3d打印介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架及其制备方法和用图
【技术领域】
[0001]本发明涉及介孔生物活性玻璃改性的3D打印生物陶瓷支架及其制备方法和用途，属生物材料领域。
【背景技术】
[0002]长期以来，由创伤、肿瘤、先天性畸形、老龄化、运动及事故等原因导致的骨缺损问题对人体骨健康造成很大威胁。其中，由于大块骨缺损的修复超过人体自身骨再生能力范围，而金标准的自体骨移植受来源和手术风险的限制，用于大块骨修复的生物活性支架材料成为研究者们关注的热点。目前用于大块骨缺损修复与替代的生物材料表界面缺乏多功能性，比如界面活性不够理想，缺乏合适的微纳米结构，体内成骨整合不够等。而新型介孔生物活性玻璃(MBG)具有较高的比表面积和孔容，纳米孔径分布均匀可调[1]，可用于生物活性因子或药物的装载及释放[2]，其体外生物活性与成骨活性均优于传统的生物活性玻璃材料，同时在生物相容性和生物降解性方面也表现出良好的性能[3]。
[0003]参考文献
[1]Chengtieffu, *Jiang Chang.*Mesoporous b1active glasses: structurecharacteristics, drug/growth factor delivery and bone regenerat1n applicat1nInterface Focus, 2012(2):292 - 306.[2]Chengtieffu, *Jiang Chang.^Multifunct1nal mesoporous b1active glassesfor effective delivery of therapeutic 1ns and drug/growth factors.Journal ofControlled Release.2014(193):282-295.[3]Yanffu,Shouan Zhu,Chengtie ffu, Jiang Chang.A B1-lineage conducivescaffold for osteochondral defect regenerat1n.Advanced Funct1nalMaterials.2014(24):4473 - 4483.。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供具有良好力学性能和生物性能的3D打印介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架及其制备方法和用途。
[0005]—方面，本发明提供一种3D打印介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架，其包括:利用三维打印技术制备的β -磷酸三钙生物活性支架、以及均匀涂覆于所述支架表面的介孔生物活性玻璃。
[0006]本发明采用新型的介孔生物活性玻璃对骨组织修复用的大孔β -TCP支架进行改性，得到介孔生物活性玻璃改性的生物活性陶瓷支架，其具有良好的力学性能，矿化能力及成骨、成血管活性，有望作为有效的骨修复材料，是一种潜在的多功能硬组织生物活性植入材料。
[0007]较佳地，所述生物陶瓷支架具有多级结构，其中包括可控的大孔结构与高度有序的纳米介孔结构，其中大孔孔径为100?500 μ m，介孔孔径为2?8nm。
[0008]另一方面，本发明提供上述生物陶瓷支架的制备方法，包括以下步骤:
(1)将β-磷酸三钙粉末与粘结剂以一定比例充分混合，利用三维打印技术制备β -磷酸三钙支架；
(2)将打印出的磷酸三钙支架进行烧结，得到磷酸三钙陶瓷支架；
(3)将介孔生物活性玻璃前驱体旋涂在所得的磷酸三钙陶瓷支架表面，并进行烧结，即可得到所述生物陶瓷支架。
[0009]本发明将3D打印和旋涂的方法结合起来制备了介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架，工艺简单易行，适合于大规模生产。
[0010]较佳地，步骤⑴中，β -磷酸三钙粉末与粘结剂的质量比为(1.5?2): 1。
[0011]较佳地，步骤(2)中，在1100?1150°C烧结3?5小时。
[0012]较佳地，所述介孔生物活性玻璃前驱体通过如下方法制备:将Si源与乙醇溶剂和介孔模板剂混合为溶液，采用酸催化剂调节溶液的pH值、搅拌、充分水解Si源，再加入化学计量比的磷酸三乙酯、硝酸钙，搅拌得到介孔生物活性玻璃前驱体。
[0013]较佳地，采用正硅酸乙酯为Si源，与乙醇的质量比为1:(7-15);采用P123为介孔模板，与乙醇的质量比为1: (10-20);采用盐酸用作酸催化剂，调节后溶液的pH值为2-4。
[0014]较佳地，步骤(3)中，旋涂次数为2?8次。
[0015]较佳地，步骤(3)中，烧结温度为600?700 V，保温时间为3?7小时。
[0016]又一方面，本发明还提供上述生物陶瓷支架在制备骨修复材料中的用途。
【附图说明】
[0017]图1为纯β -磷酸三钙支架(a，b, c)，传统生物活性玻璃改性的(d，e, f)以及介孔生物活性玻璃改性的磷酸三钙陶瓷支架(g，h，i)的宏观照片，低倍SEM照片以及高倍SEM照片，从图中可以看出介孔生物活性玻璃以及传统生物活性玻璃均匀的沉积在β -TCP支架表面；
图2为β-磷酸三钙支架表面的介孔生物活性玻璃(d，e，f)以及传统生物活性玻璃(a, b, c)纳米层的TEM照片以及能谱分析。图中可以明显看到有序的介孔孔道；
图3为三组支架的XRD分析结果，结果表明介孔生物活性玻璃以及传统生物活性玻璃的改性并没有影响生物陶瓷支架的物相，其中BG-β -TCP表示传统生物活性玻璃改性的β -磷酸三钙陶瓷支架，MBG-β -TCP表示介孔生物活性玻璃改性的β -磷酸三钙陶瓷支架；
图4为进行力学测试的三组支架的宏观照片(a)以及抗压测试的应力应变曲线(b)与抗压强度值(c)。结果表明，介孔生物活性玻璃改性的β -磷酸三钙陶瓷支架与传统生物活性玻璃改性支架力学强度有所提高；
图5为兔子骨髓基质干细胞在纯β -磷酸三钙支架(a，d, g)，传统生物活性玻璃改性的(b，e，h)以及介孔生物活性玻璃改性的磷酸三钙陶瓷支架(c，f，i)表面培养1 (a, b, c), 3 (d, e, f), 7 (g, h, i)天后粘附情况的SEM照片以及3天时细胞骨架染色的共聚焦照片。结果表明介孔生物活性玻璃改性的磷酸三钙陶瓷支架具有良好的细胞粘附能力； 图6为兔子骨髓基质干细胞的增殖(a)和ALP活性(b)，以及兔子骨髓基质干细胞与成骨相关的基因表达(c，d，e，f)，结果表明介孔生物活性玻璃改性的磷酸三钙陶瓷支架能促进细胞的增殖以及成骨相关的基因表达；
图7为人内皮细胞在纯β -磷酸三钙支架，传统生物活性玻璃改性的以及介孔生物活性玻璃改性的β -磷酸三钙陶瓷支架表面培养1，3天后粘附情况的SEM照片与3天时细胞骨架染色的共聚焦照片(Α);细胞的增殖，成血管相关的基因表达(Β)，结果表明，介孔生物活性玻璃改性的β-磷酸三钙陶瓷支架具有更优异的细胞增殖以及成血管基因表达；
图8为在兔子颅骨缺损处植入三种材料4周和8周后的Micro-CT照片(A)，BV/TV，Tb.Th统计值(B)，结果表明介孔生物活性玻璃改性的β -磷酸三钙陶瓷支架具有更良好的骨修复效果；
图9在兔子颅骨缺损处植入三种材料4周和8周后的组织切片染色(Α)及新骨面积统计分析(Β)，结果表明，介孔生物活性玻璃对磷酸三钙陶瓷支架的改性提高了陶瓷支架的成骨能力。
【具体实施方式】
[0018]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。
[0019]本发明将3D打印和旋涂的方法结合起来制备了介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架；通过系统研究介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架是否具有良好的力学性能，体外成骨能力，成血管能力，体内成骨活性等性能来确定其是否是一种适合于建立多功能材料表界面的新方法。通过系统的理化性能与生物学研究，建立了一种适合于建立多功能材料表界面的新方法。
[0020]本发明以β -磷酸三钙(β -TCP)为原材料，利用三维打印技术，制备出β -TCP生物活性支架，烧结后，利用旋涂方法将介孔生物活性玻璃涂覆在支架表面，得到介孔生物活性玻璃改性的磷酸三钙生物活性支架(MBG-β -TCP)。
[0021]本发明的介孔生物活性玻璃改性的磷酸三钙生物活性支架具有多级结构:可控的大孔结构(?400 μ m)与高度有序的纳米介孔结构(?5nm);同时，介孔生物活性玻璃对生物陶瓷支架的改性提高了支架的力学强度；另一方面，体外细胞实验表明介孔生物活性玻璃改性后的生物陶瓷支架能够更好的支持细胞增殖、粘附、ALP活性、骨相关基因(Runx2，BMP2，0PN和Col I)表达以及成血管基因(VEGF，HIF-1 α )表达等；体内动物实验进一步证明了介孔生物活性玻璃改性的磷酸三钙生物活性支架具有优异的体内成骨活性。实验结果表明了介孔生物活性玻璃改性生物陶瓷支架的表面是一种建立多功能生物材料表界面的新方法。
[0022]本发明利用三维打印技术制备出β -TCP支架；通过旋涂的方法将介孔生物活性玻璃涂覆在支架表面，得到介孔生物活性玻璃改性的生物活性陶瓷支架，其具有良好的力学性能，矿化能力及成骨、成血管活性。
[0023]在利用三维打印技术制备β -TCP支架的一个示例中，采用β -磷酸三钙粉末为原材料，并将其与粘结剂充分混合，同时调整其与粘结剂的比例，例如β -磷酸三钙粉末和粘结剂的质量比可为(1.5?2):1，其中粘结剂包括但不限于聚乙烯醇、海藻酸钠、甲基纤维素等；然后利用软件设计支架具体参数，调控支架的形状、尺寸等，进行3D打印。3D打印的参数可包括:单层厚度为1mm，粘结剂浓度为5?15wt%，打印速度为1?10mm/s，气压为400 ?700kPo
[0024]通过3D打印制得的β -TCP支架素坯进行烧结，制得β -磷酸三钙陶瓷支架。其中烧结例如可在1100?1150°C烧结3?5小时。
[0025]在一个实施方式中，介孔生物活性玻璃前驱体通过如下方法制备:将Si源与乙醇溶剂和介孔模板剂混合为溶液，采用酸催化剂调节溶液的pH值、搅拌、充分水解Si源，再加入化学计量比的