專利名稱：一種骨組織工程材料的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物材料領(lǐng)域，涉及可控降解性能的生物活性支架材料及其制備方法，尤其是生物活性玻璃支架材料及其制備方法。所提及的玻璃，不僅具有生物相容性，還在人體組織液的作用下，形成碳酸羥基磷灰石，具有生物活性。在形成人體骨無(wú)機(jī)礦物組成的過(guò)程中，玻璃自身被逐漸溶解，因此該玻璃還具有完全降解性，其性能可由玻璃組成調(diào)節(jié)、控制。該玻璃有很好的加工性，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)可以形成三維連通多孔支架。
背景技術(shù)：
骨缺損是骨領(lǐng)域最常見的疾病。臨床上常用的骨修復(fù)材料有自體骨、異體骨，但是由于骨材料的來(lái)源限制，宿主骨的免疫反應(yīng)和疾病傳播的危險(xiǎn)，因此必須開發(fā)新技術(shù)，以提高治療骨缺損的水平。當(dāng)前，新開發(fā)的組織工程方法，將體外分離，培養(yǎng)骨細(xì)胞，種植到具有一定空間結(jié)構(gòu)的三維支架上，使細(xì)胞在支架上生長(zhǎng)，然后將此細(xì)胞——支架復(fù)合體，植入機(jī)體病損部位，繼續(xù)培養(yǎng)細(xì)胞，在生物支架降解吸收的過(guò)程中，通過(guò)細(xì)胞的相互粘附、增殖與分化，分泌出細(xì)胞外基質(zhì)，從而形成新的具有原來(lái)特殊功能和形態(tài)的相應(yīng)骨組織，而三維支架完全消失，從而達(dá)到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的。在此新開發(fā)的組織工程方法中，承植細(xì)胞生長(zhǎng)的三維支架是組織工程的基礎(chǔ)，是骨細(xì)胞的生長(zhǎng)與組織的形成不可缺少的環(huán)節(jié)。
對(duì)于骨缺損的修復(fù)所需要的骨組織工程支架材料，必須具有良好的生物相容性，除滿足生物材料的一般要求、無(wú)毒、不致畸之外，還應(yīng)有利于種子細(xì)胞粘附、增殖，且降解產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞無(wú)毒害作用，不引起炎癥反應(yīng)，利于細(xì)胞生長(zhǎng)和分化；支架還必須有較好的三維立體多孔結(jié)構(gòu)形態(tài)，為細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)和支撐作用及為細(xì)胞粘附生長(zhǎng)提供模板作用，形成所需的形態(tài)。最重要的，此支架材料還必須有良好的生物降解性，支架材料在完成支架作用后，能完全降解，在生物體內(nèi)消失，且降解速率與組織細(xì)胞生長(zhǎng)的速率相適應(yīng)。此外，支架材料還需具備一定的機(jī)械強(qiáng)度。近年來(lái)，涌現(xiàn)出許多有關(guān)研制骨組織工程支架材料例如美國(guó)專利USP6692761，USP6696074，USP6743232，USP6626950，USP4512038。公開了可以用于骨缺損修復(fù)的組織工程材料及其結(jié)構(gòu)和制備方法。但是這些材料，并非由單純的無(wú)機(jī)材料構(gòu)成，缺乏生物活性和對(duì)骨細(xì)胞的誘導(dǎo)性，含有尚不能完全降解的組份，而且在降解過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，引起無(wú)菌炎癥。在我國(guó)專利中，CN200410094895.6，CN200410033613.1，CN200410040611.5，CN200410017240.9，CN200410016780.5，CN200310122687.8，CN200310111533.9，和CN98110645.5等，公開了用無(wú)機(jī)材料或無(wú)機(jī)與有機(jī)復(fù)合材料制備三維多孔骨組織工程支架。在這些無(wú)機(jī)材料中，主要的組份為羥基磷灰石、硅酸鈣、磷酸鈣等多種無(wú)機(jī)物，它們都是親水的，有一定生物活性，都容易地承載細(xì)胞，使細(xì)胞在支架上粘附和增殖，可以用作骨組織或器官形成的支架材料。但是它們?cè)谏锬M液中，都不能完全降解，最終會(huì)殘留在生物體內(nèi)，從組織工程支架材料的嚴(yán)格要求的角度來(lái)看，這些材料的生物降解性都存在一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種骨組織工程材料的制備方法及應(yīng)用，克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是高溫?zé)Y(jié)含鈣玻璃，得到三維連通多孔支架，其在生物模擬液中能逐漸被降解，其降解的產(chǎn)物是碳酸羥基磷灰石，其降解性能由玻璃的成分所控制。進(jìn)一步，其中所說(shuō)的含鈣玻璃是指以B2O3或P2O5為玻璃網(wǎng)絡(luò)主體或兼含SiO2的含鈣玻璃；所說(shuō)的生物模擬液是指含有(PO4)3-以及各種磷酸酸式鹽的用于生物試驗(yàn)類似于人體組織的各種液體；所說(shuō)的高溫?zé)Y(jié)是指玻璃處于軟化點(diǎn)的溫度時(shí)，在模具中進(jìn)行二次燒結(jié)或以有機(jī)泡沫作為模板進(jìn)行燒結(jié)。
玻璃網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成體，可以分別是B2O3或P2O5，也可以是以B2O3或P2O5為主，兼含SiO2或其他網(wǎng)絡(luò)氧化物為次所構(gòu)成，在玻璃的組成中，這些網(wǎng)絡(luò)氧化物的總分子含量為30～90mol％。
所述的以B2O3或P2O5為玻璃網(wǎng)絡(luò)主體的含SiO2的含鈣玻璃，其特征是玻璃的網(wǎng)絡(luò)間隙離子為一價(jià)堿金屬離子，二階堿土金屬離子，三價(jià)或四價(jià)過(guò)渡金屬離子或稀土金屬離子。在玻璃的組成中，網(wǎng)絡(luò)間隙離子的氧化物，總分子含量為5～80mol％。
所述的以B2O3或P2O5為玻璃網(wǎng)絡(luò)主體的含SiO2的含鈣玻璃，其特征是在玻璃的組成中，CaO的分子含量為5～60mol％。
所述的含有(PO4)3-以及各種磷酸酸式鹽溶液，其特征是磷元素在溶液中的質(zhì)量比(mass％)＜5％，也包括質(zhì)量比(mass％)＝0的無(wú)磷溶液(例如生理鹽水)，在與含P2O5玻璃反應(yīng)過(guò)程中，玻璃中的P2O5溶解到溶液中，形成次生的含磷溶液。
所述的玻璃處于軟化點(diǎn)的燒結(jié)，其特征是玻璃軟化溫度的范圍在350～850℃之間，燒結(jié)的時(shí)間在0.1～4小時(shí)之間。
所述的在模具中進(jìn)行二次燒結(jié)，其特征是該模具是與玻璃熔體不浸潤(rùn)的耐火材料，例如石墨或氮化硼所制成。玻璃顆粒松散地填充在模具中，在高溫進(jìn)行燒結(jié)，獲得三維連通多孔燒結(jié)體，為一次燒結(jié)。將此燒結(jié)體置于另一腔體容積更大的模具中，進(jìn)行第二次填充、堆積、燒結(jié)，獲得具有二種孔尺寸和更高孔隙率的三維連通支架。二種孔尺寸的直徑范圍分別為所用玻璃顆粒尺寸的35～45％和第二次燒結(jié)時(shí)所用模具空腔尺寸的35～45％，孔隙率為70～75％。
所述的有機(jī)泡沫為模板燒結(jié)，其特征是以有機(jī)泡沫聚胺酯泡沫作為模板。將玻璃細(xì)磨成5～20μm的細(xì)粉，配以一定濃度的粘結(jié)劑、分散劑和流變劑，調(diào)成漿料，再把具有一定形狀，一定孔結(jié)構(gòu)特征的聚胺酯泡沫作為模板，在漿料中浸漬，待沾有玻璃粉末的聚胺酯泡沫干燥后，進(jìn)行燒結(jié)。形成三維連通多孔支架，其孔徑與孔隙率由聚胺酯泡沫模板確定，孔隙率范圍為85～90％。
降解原理與降解性能的可調(diào)性本發(fā)明的支架材料是含鈣的硼酸鹽或磷酸鹽或硼磷酸鹽或硼硅酸鹽玻璃，當(dāng)支架介入到體內(nèi)，受體內(nèi)組織液的作用，逐漸被溶解，在玻璃中的鈣與組織液中的磷就形成鈣磷化合物。在人體的環(huán)境下，這種鈣磷化合物的形態(tài)，傾向于形成納米碳酸羥基磷灰石，與人體骨組織中的無(wú)機(jī)礦物成分極為相似，這就是以含鈣的硼酸鹽或磷酸鹽或硼磷酸鹽或硼硅酸鹽玻璃支架的生物活性所在。對(duì)于本發(fā)明的支架材料，其生物活性與生物降解性是相輔相成，具備生物活性的條件是玻璃的溶解，也就是材料的降解。此類玻璃是由B2O3或P2O5或另有少量的SiO2組份構(gòu)成的玻璃網(wǎng)絡(luò)所組成。網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)單元是硼三面體(或少量硼四面體)，磷三面體(或雙鍵斷裂后的四面體)所組成，它們?cè)诳臻g的連接程度有限，易于形成斷鍵，具有很高程度的化學(xué)活性，甚至在pH＝7的水溶液中被OH-或H+離子侵蝕，形成水化離子。玻璃的空間網(wǎng)絡(luò)被溶解，隨即網(wǎng)絡(luò)的間隙離子被瀝析出來(lái)，例如鈣離子被瀝析出來(lái)，與溶液中的磷離子形成溶解度極小的鈣磷化合物。在人體的pH值范圍內(nèi)，此鈣磷化合物又形成溶解度最小的羥基磷灰石，又由于此溶解反應(yīng)在人體的體溫下進(jìn)行的，與通常的濕法制羥基磷灰石的反應(yīng)相比，溫度較低，人體組織液又溶解了CO2，所以其溶解反應(yīng)的產(chǎn)物很容易形成納米碳酸羥基磷灰石。而與此同時(shí)，玻璃被溶解掉了，這就是該生物活性玻璃的具有很好的生物降解性的緣故，其降解產(chǎn)物，不僅無(wú)毒性，而且有很好的活性，還是骨組織中的無(wú)機(jī)礦物的主要組成部分。
對(duì)本支架材料的降解性能的調(diào)節(jié)與控制，也就是對(duì)本發(fā)明所提及的生物活性玻璃的溶解速率的控制，這完全可以通過(guò)改變玻璃的化學(xué)組成來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著玻璃中的B2O3或P2O5部分地被SiO2取代，其玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中四面體比例增加，不易被人體組織液破壞，因此化學(xué)活性降低，而且此過(guò)程是連續(xù)的，隨著玻璃化學(xué)組成中B2O3或P2O5含量減少，玻璃網(wǎng)絡(luò)被溶解的數(shù)量也減少，降解的速率降低。此外，也可以改變玻璃中其他組份，例如MgO、SrO、BaO、La2O3等網(wǎng)絡(luò)間隙氧化物的含量，也能調(diào)節(jié)玻璃溶解速率。因此，可以通過(guò)設(shè)計(jì)生物活性玻璃的組成，來(lái)達(dá)到調(diào)控生物活性玻璃降解的目的。
多孔結(jié)構(gòu)形成原理本材料的生物活性玻璃，有比較好的燒結(jié)性能。選定一定尺寸的玻璃顆粒(球體)，松散地堆積在模子的腔體空穴里，經(jīng)燒結(jié)，在顆粒(球體)之間就形成三維相通的孔隙，其孔隙的平均尺寸為顆粒(球體)的尺寸的35～40％，其孔隙的體積也占模子的腔體空穴體積的35～40％。該生物活性玻璃的軟化溫度與析晶溫度相距較遠(yuǎn)，也就是在玻璃處于燒結(jié)狀態(tài)時(shí)，粘度降低，出現(xiàn)粘滯流動(dòng)，由于表面張力的驅(qū)動(dòng)，形成燒結(jié)頸，堆積在模子里的分離的顆粒，被粘結(jié)成一個(gè)整體，形成三維連通的多孔塊體。而在此溫度范圍內(nèi)，玻璃沒有出現(xiàn)任何晶體，不會(huì)對(duì)粘度的降低、液相的出現(xiàn)有任何影響，不會(huì)影響燒結(jié)，這就是本材料通過(guò)高溫?zé)Y(jié)形成三維連通孔結(jié)構(gòu)的原理。本發(fā)明采用的二次燒結(jié)新方法，以一次燒結(jié)后的多孔顆粒(其尺寸為一次燒結(jié)時(shí)使用的模子腔體空穴尺寸)，再松散地堆積在第二個(gè)模具里(通常此模具的腔體空穴形狀與尺寸是骨組織工程所需的支架的形狀與尺寸)，在燒結(jié)溫度下，進(jìn)行第二次燒結(jié)，這樣就獲得了外觀與第二個(gè)模子的腔體空穴一樣的三維連通多孔支架。其孔尺寸有二種范圍第一次燒結(jié)時(shí)形成的小孔(尺寸是顆粒或球體的尺寸的35～45％)和第二次燒結(jié)時(shí)形成的大孔(尺寸是第一次燒結(jié)時(shí)所用的模子腔體空穴尺寸的35～45％)。根據(jù)骨組織生長(zhǎng)的需要，確定小孔(血管與神經(jīng)等細(xì)胞長(zhǎng)入)和大孔(有利礦化骨的形成)的尺寸，從而可以確定燒結(jié)前的玻璃顆粒的尺寸和一次燒結(jié)的模子的腔體空穴的尺寸來(lái)滿足三維連通多孔支架的孔徑的要求。第二次燒結(jié)后，支架的孔隙率又將第一次燒結(jié)的孔隙率翻倍，約為第二個(gè)模子腔體內(nèi)穴體積的65～70％。由于燒結(jié)時(shí)，均出現(xiàn)了燒結(jié)頸，所以支架仍部分地保持了原來(lái)實(shí)心顆粒的力學(xué)性質(zhì)，有比較高的力學(xué)強(qiáng)度。另，本發(fā)明采用的有機(jī)泡沫浸漬法也采用了相同的燒結(jié)原理，所不同的是在燒結(jié)時(shí)，先采用了有機(jī)泡沫模板固定了生物活性玻璃的粉末的位置，在燒結(jié)過(guò)程中，玻璃粉末出現(xiàn)液相，互相粘結(jié)，使分離的粉末連成一個(gè)整體，但仍保持了原先的有機(jī)泡沫模板的外形和孔結(jié)構(gòu)，其孔徑與孔隙率與有機(jī)泡沫模板的參數(shù)近似，并具有一定的力學(xué)強(qiáng)度。兩種多孔支架的制作方法，都可以對(duì)孔結(jié)構(gòu)(尺寸與孔隙率)加以設(shè)計(jì)。
兩種制備方法各自獨(dú)立，存在的相同點(diǎn)包括1、使用相同的“玻璃”材料；2、同樣都有燒結(jié)程序；3、最后得到相同的支架材料。
以本發(fā)明所提及的硼酸鹽或磷酸鹽或硼磷酸鹽或硼硅酸鹽玻璃系統(tǒng)，設(shè)計(jì)玻璃的成分，使它們?cè)诟邷貢r(shí)能比較容易地形成玻璃，有較大的成玻區(qū)域，不易析晶。特別是在玻璃軟化點(diǎn)的范圍內(nèi)，不會(huì)析晶。其次它們的硼或磷的含量要盡可能高，以使玻璃有較高的化學(xué)活性；它們必須含有鈣，最好可以添加其他的氧化物，以調(diào)節(jié)玻璃的溶解性能。
按所設(shè)計(jì)的生物活性玻璃的組成氧化物為原料，分別以H3BO3引入B2O3，以Na2HPO4引入P2O5，硅砂引入SiO2，其余以其碳酸鹽或氧化物引入，充分混合后，在鉑坩堝中，于1000～1300℃熔制0.5～4小時(shí)。玻璃熔體澆注在二塊不銹鋼板之間淬冷，獲得無(wú)析晶的透明生物活性玻璃。將玻璃塊粉碎成所需的顆粒，松散地堆積在一次燒結(jié)用的模子中，或?qū)⒉ＡK在火焰中飄浮，使之成球體。將球體堆積在一次燒結(jié)用的模子中，將模子加熱到玻璃軟化溫度350～850℃之間，加熱時(shí)間為0.1～4小時(shí)，使玻璃顆粒燒結(jié)。然后再將一次燒結(jié)所得到的三維連通多孔顆粒，松散地堆積在二次燒結(jié)用的模子中，采用同樣的燒結(jié)工藝制度，獲得與二次燒結(jié)模子的腔體空穴同樣形狀的三維連通多孔支架。
在有機(jī)泡沫浸漬法中，將上述玻璃顆粒進(jìn)一步細(xì)磨，得到玻璃粉末，加上一定量的粘結(jié)劑，分散劑和流變劑，配成漿體，用有機(jī)泡沫在此漿體中浸漬，去除水份后干燥，并在加熱中去除粘結(jié)劑、分散劑和流變劑，在350～850℃之間，燒結(jié)0.1～4小時(shí)，獲得與有機(jī)泡沫模板相同的三維連通多孔支架。
對(duì)支架材料的降解性能的表征，可采用溶解失重法。將上述獲得的生物活性玻璃支架，粉碎成顆粒，于37℃中在生理模擬液中浸泡，觀察其形成羥基磷灰石的情況(即生物活性)，并測(cè)出支架的碎塊的失重隨浸泡時(shí)間的關(guān)系。其玻璃的失重(溶解)的速率，也就是支架在生物模擬液中的降解速率。也可以用一系列現(xiàn)代測(cè)試方法，例如SEM、FTIR、XRD等來(lái)對(duì)支架材料的降解性能進(jìn)行表征。
本發(fā)明與前述專利不同之處是以生物活性玻璃作為支架材料。此活性玻璃的網(wǎng)絡(luò)主要構(gòu)成體為B2O3或P2O5或兩者兼有或兼有部分SiO2，玻璃網(wǎng)絡(luò)間隙的氧化物除必須含CaO外，還含有其它氧化物。這類生物活性玻璃不僅具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，而且它們與羥基磷酸鈣、硅酸鈣等其它無(wú)機(jī)材料相同，都容易地承載細(xì)胞，使細(xì)胞粘附、增殖，有較好的生物相容性和生物活性。在生物模擬液中它們也形成骨組織的主要無(wú)機(jī)礦物成分，碳酸羥基磷灰石，促進(jìn)骨組織的生長(zhǎng)。但是這類生物活性玻璃優(yōu)于其它無(wú)機(jī)材料之處是它可以在生物模擬液中完全溶解或接近于完全溶解，也即完全降解；而且在降解的過(guò)程中，這類玻璃可以轉(zhuǎn)換成碳酸羥基磷灰石或含有可溶性硅膠的碳酸羥基磷灰石，最終玻璃完全消失在生物模擬液中，比其它無(wú)機(jī)材料，更具有生物降解性。因此，本發(fā)明所涉及的生物活性玻璃是一種理想的骨組織工程支架材料。
本發(fā)明所提及的材料，是用各種分析純?cè)?，混合后，在高溫熔制，然后淬冷成生物活性玻璃。從材料學(xué)角度而言，它們是含有鈣的硼酸鹽玻璃、或磷酸鹽玻璃或硼磷酸鹽玻璃或硼硅酸鹽玻璃。這類玻璃有相當(dāng)高的化學(xué)活性，在生物模擬液中，在人體的37℃溫度下，玻璃會(huì)逐漸溶解，在玻璃表面原位上形成碳酸羥基磷灰石，有利于細(xì)胞粘附、分化和增殖，使此類玻璃材料，有非常明顯的生物活性。通常玻璃化學(xué)活性，高于陶瓷或微晶玻璃的化學(xué)活性，而且硼酸鹽玻璃的活性，又高于硅酸鹽玻璃的活性。生物活性高，是該材料的第一個(gè)特點(diǎn)。第二個(gè)特點(diǎn)是由于該玻璃在生物模擬液中的溶解度是可以由玻璃的組成所控制，也就是利用玻璃的組成設(shè)計(jì)，可以制備具有不同溶解速度，也就是可以制得具有不同降解性能的生物活性玻璃，從而使生物活性玻璃的降解速率與骨組織生長(zhǎng)的速率相匹配，使骨組織修復(fù)部分能維持一定的強(qiáng)度。第三個(gè)特點(diǎn)是該生物活性玻璃，在生物模擬液中，最終能完全溶解或接近于完全溶解，也就是可以完全降解的支架材料。除了這些特點(diǎn)之外，生物活性玻璃轉(zhuǎn)化得到的產(chǎn)物是納米尺寸的碳酸羥基磷灰石，更接近人體骨的無(wú)機(jī)礦物成分。這些特點(diǎn)，使本發(fā)明所涉及的骨組織支架材料，更優(yōu)于其它無(wú)機(jī)材料或無(wú)機(jī)與有機(jī)復(fù)合支架材料。
本發(fā)明采用二次燒結(jié)法制備三維連通多孔結(jié)構(gòu)支架，或用有機(jī)泡沫模板法，在高溫?zé)Y(jié)制備三維連通多孔結(jié)構(gòu)的支架。在前一種方法中，其特點(diǎn)是孔徑具有兩種不同大小的尺寸。在第一次燒結(jié)時(shí)，用比較細(xì)的玻璃顆粒(或球體)，疏松地堆積在腔體內(nèi)徑比較小的模子中，在高溫?zé)Y(jié)成與腔體空穴同樣尺寸的三維連通的多孔玻璃粒(或球體)，其孔徑由玻璃顆粒確定，約為顆粒尺寸的35～40％。將獲得的多孔玻璃粒(其尺寸與第一次燒結(jié)時(shí)模子的腔體空穴尺寸相同)，松散地堆積在第二套模子的腔體中，其腔體空穴的形狀和尺寸于需要的支架相同。在高溫進(jìn)行第二次燒結(jié)，獲得了新形成的孔徑更大的三維連通的多孔支架，其孔徑又是第一次燒結(jié)時(shí)所獲得的多孔玻璃粒的尺寸的35～40％。在第二次燒結(jié)后的支架中，仍有第一次燒結(jié)時(shí)留下的孔，兩類孔并存，孔隙率又將是第一次孔隙率的又一次翻倍，可以達(dá)到65～70％，并且仍能部分地保持原來(lái)玻璃顆粒(球體)的強(qiáng)度，且其小孔適宜于血管與神經(jīng)細(xì)胞和類骨質(zhì)細(xì)胞長(zhǎng)入，大孔適宜于骨細(xì)胞的長(zhǎng)入，促進(jìn)礦化骨的形成。這種結(jié)構(gòu)比一般燒結(jié)法更接近實(shí)體骨支架的結(jié)構(gòu)。
在后一種方法中，采用有機(jī)泡沫浸漬法，可以獲得更大孔隙率的三維連通多孔支架。支架的孔徑和孔隙率隨有機(jī)泡沫的模板而定，孔徑均一，孔隙率可達(dá)到80～90％。上述兩法的特點(diǎn)是有模高溫?zé)Y(jié)，通過(guò)燒結(jié)過(guò)程，構(gòu)成三維連通的多孔結(jié)構(gòu)，不需要外加造孔劑。因此，多孔支架不會(huì)被造孔劑所污染，能確保支架的化學(xué)組成的純度；其次顆粒(球體)的連接是靠燒結(jié)頸結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)整體，使孔結(jié)構(gòu)有較高的強(qiáng)度；第三個(gè)特點(diǎn)是在制備支架過(guò)程中，均在高溫狀態(tài)中進(jìn)行，不會(huì)被細(xì)菌感染，不存在通常多孔支架的消毒工序復(fù)雜、消毒困難的情況。除此之外，制備此類多孔支架方法簡(jiǎn)單，工序少，成本低廉，容易推廣。
骨缺損，特別是大塊骨缺損的修復(fù)的最佳方法是采用組織工程化手段，在體內(nèi)生長(zhǎng)出具有特定功能的骨組織，而骨組織的生長(zhǎng)，又必須依賴支架，作為骨細(xì)胞生長(zhǎng)的模板，它不僅為骨細(xì)胞粘附、分化、增殖，并保持其功能提供場(chǎng)所，而且還可引導(dǎo)骨組織再生，控制骨組織的形狀。本發(fā)明所提供的可控降解性能的生物活性玻璃支架，可以在體內(nèi)或體外構(gòu)建組織工程化的骨組織，用以修復(fù)骨缺損。由于該支架可以有效地控制其生物降解性能，因此，它不僅可以用作骨硬組織的修復(fù)，同時(shí)，也可以用于骨軟組織的修復(fù)，其降解速率與所需修復(fù)的組織或器官的生長(zhǎng)速率相適應(yīng)。目前，在臨床上已有部分試驗(yàn)由高分子聚合物構(gòu)成的骨組織支架材料，但其生物活性和對(duì)骨組織的誘導(dǎo)性以及生物降解性能等都比不上本發(fā)明的支架材料。因此，本發(fā)明的可控降解性能的生物活性玻璃支架，有望取代高分子聚合物的骨支架材料，成為修復(fù)骨缺損的最佳支架材料。
此玻璃有可能成為第三代生物材料，由其制成的支架是骨組織工程中細(xì)胞生長(zhǎng)的最理想支架。所采用二次燒結(jié)法工藝將成為新型的制備支架的方法。


圖1是一次燒結(jié)后的三維連通多孔塊體的形貌圖(×50)，圖中A處為顆粒間形成的燒結(jié)頸；圖2是二次燒結(jié)后的三維連通多孔支架的結(jié)構(gòu)圖(×16)，圖中A為一次燒結(jié)形成的小孔，B為二次燒結(jié)后形成的大孔；圖3是有機(jī)泡沫浸漬法制備的三維連通多孔支架的結(jié)構(gòu)形貌圖；圖4是三種含鈣的硼酸鹽玻璃在含磷溶液中失重隨浸泡時(shí)間變化規(guī)律圖；圖5是三種含鈣的硼酸鹽玻璃與含磷溶液反應(yīng)后形成產(chǎn)物的物相的X射線衍射圖，證明其產(chǎn)物均是羥基磷灰石。最下面的圖譜是商品的羥基磷灰石的X射線衍射圖；圖6是三種含鈣的硼酸鹽玻璃與含磷溶液反應(yīng)后形成產(chǎn)物的紅外光譜分析圖；最下面的圖譜是商品的羥基磷灰石的紅外圖譜；圖7是三種含鈣的硼酸鹽玻璃對(duì)骨組織細(xì)胞生長(zhǎng)影響的觀察圖；與45S5玻璃作為對(duì)照，分別顯示在第一天和第三天所觀察到的細(xì)胞生長(zhǎng)情況。
具體實(shí)施例方式
實(shí)例介紹1、三維連通支架的制備用分析純Na2CO3，K2CO3，MgCO3，CaCO3，H3BO3，Na2HPO4和SiO2為原料，按玻璃的組成為Na2O 9，K2O 9，MgO 5，CaO 20，B2O335，SiO218和P2O54wt％制備配合料，充分混合后，放在鉑坩堝中，在1200℃的硅鉬爐里熔制2小時(shí)后，形成無(wú)氣泡玻璃液，將熔融玻璃液澆注在二塊不銹鋼間淬冷，得到透明無(wú)析晶玻璃。將玻璃粉碎成212～355μm的顆粒，置于空穴內(nèi)徑為1mm的石墨模子中，在700℃燒結(jié)0.5小時(shí)，獲得有確定形狀的三維連通多孔塊體，孔徑為80～120μm(見圖1)，其孔隙率為42％。再將此三維連通多孔塊體，置于內(nèi)徑為12mm的石墨模子里，在700℃燒結(jié)0.5小時(shí)，得到有一定形狀的三維連通多孔塊體(見圖2)，測(cè)得孔徑有二種分布，一種為80～120μm，另一種為400～450μm，其孔隙率為68％。
另將玻璃顆粒磨成5～10μm的細(xì)粉，配以聚乙烯醇為粘結(jié)劑，濃度為50％；丙烯酸甲酯為分散劑，濃度為60％；吐溫-80為流變劑，濃度為2％。以固液比的比例為6∶4，制成漿體，將有確定形狀的聚胺酯海棉反復(fù)浸漬在漿體中，取出沾有漿體的海棉，在90℃保溫24小時(shí)干燥，去除有機(jī)物，在700℃燒結(jié)0.5小時(shí)，獲得結(jié)構(gòu)與海棉相同的三維連通多孔玻璃塊體(見圖3)。
2、有降解性能的生物活性玻璃的制備用分析純Na2CO3，CaCO3，H3BO3，Na2HPO4和SiO2為原料，按玻璃的組成為Na2O24，CaO 24，B2O346，P2O56wt％，標(biāo)記為46B玻璃，組成為Na2O 24，CaO 24，B2O331，P2O56，SiO215wt％，標(biāo)記為31B玻璃和組成為Na2O 24，CaO 24，B2O315，P2O56，SiO231wt％，標(biāo)記為15B玻璃的三種玻璃配料，分別在1100～1150℃于鉑坩堝中熔制2小時(shí)，淬冷于二塊不銹鋼板之間，得到透明無(wú)析晶玻璃。將玻璃粉碎成150～300μm顆粒，于37℃在0.02MK2HPO4溶液中浸泡，每隔一定時(shí)間測(cè)定玻璃顆粒失重，作出失重與浸泡時(shí)間的關(guān)系圖(見圖4)，由圖可見，隨著B2O3含量減少，玻璃失重速率降低，即玻璃的降解速率降低，也即可用B2O3的含量來(lái)控制玻璃的降解速率。降解后的產(chǎn)物用XRD分析為羥基磷灰石(見圖5)，說(shuō)明玻璃具有生物活性。降解產(chǎn)物用FTIR分析(見圖6)，說(shuō)明羥基磷灰石中還有碳酸根(波數(shù)在866cm-1)，說(shuō)明該產(chǎn)物是碳酸羥基磷灰石，類似于人骨中無(wú)機(jī)礦物成分。
3、含硼玻璃的生物相容性用分析純Na2CO3，CaCO3，H3BO3為原料，按玻璃的組成為Na2O 24，CaO 24，B2O346，P2O56wt％，標(biāo)記為46B玻璃，組成為Na2O 24，CaO 24，B2O331，P2O56，SiO215wt％，標(biāo)記為31B玻璃，組成為Na2O 24，CaO 24，B2O315，P2O56，SiO231wt％，標(biāo)記為15B玻璃的三種玻璃配料，分別在1100～1150℃于鉑坩堝中熔制2小時(shí)，淬冷于二塊不銹鋼板之間，得到透明無(wú)析晶玻璃。然后將玻璃加工成1×5×5mm的正方薄片，表面拋光，測(cè)定其與骨生長(zhǎng)細(xì)胞的相容性。
在四個(gè)培養(yǎng)皿中，分別放有MEM培養(yǎng)基，并接種骨生長(zhǎng)細(xì)胞MC3T3-E1，細(xì)胞的濃度為15000/cm3。將上述三種玻璃浸沒在培養(yǎng)液中，第四個(gè)培養(yǎng)皿中放入同樣尺寸的45S5玻璃薄片，以作對(duì)照分析。用MTT染色計(jì)，以標(biāo)定活細(xì)胞的數(shù)目，用相差顯微鏡觀察細(xì)胞的生存與繁殖的數(shù)量。圖7顯示在有四種玻璃存在的條件下，在第一天和第三天的細(xì)胞生長(zhǎng)情況。說(shuō)明隨著玻璃中的B2O3含量的增加，雖然細(xì)胞增長(zhǎng)會(huì)有所減少，但是即使在B2O3含量最高的46B玻璃中，細(xì)胞數(shù)仍隨著時(shí)間增長(zhǎng)，說(shuō)明該組成的含B2O3玻璃，仍有較好的生物相容性。
上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種骨組織工程材料的制備方法，其特征在于采用以下步驟高溫?zé)Y(jié)含鈣玻璃，得到具有生物降解性的三維連通多孔支架。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于將含鈣玻璃顆粒填充在模具中，在高溫進(jìn)行燒結(jié)，獲得三維連通多孔燒結(jié)體，為一次燒結(jié)；再將多孔燒結(jié)體加熱到玻璃處于軟化點(diǎn)的溫度時(shí)，在模具中進(jìn)行二次燒結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利2所述的制備方法，其特征在于該模具是與玻璃熔體不浸潤(rùn)的耐火材料，玻璃顆粒松散地填充在模具中，在高溫進(jìn)行燒結(jié)，獲得三維連通多孔燒結(jié)體，為一次燒結(jié)；將此燒結(jié)體置于另一腔體容積更大的模具中，進(jìn)行第二次填充、堆積、燒結(jié)，獲得具有二種孔尺寸和更高孔隙率的三維連通支架；二種孔尺寸的直徑范圍分別為所用玻璃顆粒尺寸的35～45％和第二次燒結(jié)時(shí)所用模具空腔尺寸的35～45％，孔隙率為70～75％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于將含鈣玻璃顆粒細(xì)磨，得到玻璃粉末，加上粘結(jié)劑，分散劑和流變劑，配成漿體，用有機(jī)泡沫在此漿體中浸漬，去除水份后干燥，并在加熱中去除粘結(jié)劑、分散劑和流變劑，燒結(jié)，獲得與有機(jī)泡沫模板相同的三維連通多孔支架。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于是以有機(jī)泡沫聚胺酯泡沫作為模板，將玻璃細(xì)磨成5～20μm的細(xì)粉，配以粘結(jié)劑、分散劑和流變劑，調(diào)成漿料，再把具有一定形狀，一定孔結(jié)構(gòu)特征的聚胺酯泡沫作為模板，在漿料中浸漬，待沾有玻璃粉末的聚胺酯泡沫干燥后，在350～850℃之間，燒結(jié)0.1～4小時(shí)，形成三維連通多孔支架，其孔徑與孔隙率由聚胺酯泡沫模板確定，孔隙率范圍為85～90％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的制備方法，其特征在于所說(shuō)的含鈣玻璃是指以B2O3或P2O5為玻璃網(wǎng)絡(luò)主體或兼含SiO2的含鈣玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述的B2O3或P2O5玻璃網(wǎng)絡(luò)主體的含鈣玻璃，其特征是玻璃網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成體，可以分別是B2O3或P2O5，也可以是以B2O3或P2O5為主，兼含SiO2或其他網(wǎng)絡(luò)氧化物為次所構(gòu)成，在玻璃的組成中，這些網(wǎng)絡(luò)氧化物的總分子含量為30～90mol％。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述的以B2O3或P2O5為玻璃網(wǎng)絡(luò)主體的含SiO2的含鈣玻璃，玻璃的網(wǎng)絡(luò)間隙離子為一價(jià)堿金屬離子，二階堿土金屬離子，三價(jià)或四價(jià)過(guò)渡金屬離子或稀土金屬離子，在玻璃的組成中，網(wǎng)絡(luò)間隙離子的氧化物，總分子含量為5～80mol％。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述的以B2O3或P2O5為玻璃網(wǎng)絡(luò)主體的含SiO2的含鈣玻璃，在玻璃的組成中，CaO的分子含量為5～60mol％。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的玻璃處于軟化點(diǎn)的燒結(jié)，是玻璃軟化溫度的范圍在350～850℃之間，燒結(jié)的時(shí)間在0.1～4小時(shí)之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一所述的制備方法，其特征在于通過(guò)調(diào)整玻璃的成分對(duì)該支架材料的的降解性能進(jìn)行控制。
12.依據(jù)權(quán)利要求11所述的制備方法得到的支架材料的應(yīng)用，其特征在于將該支架材料用作骨組織工程中細(xì)胞生長(zhǎng)的支架。
全文摘要
一種可控降解性能的生物活性玻璃支架材料及其制備方法高溫?zé)Y(jié)含鈣玻璃，得到具有生物降解性的三維連通多孔支架。將含鈣玻璃顆粒填充在模具中，在高溫進(jìn)行燒結(jié)，獲得三維連通多孔燒結(jié)體；再將多孔燒結(jié)體加熱到玻璃處于軟化點(diǎn)的溫度時(shí)，在模具中進(jìn)行二次燒結(jié)；或者，將含鈣玻璃顆粒細(xì)磨，得到玻璃粉末，加上粘結(jié)劑，分散劑和流變劑，配成漿體，用有機(jī)泡沫在此漿體中浸漬，去除水份后干燥，并在加熱中去除粘結(jié)劑、分散劑和流變劑，燒結(jié)，獲得與有機(jī)泡沫模板相同的三維連通多孔支架。通過(guò)調(diào)整玻璃的成分對(duì)該支架材料的的降解性能進(jìn)行控制?？蓪⒃撝Ъ懿牧嫌米鞴墙M織工程中細(xì)胞生長(zhǎng)的支架。其比一般燒結(jié)法獲得的材料更接近實(shí)體骨支架的結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)A61L27/00GK101050053SQ200610025539
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者黃文旵, 王德平, 周萘, 付強(qiáng), 姚愛華 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)