一种制备ZrO2骨修复生物陶瓷支架材料的HA浸涂浆料的制作方法

本发明涉及生物陶瓷支架材料的制备。

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898.67mpa，最高可达1112.4mpa，kⅰc可达7.3-11.4mpa.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制备zro2骨修复生物陶瓷支架材料的ha浸涂浆料，采用该浆料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：

一种制备zro2骨修复生物陶瓷支架材料的ha浸涂浆料，该浆料按质量百分比计由以下的组分构成：

zro2粉末2~35%

ha粉末10~40%

双蒸水50~65%

磷酸乙酯1.0~2.5%

乙基纤维素0.1~0.5%。

作为优选，该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，该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，该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1）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为实施例1泡沫陶瓷人工椎体尺寸图。

图2为实施例1泡沫陶瓷人工椎体超景深图片。

图3为实施例1术后12周椎体标本及x片。

图4实施例2microct平扫及三维图像。

图5实施例2数据后期处理形成的材料三维结构。

图6实施例2光固化成型及后期脱脂烧结所制备的ha/zro2生物陶瓷材料。

图7实施例2ha/zro2生物陶瓷材料扫描电镜图。

图8实施例2ha/zro2生物陶瓷材料粉末xrd分析图。

图9实施例2ha/zro2生物陶瓷材料mtt试验od值。

图10实施例2ha/zro2生物陶瓷材料植入物取材后新生骨二、三维ct重建。

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。

实施例1

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3.5h，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。

1.2zro2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10min，加入cmc和消泡剂辛醇，zro2粉体，再搅拌3h，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~24h后自然干燥。然后放入烘箱中，在110℃条件下烘干12h，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%。

1.3zro2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10.25mpa，体外细胞毒性试验（mtt）（—）。

实施例2

1.1股骨干骨缺损动物模型

实验采用雄性成年比格犬，体重7.3±1.2kg，根据犬股骨干骨缺损临界值15mm，实验中截去犬股骨中段15mm，建立股骨干缺损模型。手术方式：术前12h禁食，用3%的戊巴比妥钠(1m1/kg)经静脉麻醉，麻醉完毕，行气管插管，手术过程持续吸氧。手术区皮肤脱毛、清洁、消毒、铺巾，取右下肢股外侧正中切口约8cm，逐层切开皮肤、皮下组织，电凝止血，显露大腿肌肉，从肌肉间筋膜间隙行钝性分离，暴露股骨，测量长度后，截去股骨中段15mm(全层包括骨膜)制成骨缺损模型，行有限接触钢板内固定，c-臂形x线机下透视见螺钉长度合适，钢板固定稳妥，用生理盐水反复冲洗，确认无器械纱布等残留后逐层缝合关闭切口。术后青霉素钠160万u肌注，每日一次，持续3d，以预防感染，常规饲养。

1.2micro-ct数据采集

将犬股骨干骨缺损模型放入动物专用microct，进行容积扫描，ct扫描核定电压90kv，电流278ua，扫面层厚34.92um。所有图像经数字接口传至图形工作站，以dicom数据格式输出。

1.3micro-ct数据转化及后期处理

将microct已输出的dicom数据通过magics软件进行转化，具体操作如下：将比格犬股骨干中段ct医学图像源三维数据按原始尺寸导入magics软件，设置图片坐标，使用剖面线工具测量出该部位的密度分布，使用区域增长命令阈值（threshholding），对其所在密度范围进行选取，过滤出骨骼组织。生成的股骨横切面有时会形成空洞，空洞的产生是由于医学图像本身阈值的差别造成的，因此要通过调节阈值范围或者编辑蒙板工具进行编辑，这样处理不影响后续计算。经过修补后，选取适当精度，对股骨干所在灰度值进行三维重建，导出三维打印所用的stl文件。

根据所需复合材料的孔隙率要求，对stl格式文件进行进一步地处理。调取图像，取犬股骨干中段平均直径，包括外圈直径14mm，内圈直径8mm。拉伸中空圆柱，长度设计为15cm，沿长度方向阵列，作样条曲线，再画一个球切除实体，沿旋转阵列，用半球实体切割上平面，采用填充阵列。圆柱切割贯通整个实体，圆柱相交为90°，再延长度进行阵列。保存修改结果，导出stl文件。

1.4光固化成型打印zro2陶瓷

将犬股骨干ct扫描数据转化为stl文件并进一步加工处理后，导入至cerafab7500光固化三维打印机中。设置平面分辨率为40μm（635dpi），像素（x,y）1920*1080，工作台大小（x,y,z）76mm*43mm*150mm，层厚25μm，曝光时间为1s，开始打印层厚参数设置为10μm。配制纳米级zro2泥浆，加入光敏树脂，使zro2与树脂质量比为15%，导入料桶。根据设定参数启动打印程序，通过led紫外光源使树脂引起聚合反应，材料逐层固化成型，形成复合光敏树脂初胚。初胚形成后，对其进一步脱脂烧结处理，此过程中脱脂与烧结同时进行。具体步骤如下：（1）烘干及挥发阶段：从25℃至75℃，升温时间4h，升温速度为0.208k/min，保温时间6h，使多余水分蒸发。进而继续上升温度直至500℃，其中上升到额定温度时其升温时间、升温速度及保温时间均有差异。（2）脱脂及高温烧结阶段：从500℃至1250℃时,控制升温时间7.5h，速度为1.677k/min，温度至1250℃后无需保温，继续上升温度至1450℃，控制升温速度在3.333k/min，耗时1h，保温2h。（3）冷却阶段：达到1450℃的最高烧结温度后，再保温2h，之后以-0.660k/min进行冷却，耗时36h至25℃。整个脱脂烧结过程共耗时120.5h。

1.5浸涂法制备ha/zro2梯度复合材料

采取浸涂法制备ha/zro2梯度复合材料。具体步骤如下：第一层浆料配比，31.1%纳米级zro2粉末、13.3%纳米级ha粉末，53%双蒸水，1.4%磷酸乙酯，0.2%乙基纤维素。ha加热至800℃后保温2h，备用，双蒸水加热至50℃，将上述材料混合导入双蒸水中，充分搅拌。将光固化成型的纯zro2陶瓷浸入浆料中使其充分渗透，取出，甩去多余浆料。100℃电炉中烘干2h，再加热到900℃，保温5h，最后加热到1250℃，保温1h。第二层浆料配比，3.9%纳米级zro2粉末，35.5%纳米级ha粉末，58%双蒸水，磷酸乙酯与乙基纤维素配比不变，重复上述步骤。冷却后得到ha/zro2梯度复合材料。