一種骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料的制備方法，屬于生物醫(yī)用材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及各類工傷和交通事故的頻繁發(fā)生，在臨床醫(yī)療過程中經(jīng)常遇到重建或再生因病或由于外傷造成的骨缺損情況，需要大量的骨缺損修復(fù)材料。目前臨床應(yīng)用最為廣泛的骨缺損修復(fù)材料是自體骨和同種異體骨，但是存在來源不足、供骨區(qū)并發(fā)癥、移植排異反應(yīng)、疾病傳播及融合時(shí)間較長(zhǎng)等問題，限制了其應(yīng)用，因而需要研究和開發(fā)新型人造骨修復(fù)材料以滿足臨床上的大量需求。
[0003]目前研究最多的骨修復(fù)材料是輕基磷灰石(Hydroxyapatite，CaiQ(P04)6(0H)2，簡(jiǎn)稱HA)?；ミB多孔的HA骨修復(fù)材料不僅具有與骨組織的生長(zhǎng)速度較匹配的降解速率，而且還能滿足骨組織及血管長(zhǎng)入的要求，加快骨缺損修復(fù)的過程。植入體內(nèi)后，能與骨組織通過化學(xué)鍵合形成緊密結(jié)合、有良好的骨傳導(dǎo)作用，對(duì)新骨的生長(zhǎng)具有一定的誘導(dǎo)作用，不致溶血或凝血、無全身或局部毒性反應(yīng)、不致突變等不良反應(yīng);并且還具有良好的生物可降解性，當(dāng)其植入體內(nèi)后會(huì)逐步降解，降解后的Ca、P進(jìn)入體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成新生骨或者隨新陳代謝排出體外，一定時(shí)間后材料完全降解，并被新生骨取代。因此，多孔HA骨修復(fù)材料成為一種非常理想的、臨床應(yīng)用前景非常廣闊的機(jī)體硬組織再生或重建的骨缺損修復(fù)材料之一。
[0004]國(guó)內(nèi)外目前制備多孔HA基骨修復(fù)材料的方法主要有化學(xué)發(fā)泡法(H202、碳酸鹽、亞硫酸鹽等作為發(fā)泡劑，聚乙烯醇作為粘結(jié)劑)、聚合物泡沫模板浸漬法(聚氨酯海綿作為造孔材料，聚乙烯醇或硅酸鈉作為粘結(jié)劑)、凝膠注模成型法(蠟球作造孔劑，聚乙烯醇作為粘結(jié)劑)、造孔劑法(碳酸氫銨、萘、氫化鈦及乙基纖維素作造孔劑，聚乙烯醇作為粘結(jié)劑)等。但是上述方法存在以下問題:(I)為了提高材料的力學(xué)性能和獲得穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)，上述方法制備過程中往往需要對(duì)材料進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)Y(jié)過程。而過高的燒結(jié)溫度和較長(zhǎng)的保溫時(shí)間會(huì)造成HA發(fā)生部分分解，由于HA的分解產(chǎn)物與HA的降解速率不一致，導(dǎo)致材料的降解速率與骨組織爬行替代速率不匹配，使得材料的骨缺損修復(fù)能力降低；(2)上述方法制備材料的過程中需要加入粘結(jié)劑(如聚乙烯醇、硅酸鈉等)，盡管在高溫?zé)Y(jié)過程中粘結(jié)劑絕大部分會(huì)分解揮發(fā)，但仍然有少量的粘結(jié)劑殘留在材料中。這些殘留的粘結(jié)劑如硅酸鈉不會(huì)降解，會(huì)影響微血管及骨組織的長(zhǎng)入，降低材料的生物相容性和成骨活性，而聚乙烯醇已被證明具有肝和膽囊組織毒性；(3)上述方法在制備多孔HA材料的過程中容易引入雜質(zhì)，會(huì)對(duì)材料的生物相容性造成不利影響。因而利用上述方法制備的多孔HA骨修復(fù)材料不能完全滿足臨床使用的要求，需要尋找新的制備方法來克服上述制備方法存在的問題。
[0005]多孔HA基骨修復(fù)材料除了在制備技術(shù)上存在諸多的不足之外，在臨床實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，盡管其具有一定的成骨誘導(dǎo)活性，但是促進(jìn)成骨和抑制破骨的能力還有待提高。與自體骨和同種異體骨相比，新骨生長(zhǎng)時(shí)間仍然較長(zhǎng)，延長(zhǎng)了骨缺損修復(fù)的過程。需要進(jìn)一步提高骨修復(fù)材料的成骨誘導(dǎo)能力，減少病人的痛苦，以提高骨缺損修復(fù)的治療效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和材料的不足，提供一種利用放電等離子燒結(jié)制備骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料的方法，獲得成分純凈無有害雜質(zhì)、孔隙率可控、降解速率適宜、具有良好成骨誘導(dǎo)能力的骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料，滿足臨床上對(duì)用于機(jī)體硬組織再生或重建的骨缺損修復(fù)材料的性能要求，推進(jìn)其臨床應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料的制備方法，經(jīng)過下列工藝步驟:
(1)按鍶摻雜羥基磷灰石50%?80%、碳酸氫銨50%?20%的質(zhì)量百分比，分別稱取鍶摻雜羥基磷灰石粉末和碳酸氫銨粉末；
(2)將步驟(I)稱取的粉末放入混料機(jī)內(nèi)混合30?60min，得到鍶摻雜羥基磷灰石和碳酸氫銨的混合粉末；
(3)將步驟(2)得到的混合粉末放入定制不銹鋼模具中，通過壓頭施加200?300MPa單向壓力，冷壓成型后退模得到塊體壓坯。
[0008](4)將步驟(3)得到的塊體壓坯裝入柱形石墨模具中，置于放電等離子燒結(jié)爐中，系統(tǒng)真空抽至6?8 Pa后進(jìn)行燒結(jié)，以50?100°C/min的升溫速度，加熱至950?1000°C的燒結(jié)溫度后保溫5?8 min，燒結(jié)過程中持續(xù)抽真空使得碳酸氫銨完全分解揮發(fā)后再隨爐自然冷卻至室溫，退模即得到骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料。
[0009]本發(fā)明步驟(I)中，鍶摻雜羥基磷灰石的純度2 99.9 %，平均粒徑10~30 nm。
[0010]本發(fā)明步驟(I)中，鍶摻雜羥基磷灰石中鍶摻雜量的質(zhì)量百分比為1%?10%。
[0011]本發(fā)明步驟(I)中，碳酸氫銨的純度為分析純，平均粒徑500?1000 μπι。
[0012]優(yōu)選的，本發(fā)明所述定制不銹鋼模具包括壓頭1、模體2、模腔3、底座4，模體2的下端設(shè)有底座4，模體2內(nèi)均勻分布有4?6個(gè)模腔3，模腔3為長(zhǎng)方體形狀。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
(I)材料成分純凈無有害雜質(zhì)，生物相容性好。由于在制備過程中不添加任何粘結(jié)劑和模板劑，選擇的NH4HCO3造孔劑在較低的溫度下就完全揮發(fā)，因而制備的骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料無任何雜質(zhì)殘留，并且采用了放電等離子燒結(jié)技術(shù)后降低了燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間，HA不會(huì)發(fā)生分解。
[0014](2)孔隙參量可控，成骨活性好。所制備的多孔材料孔隙率為20?40%、孔隙尺寸為10?500μπι，且大孔、小孔并存，其獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)和粗糙的內(nèi)外表面將有利于成骨細(xì)胞的粘附、增殖，促使新骨組織長(zhǎng)入孔隙，提高了材料的成骨活性。
[0015](3)具有良好的成骨誘導(dǎo)能力。由于摻雜了具有促進(jìn)成骨和抑制破骨作用的鍶(Strontium，簡(jiǎn)稱Sr)元素，提高了多孔HA骨修復(fù)材料的成骨誘導(dǎo)能力，加快了骨缺損修復(fù)的過程和時(shí)間，減少了病人的痛苦。
[0016](4)具有骨修復(fù)填充術(shù)所需的機(jī)械強(qiáng)度。所制備的多孔材料強(qiáng)度為6?8MPa，與自體骨相匹配，能夠滿足臨床要求;因此，采用本發(fā)明方法制備的骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料可作為理想的人造機(jī)體硬組織再生或重建的骨缺損修復(fù)材料在臨床上應(yīng)用；同時(shí)本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0017]圖1實(shí)施例1中Sr-HA原料粉末及1000°C燒結(jié)后骨修復(fù)用多孔Sr-HA材料的X射線衍射圖譜。
[0018]圖2實(shí)施例1制備得到的骨修復(fù)用多孔Sr-HA材料表面SEM形貌圖。
[0019]圖3實(shí)施例1制備得到的骨修復(fù)用多孔Sr-HA材料孔隙SEM形貌圖。
[0020]圖4實(shí)施例1制備得到的骨修復(fù)用多孔Sr-HA材料孔壁SEM形貌圖。
[0021]圖5實(shí)施例1制備得到的骨修復(fù)用多孔Sr-HA材料與BMSCs共培養(yǎng)SEM形貌圖。
[0022]圖6為所述定制不銹鋼模具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖7為所述定制不銹鋼模具的俯視圖。
[0024]圖6、7中1-壓頭;2-模體;3-模腔;4_底座。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。
[0026]本發(fā)明實(shí)施例所述定制不銹鋼模具包括壓頭1、模體2、模腔3、底座4，模體2的下端設(shè)有底座4，模體2內(nèi)均勻分布有4個(gè)模腔3，模腔3為長(zhǎng)方體形狀，如圖6?7所示。
[0027]實(shí)施例1
本例用放電等離子燒結(jié)制備骨修復(fù)用多孔Sr-HA材料方法的工藝步驟是:
(I)按鍶摻雜羥基磷灰石50%、碳酸氫銨50%的質(zhì)量百分比，分別稱取鍶摻雜羥基磷灰石粉末和碳酸氫銨粉末;鍶摻雜羥基磷灰石的純度2 99.9 %，平均粒徑10nm，鍶摻雜羥基磷灰石中鍶摻雜量的質(zhì)量百分比為1%，碳酸氫銨的純度為分析純，平均粒徑500μηι。
[0028](2)將步驟(I)稱取的粉末放入混料機(jī)內(nèi)混合30min，得到鍶摻雜羥基磷灰石和碳酸氫銨的混合粉末；
(3)將步驟(2)得到的混合粉末放入定制不銹鋼模具中，通過壓頭施加200MPa單向壓力，冷壓成型后退模得到塊體壓坯。
[0029](4)將步驟(3)得到的塊體壓坯裝入柱形石墨模具中，置于放電等離子燒結(jié)爐中，系統(tǒng)真空抽至8 Pa后進(jìn)行燒結(jié)，以50°C/min的升溫速度，加熱至1000°C的燒結(jié)溫度后保溫5min，燒結(jié)過程中持續(xù)抽真空使得碳酸氫銨完全分解揮發(fā)后再隨爐自然冷卻至室溫，退模即得到骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料。
[0030]用相對(duì)密度法進(jìn)行測(cè)量、并通過計(jì)算獲得骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料的孔隙率為40% ο對(duì)燒結(jié)前預(yù)先干燥的Sr-HA與HA粉料樣品進(jìn)行了 X射線衍射儀(XRD )分析(如圖1所示)。從圖中可以看出，圖譜中并無雜相出現(xiàn)，燒結(jié)后主相仍為Sr-HA相，這表明燒結(jié)完成后試樣并未發(fā)生分解，有利于保持骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料的生物相容性。利用掃描電鏡(SEM)對(duì)所燒結(jié)的骨修復(fù)用多孔鍶摻雜羥基磷灰石材料微觀形貌進(jìn)行了分析(如圖2、圖3、圖4所示)。觀察孔隙形貌(如圖2、圖3所示)，試樣的孔呈均勻的分布狀態(tài)，孔徑在70?400μπι范圍，這種大孔是由于造孔劑在燒結(jié)過程中高溫分解而造成的，這樣的孔有利于骨細(xì)胞的長(zhǎng)入和體液的傳輸;觀察孔壁形貌(如圖4所示)，孔壁上存在由大量的摻鍶羥基磷灰石顆粒堆積形成的微孔(〈ΙΟμπι)，這些微孔使材料局部面積大大增加，有利于成骨細(xì)胞的黏附(如圖5所示)。根據(jù)