架表面微-纳米孔隙的构建方法
【专利摘要】针对目前用于修复骨缺损的HAP/TCP复合陶瓷骨支架，本发明提出了一种利用羟基磷灰石和磷酸钙降解速度不一致的特点，即β-TCP与磷酸的化学反应速度远远快于HAP，采用磷酸溶液腐蚀时，复合陶瓷骨支架表面的β-TCP颗粒将溶于磷酸溶液，留下微米孔隙；而HAP颗粒将少量腐蚀，在晶粒表面形成纳米孔隙。最终形成适合细胞粘附生长的表面微纳米孔隙，并且所形成的微纳米孔隙具有一定规律性。
【专利说明】一种复合陶瓷骨支架表面微-纳米孔隙的构建方法 所属【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种针对羟基磷灰石/磷酸三钙复合陶瓷骨支架表面微-纳米孔隙的 构建方法，特别是涉及一种针对激光选区烧结纳米羟基磷灰石、磷酸三钙混合粉末制备的 骨支架，利用羟基磷灰石和磷酸三钙降解速度不一致的特点，采用磷酸溶液选择性腐蚀骨 支架获得表面微-纳米孔隙的方法。
【背景技术】
[0002] 随着人们的平均寿命不断提高，人口老年化，骨科疾病导致的骨缺损呈上升趋势， 全世界每年有超过220万例骨缺损手术患者。近年来，随着生物制造技术发展逐渐成熟，采 用人工骨支架修复骨缺损成为可能。但人工骨支架植入人体后要形成骨结合一般需要1-3 个月，甚至更长时间，因此难以即刻或早期负重。为了缩短骨支架的骨结合时间并增强骨结 合，骨支架需做表面处理。
[0003] 表面微-纳米孔隙的骨支架与表面光滑的骨支架相比，可提供更多的活性靶点， 获得更快的骨结合，形成更大的骨结合界面和更强的抗剪切能力。同时细胞培养证实表面 具有微-纳米孔隙的骨支架比表面光滑的骨支架更能增加骨支架与骨组织的接触率和机 械结合力，更能促进新骨的形成。临床上同样证明表面微-纳米孔隙的骨支架有更高的成 活率。因此骨支架表面微-纳米孔隙的制备方法一直是研究热点。
[0004] 磷酸I丐生物陶瓷主要是轻基磷灰石（Ca1Q(P04) 6(0H)2, Hydroxylaptite，简称HAP) 和磷酸三|丐（Ca3(P04) 2，Tricalcium Phosphate,简称TCP)在目前研究和使用的硬组织替 换生物材料中占有很大的比重。这是因为磷酸钙生物陶瓷具有良好的生物相容性和生物 活性，对人体无毒、无致癌作用，并可以和自然骨通过体内的生物化学反应进行牢固的骨结 合。
[0005] 但是这类材料存在脆性大，抗弯强度不足，降解速率难以控制的缺点，而复合陶瓷 拥有比单一材料更好的力学性能和可调的降解速率，因此目前更多的是利用复合陶瓷骨支 架（如HAP/TCP)来修复骨缺损。
【发明内容】
[0006] 针对目前用于修复骨缺损的HAP/TCP复合陶瓷骨支架，本发明提出了一种利用 羟基磷灰石和磷酸钙降解速度不一致的特点，采用磷酸溶液选择性腐蚀骨支架获得表面 微-纳米孔隙的方法。本发明主要包括如下步骤：
[0007] (1)复合陶瓷支架制备：实验用HAP粉末购自南京埃普瑞纳米材料有限公司，采 用溶胶-凝胶法制备，长针状，宽约20nm，长约150nm，平均粒径40nm。β -TCP粉末由中国 昆山华侨科技新材料有限公司提供，采用沉淀法制备，以Ca(N03)2和（ΝΗ 4)2ΗΡ04为原料，经 700-800°C煅烧，保温3-5小时制得。粉末为白色无定形粉末；平均粒度200nm，熔点1670°C， 堆积密度〇. 75g/cm3，Ca/P比为1. 50。不同配比的ΗΑΡ/β -TCP复合粉末是利用机械混合法 混合均匀。复合陶瓷骨支架是利用选择性激光烧结ΗΑΡ/β -TCP复合粉末制得（图1)。
[0008] (2)微-纳孔隙结构腐蚀：将制备的HAP/ β -TCP复合陶瓷骨支架在2%浓度的磷 酸溶液中浸泡7分钟，对支架表面进行选择性腐蚀处理。腐蚀温度为30°C，腐蚀时无搅拌 和晃动。腐蚀后取出支架，利用去离子水反复浸泡洗涤，其后在120°C条件干燥3个小时后 进行测试分析。由于β-TCP与磷酸的化学反应速度远远快于HAP，复合陶瓷骨支架表面的 β -TCP颗粒将溶于磷酸溶液，留下微米孔隙；而HAP颗粒将少量腐蚀，在晶粒表面形成纳米 孔隙（图2)。随着复合陶瓷中β-TCP含量的增加，腐蚀后复合陶瓷骨支架表面结构将呈现 出规律性变化（图3)。
[0009] (3)微-纳孔隙性能测试：对所制得的微-纳米孔隙的生物学性能进行了 MG-63骨 肉瘤细胞粘附测试和细胞计数实验，表明所制得的微-纳米孔隙结构符合成骨细胞的生长 和迁移：所提供的孔隙和通道空间有利于骨细胞的黏附，并为营养物质和代谢产物的输送 提供有利条件（图4)。
[0010] 与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0011] ①经腐蚀后，发现表面β -TCP完全腐蚀，留下微米孔隙；而HAP发生部分腐蚀，在 晶粒表面形成纳米孔隙，最终得到微-纳米孔隙；
[0012] ②根据所含HAP与β-TCP比例的不同可控制微-纳孔隙的多少，并且所制备的 微-纳孔隙结构分布具有一定的规律性；
[0013] ③腐蚀完成后，裸露在外表面的是HAP针状晶粒（图5)，而HAP有利于支架植入体 内后与组织在界面上形成化学键性结合；
[0014] ④所制备的微-纳孔隙表现出了良好的细胞粘附性能；
[0015] ⑤涉及一种利用选择性腐蚀制备骨支架表面微-纳孔隙结构的方法，该方法具有 制备工艺简单、操作方便的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1所制得的复合陶瓷支架
[0017] 图2腐蚀后复合陶瓷骨支架的表面微-纳米孔隙
[0018] 图3不同ΗΑΡ/ β -TCP比例复合陶瓷的表面微-纳米孔隙
[0019] (1) 10 % β -TCP 含量复合支架；（2) 20 % β -TCP 含量复合支架；（3) 30 % β -TCP
[0020] 含量复合支架；（4) 40 % β -TCP含量复合支架；（5) 50 % β -TCP含量复合支架图4 表面微-纳孔隙的细胞粘附数量
[0021] (1) 10 % β -TCP 含量复合支架；（2) 20 % β -TCP 含量复合支架；（3) 30 % β -TCP
[0022] 含量复合支架；（4) 40 % β -TCP含量复合支架；（5) 50 % β -TCP含量复合支架图5 表面微-纳米孔隙的能谱图（主要成分为HAP) 具体实施例
[0023] 下面结合一个实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步描述，但本发明之内容并 不局限于此。
[0024] 1)采用纳米HAP粉末和β -TCP粉末为原料，其中HAP粉末购自南京埃普瑞纳米材 料有限公司，采用溶胶-凝胶法制备，长针状，宽约20nm，长约150nm，平均粒径40nm。β -TCP 粉末由中国昆山华侨科技新材料有限公司提供，采用沉淀法制备，以Ca (N03) 2和（ΝΗ4) 2ΗΡ04 为原料，经700-800°C煅烧，保温3-5小时制得。粉末为白色无定形粉末；平均粒度200nm， 熔点1670°C，堆积密度0. 75g/cm3，Ca/P比为1. 50。不同配比的ΗΑΡ/β -TCP复合粉末是利 用机械混合法研磨60min后获得的。β -TCP/HAP复合粉末包括五种配比，β -TCP质量百分 比分别为 10%、20%、30%、40%、50%。
[0025] 2)利用激光选区烧结机，在激光功率50W、扫描速度200mm/min、光斑直径00. 5mm、 扫描间距1mm及铺粉厚度0. 1mm的条件下，按照设计烧结路径对所制得的复合粉末进行选 区烧结，完成一层后再进行下一层烧结，最终制备出具有互连多孔的复合陶瓷骨支架（图 1)。
[0026] 3)将制备的ΗΑΡ/β -TCP复合陶瓷骨支架在2%浓度的磷酸溶液中浸泡7分钟， 对支架表面进行选择性腐蚀处理。腐蚀后取出支架，利用去离子水反复浸泡洗涤，其后在 120°C条件干燥3个小时后进行测试分析（图2、3)。
[0027] 4)对表面孔隙利用MG-63细胞进行了细胞粘附实验，MG-63细胞由美国典型微生 物菌种保藏中心提供，取其l〇〇yL(浓度lX10 6/ml)滴加到支架表面。37±1°C、体积分数 5%C02培养箱培养。每24h更换培养液，7天后进行细胞计数测试。10%、20%、30%、40%、 50% β-TCP含量复合支架单位平方毫米面积内细胞数量分别为978、2260、2542、2946、 23祕个（图4)。
[0028] 5)对选择性腐蚀后支架试样表面进行EDX能谱分析，表面Ca/P比为1. 67,与HAP 的Ca/P比相吻合。由此可知，支架试样表面裸露针状颗粒为HAP颗粒（图5)。
【权利要求】
1. 一种利用羟基磷灰石和磷酸钙降解速度不一致的特点，采用磷酸溶液选择性腐蚀 ΗΑΡ/ β -TCP复合陶瓷支架制备表面微-纳米孔隙，达到促进细胞粘附和生长的目的。 (1) 利用机械混合法混合均匀不同配比的ΗΑΡ/ β -TCP复合粉末。利用选择性激光烧结 ΗΑΡ/ β -TCP复合粉末制得复合陶瓷骨支架。 (2) 将制备的ΗΑΡ/β -TCP复合陶瓷骨支架在2%浓度的磷酸溶液中浸泡7分钟，对支 架表面进行选择性腐蚀处理。腐蚀温度为30°C，腐蚀时无搅拌和晃动。
2. 按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：磷酸溶液浓度为2%，浸泡时间为7分 钟，腐蚀温度为30°C，腐蚀时无搅拌和晃动。
3. 按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：可根据所需制备的孔隙多少调节HAP/ 运-!^复合粉末的配比，如0-1^质量百分比分别为1〇%、2〇%、3〇%、4〇%、5〇%。
4. 按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：支架试样表面β-TCP被腐蚀，裸露的 是HAP颗粒，有利于支架植入体内后与组织在界面上形成化学键性结合。
5. 按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：所制备的表面微-纳米孔隙，有利于细 胞的粘附和生长，通过MG-63细胞粘附实验表时细胞粘附数量增加了一倍多。
6. 按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：利用磷酸溶液选择性腐蚀ΗΑΡ/β-TCP 复合陶瓷支架制备表面微-纳米孔隙，所制备的微-纳孔隙结构分布具有一定的规律性。
【文档编号】A61L27/10GK104147637SQ201310176609
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年5月14日 优先权日:2013年5月14日
【发明者】帅词俊, 彭淑平, 李鹏建, 庄静宇 申请人:中南大学