一种基于干铺‑烧结技术制备的骨修复生物陶瓷支架材料及其制备方法与流程

本发明涉及生物陶瓷支架材料的制备方法。

背景技术：

目前，临床上通过移植人工骨的方法来治疗骨缺损病人已经变得十分普遍。不管人工骨来源于何种材料，其移植成功的关键在于术后移植骨内能否有正常的新生骨组织长入。其主要体现在：1、骨移植处是否产生足量的新生骨；2、在移植骨与正常骨组织连接处是否产生牢固的结合。值得注意的是，目前临床上大部分的骨移植都只能起到骨替代的作用，还无法让新生骨很好地长入移植物内并使之融为一体。这也意味着移植骨在患者体内存在着耗损、老化的风险。并且大段骨移植后骨折的愈合是个复杂的过程，其愈合时间的延长增加了植入物引起异物感染的几率，感染后则导致更大范围的假体周围骨溶解。那么，提高人工移植骨的成骨性能和骨融合率，也就意味着提高了整个骨移植手术的成功率。因此，如何提高人工骨组织材料的成骨性能和与骨融合率受到了广泛的关注。HA/ZrO₂复合材料在体内、外实验中显示出完全的生物相容性，在骨组织、肌肉组织界面没有不良反应，细胞毒性试验和溶血试验的反应是微弱的、可接受的）。因此，ZrO₂梯度复合HA组织工程骨为骨移植提供良好的替代材料。研究显示HA/ZrO₂致密复合材料，平均抗弯强度达898.67 MPa，最高可达1112.4MPa，KⅠC可达7.3-11.4 MPa.m^1/2，远超过人体自然骨强度。而致密体强度过大同时也带来应力遮蔽的问题。而将HA/ZrO₂致密体制成泡沫陶瓷材料后通过改变空隙率来调节其强度，得到力学性能最贴近自然骨结构的高仿真人工骨材料，这也是HA/ZrO₂泡沫陶瓷材料的最大优势所在。

HA具有与人体硬组织相似的化学成分结构，HA材料植入人体后，在体液的浸润下，会被部分降解并释放出人体所必需的钙、磷元素，并被组织吸收、利用，结合入新的组织，从而使HA和人体骨组织获得良好的结合。单纯HA作为支架材料存在强度低、韧性差、脱粒等缺陷。二氧化锆（ZrO₂）陶瓷材料正好具有较高的弯曲强度、断裂韧性和较低的弹性模量，并且ZrO₂也具有一定的生物相容性。用ZrO₂作为HA增强体后可获得力学性能和生物相容性俱佳的生物复合材料。而致密体强度过大同时也带来应力遮蔽的问题。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，本发明的目的提供一种基于干铺-烧结技术制备的骨修复生物陶瓷支架材料的制备方法，该方法制备的骨修复生物陶瓷支架材料孔隙率高，孔径大小合适，不仅使羟基磷灰石易于被降解吸收，而且骨组织易于长入，融合速度快，与宿主骨牢固结合，不会产生明显的异物反应，生物相容性好。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种基于干铺-烧结技术制备的骨修复生物陶瓷支架材料的制备方法，该方法包括以下的步骤：

1）聚氨酯泡沫模型材料预处理，提高材料的亲水性和粘附性能；

2）在聚氨酯泡沫模型材料上挂浆，所述的挂浆包括2~4次，第一次挂浆，浆料中ZrO₂粉体的质量百分比为55~70%；挂浆后置于室温下自然干燥；然后放入烘箱中，在 100~120℃条件下烘干，使水分质量分数降至1%以下；以后每次挂浆ZrO₂粉体的质量百分比相对于前一次挂浆减少1%~5%，挂浆后以相同的方法干燥并烘干；

3）上述挂浆后预制体试样采用了三段式烧结工艺进行烧结，烧结的步骤如下：

3.1）烘干阶段：在室温至90~110℃时，升温速度为2~3℃/min；

3.2）挥发阶段：在90~110℃至190~210℃时，控制升温速度，1~2℃/min，在190~210℃至490~510℃时，控制升温速度1~2℃/2min，升温至490~510℃时，保温1~1.5h，后升温到490~510℃至700~800℃时，控制升温速度为1~2℃/3min，升温至700~800℃后，保温1~1.5h，后升温到700~800℃至1200~1300℃时，控制升温速度为1~2℃/min；

3.3）高温焙烧阶段：后持续烧结温度保持在2~4℃/min，到达1500~1600℃的最高烧结温度后，再保温2~4h并随炉冷却，得到ZrO₂多孔生物骨修复支架；

4）采取两步法浸涂法涂覆梯度HA涂层；

4.1）第一次浸涂浆料，纳米级HA粉末占浆料质量的百分比为10~15%，纳米级ZrO₂粉末占浆料质量的百分比为25~35%，将烧结出的ZrO₂多孔生物骨修复支架浸入浆料，等完全浸透后取出，甩去多余浆料；90~110℃烘干4~6h，再加热到800~1000℃保温4~6h，最后加热到1200~1300℃保持0.8~1.5；

4.2）第二次浸涂浆料，纳米级HA粉末占浆料质量的百分比为30~40%，纳米级ZrO₂粉末占浆料质量的百分比为2~5%，将被步骤4.1）烧结出的ZrO₂多孔生物骨修复支架浸入浆料，等完全浸透后取出，甩去多余浆料；90~110℃烘干4~6h，再加热到800~1000℃保温4~6h，最后加热到1200~1300℃保持0.8~1.5；冷却得到骨修复生物陶瓷支架材料。

作为优选，步骤1）中将有机聚氨酯泡沫材料采用50~70℃、10~20wt% 氢氧化钠溶液浸泡 3.0~4.0 h，用清水反复揉搓2~4遍，晾干；再以表面活性剂继续对有机聚氨酯泡沫体材料进行表面处理，最后用5% PVA浸泡20~30h后干燥。

作为优选，步骤2）中第一次挂浆的浆料按质量百分比计包括以下的组分：

ZrO₂粉体 55~70%

聚乙烯醇 0.2~1.0%

羧甲基纤维素 0.2~1.0%

硅溶胶 8~15%

聚丙稀酸铵 0.2~1.2%；

第一次挂浆以后每次挂浆ZrO₂粉体的质量百分比相对于前一次挂浆减少1%~5%，其他成分不变。

作为优选，步骤2）中挂浆制浆前ZrO₂粉体进行预烧处理，处理温度在30℃至800℃之间时升温速度为2℃/min，800℃至1250℃之间时升温速度为4℃/min，升温至 1250℃后保温4h完成粉体预处理。

作为优选，步骤2）中浆料的制备过程如下：对原料进行完全混合研磨后，采用粉球质量比1：2，转速300r/min的高速球磨机研磨3h以制取浆料，然后先将一定量去离子水和硅溶胶搅拌10 min，加入CMC 和消泡剂辛醇，ZrO₂粉体，再搅拌3 h，等待挂浆。

作为优选，步骤4.1）中第一层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

ZrO₂粉末 25~35%

HA粉末 10~18%

双蒸水 50~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

作为再优选，步骤4.1）中第一层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

ZrO₂粉末 30~32%

HA粉末 12~15%

双蒸水 50~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

作为优选，步骤4.2）中第二层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

ZrO₂粉末 2~5%

HA粉末 30~40%

双蒸水 55~65%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

作为再优选，步骤4.2）中第二层浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

ZrO₂粉末 3~4%

HA粉末 32~36%

双蒸水 56~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纤维素 0.1~0.5%。

本发明的第二个目的是提供采用上述的方法制备得到的骨修复生物陶瓷支架材料。

本发明由于采用了上述的技术方案，先使用聚氨酯作为泡沫模型材料，进行预处理，是得到的模型材料空隙率，亲水性和粘附性有所改善，符合实验要求。再对ZrO₂粉体、浆料进行挂浆，使得到的ZrO₂粉料质量分数为54%，整体浆料固相率调整至54%。挂浆后预制体试样采用了三段式烧结工艺进行烧结，得到HA/ZrO₂骨修复生物陶瓷支架材料。

HA/ZrO₂梯度复合材料本身具有一定表面粗糙度（1.95μm），而本实验将其制成蜂窝状泡沫陶瓷后平均空隙率达72.99%，这使材料与新生骨的接触表面积明显增加，可使材料与自体骨间形成牢固的骨性结合。另外，HA/ZrO₂梯度复合材料在制备成蜂窝状泡沫陶瓷之后同样具有足够的力学强度，可以满足术后的即时稳定性。

本发明针对现有生物陶瓷材料一旦孔隙率增高就难以满足对人工骨抗压强度和韧性要求这一缺陷，在HA中加入纳米ZrO₂颗粒以增强支架材料的抗压强度和韧性，从而为骨缺损治疗提供一种孔隙率高、抗压强度大、韧性强的骨修复生物陶瓷支架。本发明骨修复生物陶瓷支架材料是纳米ZrO₂与HA以适当比例混合成浆料，再涂于适当孔径和孔隙率的聚氨脂海绵烧结而成。由于孔隙率高，孔径大小合适，不仅使羟基磷灰石易于被降解吸收，而且骨组织易于长入，融合速度快，与宿主骨牢固结合，不会产生明显的异物反应，生物相容性好，本发明生物陶瓷既可用于骨组织损伤修复，还可以用于体外细胞培养。

附图说明

图1为本发明具体实施方式泡沫陶瓷人工椎体尺寸图。

图2为本发明具体实施方式泡沫陶瓷人工椎体超景深图片。

图3为本发明具体实施方式术后12周椎体标本及X片。

具体实施方式

下面以犬腰椎椎体HA/ZrO₂生物陶瓷支架材料作为实例对本发明进行详细的说明。

1.1 模型有机泡沫材料预处理

采用聚氨酯作为泡沫模型材料，由于聚氨酯材料存在网络间膜，而间膜的存在使浆料很难进入泡沫体模型内部，将造成堵孔、浆料无法均匀分布、烧结后的泡沫陶瓷的空隙率和力学性能较差。故需先将膜打通，使有机体泡沫形成三维网状结构。另外，有机泡沫模型存在亲水性较差、润湿角小故浆料不易吸附。为改善泡沫体模型材料的挂浆性能，需要进行预处理。将有机聚氨酯泡沫材料切割为高24cm、半径9cm半圆柱型大小，采用60℃、15wt% 氢氧化钠溶液浸泡 3.5 h，用清水反复揉搓3遍，晾干备用。处理后的有机聚氨酯泡沫材料由于被碱液腐烛，表面粗糙度明显增加，故使其亲水性和粘附性能有所改善。再以表面活性剂继续对有机聚氨酯泡沫体材料进行表面处理，最后用5% PVA浸泡24h后干燥。

1.2 ZrO₂粉体、浆料的制备

采用箱式电阻炉对粉体进行预烧处理，处理温度在30℃至800℃之间时升温速度为2℃/min，800℃至1250℃之间时升温速度为4℃/min，升温至 1250℃后保温4h完成粉体预处理。浆料制备采用添加剂配比：聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纤维素（CMC）的含量均为0.5%，加入10% 硅溶胶，聚丙稀酸铵(PAA-NH₄)的含量为0.6%。首次挂浆加入ZrO₂的质量分数为60%，故整体浆料固相率约为60%。对原料进行完全混合研磨后，采用粉球质量比1：2，转速300r/min的高速球磨机研磨3h以制取浆料，然后先将一定量去离子水和硅溶胶搅拌10 min，加入CMC 和消泡剂辛醇，ZrO₂粉体，再搅拌3 h，等待挂浆。将挂浆过程中有机泡沫内部多余浆料通过挤压法去除，保证其通孔率。再将试样置于室温下18h~24 h后自然干燥。然后放入烘箱中，在 110℃条件下烘干12 h，使水分质量分数降至1%以下。然后进行第二次研磨、挂浆，采用同样添加剂配比，但加入ZrO₂粉料的质量分数降至57%，使整体浆料固相率降至57%。第二次起使用离心挂浆法，即先将未处理有机泡沫材料放入离心管底部，以便于隔离甩出的浆料，再将浸泡好的含浆料有机泡沫放入，1500r/min离心1min。经过相同工艺烘干后行第3次挂浆，第3次同样采用前两次添加剂配比，但ZrO₂粉料质量分数为54%，整体浆料固相率调整至54%。

1.3 ZrO₂陶瓷的烧结

对上述挂浆后预制体试样采用了三段式烧结工艺进行烧结，分别为（1）烘干阶段：在室温至100℃时，升温速度为2℃/min，目的使预制体试样内残余的水分挥发。（2）挥发阶段：在100℃至200℃时,控制升温速度为1℃/min，在200至500℃时，控制升温速度在1℃/2min，升温至500℃时，保温1h，后升温到500至750℃时，控制升温速度为2℃/3min，升温至750℃后，保温1h，后升温到750至1200℃时，控制升温速度为2℃/min。（3）高温焙烧阶段：后持续烧结温度保持在3℃/min，到达1550℃的最高烧结温度后，再保温3h并随炉冷却。得到高24cm、半径9cm半圆柱型纯ZrO₂人工椎体。

1.4 在纯ZrO₂泡沫陶瓷人工椎体表面浸涂HA 梯度涂层

采取两步法浸涂法涂覆梯度HA涂层。第一次浸涂浆料配比为：ZrO₂粉体31.1%、HA粉体13.3%，磷酸乙酯1.4%，乙基纤维素0.2%，双蒸水53%。先将HA粉体加热至800℃后保温2h预处理，再将上述原料在50℃热水中混合，并搅拌5h。将烧结出的纯ZrO₂泡沫陶瓷人工椎体浸入浆料，等完全浸透后取出，甩去多余浆料。100℃烘干5h，再加热到900℃保温5h，最后加热到1250℃保持1h。第二次浸涂浆料配比为：ZrO₂粉体3.9%，HA粉体35.5%，磷酸乙酯1.4%，乙基纤维素0.2%，双蒸水58%，配置好浆料后重复上述步骤。得到HA/ZrO₂梯度复合泡沫陶瓷人工椎体。

上述只的HA/ZrO₂梯度复合泡沫陶瓷人工椎体的具体数据为平均孔隙率77.47%，平均抗压强度10.25 MPa，体外细胞毒性试验（MTT）（—）。