一种可降解多孔生物活性玻璃支架及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于硬组织修复和作为组织工程细胞支架的多孔可降解生物活性玻璃支架材料及其制备方法，属生物材料领域。
背景技术
自1971年Hench首次报道生物活性玻璃能与骨组织成键结合(1)以来，生物活性玻璃的研究已有30多年的历史。作为骨缺损修复在临床上使用已十多年。成功的临床应用来源于它不仅有骨引导性，而且有促进骨组织生长的生物活性。最近很多研究表明，生物活性玻璃的降解产物能促进生长因子的生成、促进细胞的繁衍、活化成骨细胞的基因表达。不仅如此，生物活性玻璃目前是唯一既能与骨组织成键结合，也能与软组织相连接的人工生物材料。这些独特的特性，使生物活性玻璃作为医疗器械在临床上应用具有巨大的潜在价值，引起学术界和产业界较大关注。尽管其良好的生物相容性和生物活性，生物活性玻璃作为临床应用产品目前只有一种颗粒状的型式。作为骨缺损修复，临床上常需具有一定力学强度的多孔块状支架材料来填充修复。现世界上极为关注的、发展较快的组织工程学也需要活性的多孔支架材料作为细胞载体。
过去的研究表明，除了材料的组成之外，材料的结构在很大程度上会直接影响到材料地临床应用。孔径在50-500微米的多孔块体生物材料最适合作为硬组织修复材料和细胞支架材料。孔径在这个范围的多孔生物材料的优点是有利于细胞植入或迁移、组织长入及材料与活体组织的融合从而更有效地达到修复人体组织缺损和组织重建的目的。此外，在近几年迅速发展的组织工程学研究中，可降解的多孔生物材料是一个必不可少的部分。以多孔支架作为细胞载体，让细胞在基质材料中生长并构建含有本体细胞基因信息的活体组织，再植入人体中以修复缺损组织和器官。因此，可降解多孔生物活性玻璃支架材料作为硬组织缺损修复材料和用于体外骨组织培养的细胞支架有着广泛的应用前景。
Ducheyne等采用热压法并以无机盐如碳酸钙、碳酸氢钠等作为造孔剂制备CaO-SiO2-Na2O-P2O5系多孔生物活性玻璃支架(美国专利；申请号5676720、5811302)用于作为细胞支架在体外培养骨组织。但是，该方法采用的热压方法生产成本高，且以无机盐为造孔剂烧结后的残留组分会影响材料的组成，因此不易控制成品材料的组成。Yuan等人采用双氧水为发泡剂，在1000℃烧结制备多孔45S5生物玻璃支架，这种方法制备的支架也具有生物活性，能与骨组织发生键合(J.Biomed.Mater.Res；58：270-267，2001)。但根据我们的实验结果，在1000℃下烧结会使玻璃大量结晶并导致降解性下降。此外，以双氧水为发泡剂造孔较难控制材料的孔径和气孔率。
力学强度是多孔生物活性玻璃支架材料的一个重要性能。研究结果显示，抗压强度小于1MPa时，支架材料的可应用性差，在作为细胞支架或骨损伤修复材料使用过程中极易破损，从而大大影响使用效果。在以往的专利文献中没有发现有关多孔生物活性玻璃支架抗压强度指标的报道。能否通过工艺控制使制备的多孔生物活性玻璃支架材料的抗压强度根据需要控制在一定范围内，以达到满足不同的应用需要，从而引出本发明的目的。
【发明内容】
本发明的目的在于通过优化工艺开发出一种新的具有优良生物活性和生物可降解性，同时孔径和孔隙率可控且具通孔的多孔生物活性玻璃支架，作为硬组织缺损修复材料和体外骨组织培养用细胞支架材料，而强度可依需要控制在1-16MPa范围内，以满足新一代生物材料发展和临床应用的需要。
本发明是以玻璃粉体为原料，加入有机造孔剂，经干压或注浆成型后再在适当温度下烧结，得到具有不同气孔率、孔径和孔结构、抗压强度和降解性的多孔生物活性玻璃支架。该生物活性玻璃支架的化学组成为CaO24-45％，SiO2 34-50％，Na2O 0-25％，P2O5 5-17％，MgO 0-5，CaF2 0-1％。采用本发明提供的方法可以制备具有不同形状的多孔生物活性玻璃支架。通过工艺控制可以使生物活性玻璃支架有部分磷酸钙和/或硅酸钙结晶析出并以此来根据需要控制多孔材料的降解性和力学强度。
本发明的多孔生物活性玻璃支架材料在人体模拟体液中具有良好的生物活性，在数小时内即可释放出硅离子，并在表面沉积类骨羟基磷灰石微晶。此外，本发明的多孔生物活性玻璃还具有可降解性，体外溶解性实验显示在模拟体液环境下5天的降解率约2-30％。因此，本发明的多孔生物活性玻璃支架材料既具有良好的生物界面和化学特性，又具有良好的可降解性。
本发明的另一特点是通过控制工艺条件使材料既具有较高的孔隙率(40-80％)和合适的孔径(50-600微米)，又具有适当的力学强度(抗压强度为1-16MPa)。
综上所述，本发明的多孔生物活性玻璃作为硬组织缺损修复材料和体外骨组织培养用细胞支架材料具有独特优势。
本发明具体实施方法如下：
1、材料制备
本发明的生物活性玻璃粉体是通过熔融方法制备得到的。所用的无机原材料均为分析纯。将化学试剂按不同组分需要称量和混匀后在1380-1480℃下熔融，再经冷却、粉碎、过筛得到颗粒度为40-300um的玻璃粉体。以此为主要原料，分别采用不同工艺制备出各类多孔生物活性玻璃支架材料。本发明采用的造孔剂是聚乙二醇、聚乙烯醇、石蜡、聚苯乙烯-二乙烯苯等有机或高分子材料中的一种，其颗粒度范围是50-600微米。采用一定颗粒度范围的20-70％(质量)的造孔剂同生物活性玻璃粉体混合，之后可以采取两种成型方法，第一种是干压法，即在上述的混合料中加入1-5％浓度为5-10％的聚乙烯醇作黏结剂，混合均匀后，在钢模中以2-20MPa的压力干压成型得本发明的多孔材料素坯，最后在750-900℃温度下煅烧1-5小时烧结；第二种方法是凝胶注模成型方法，即先配制如下质量百分比浓度的水溶液，20％的丙烯酰胺单体、2％的N、N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂和5-10％的聚丙烯酸胺分散剂，按体积百分比30-60％的比例将上述混合料同上述水溶液混合均匀，加入质量百分比1-5％的过硫酸铵、质量百分比1-5％的N、N、N’、N’-四甲基乙二胺，搅拌均匀得流动性和均匀性均较好的浆料，将浆料倒入塑料或石膏模具内凝胶注模成型，并在30-80℃引发单体的交联反应1-10小时，之后在100℃干燥数小时得本发明的多孔材料素坯。然后先经400℃排塑，最后在750-900℃煅烧1-5小时得到本发明的多孔生物玻璃材料。
2、性能评价
2.1多孔材料的力学强度
对本发明得到的系列样品在日本岛津公司的AG-I精密万能实验机上测 试抗压强度。样品的测试速度为5.0mm/min，测试表明本发明得到的多孔材料的抗压强度的可控制在1-16MPa范围内。
2.2多孔材料的孔隙率
我们对本发明得到的部分样品应用阿基米德法测试气孔率，应用扫描电镜(SEM)观察孔形态和孔分布。测试表明本发明得到的多孔材料的孔隙率可控制在40-80％范围内。
2.3生物活性评价
将本发明得到的多孔材料先后经去离子水和丙酮洗涤、晾干后进行体外溶液生物活性测试。所用的溶液为人体模拟体液(SBF；Simulated BodyFluid)。SBF含有与人体血浆相同的离子和离子团浓度。SBF组成为：
NaCl： 7.996g/L
NaHCO3： 0.350g/L
KCl： 0.224g/L
K2HPO4.3H2O： 0.228g/L
MgCl2.6H2O： 0.305g/L
HCl： 1mol/L
CaCl2： 0.278g/L
Na2SO4： 0.071g/L
NH2C(CH2OH)3： 6.057g/L
多孔材料在SBF中，反应条件为0.15g多孔材料、30.0mL/day SBF、37℃恒温箱内。分别将多孔材料浸泡1、3和7天后，取出样品并经过去离子水洗涤后做SEM、傅立叶红外变换光谱(FTIR)和XRD测试，结果分别见图3、图4、图5。生物活性实验表明本发明得到的多孔生物活性玻璃支架材料能在表面诱导生成骨羟基磷灰石，从而表明这些材料具有良好的生物活性。
2.4降解性评价
将本发明得到的多孔材料先后经去离子水和丙酮洗涤、烘干后进行降解性实验测试。我们通过该类多孔材料在SBF中浸泡不同的系列时间后释放的SiO2的百分含量来评价材料的降解速度及降解性。例如以PEG为造孔剂，经干压成型和850℃煅烧后制得的气孔率为40％的多孔生物活性玻璃支架在SBF中5天的降解率在10％-20％，可见本发明的多孔生物活性玻璃材料具有很好的降解性。
【附图说明】
通过下面的结合附图对本发明作进一步的详细说明，可以更好地理解上文所述内容。其中，
图1为制备的多孔生物活性玻璃外观照片。
图2为制备的多孔生物活性玻璃断面光学显微镜照片。
图3为在不同温度下制备的多孔生物活性玻璃的XRD图谱；图谱显示在不同温度下制备出的材料有不同程度的硅酸钙和磷酸钙晶体析出；(a)煅烧前生物活性玻璃粉体(b)800℃煅烧制备的生物活性玻璃支架(c)850℃煅烧制备的生物活性玻璃支架。
图4为本发明的多孔生物活性玻璃材料在SBF(人体模拟体液)中浸泡前(A)和浸泡1天(B)和3天(C)后的SEM图；照片显示材料经SBF浸泡1天表面有大量羟基磷灰石晶体出现。
图5为本发明的多孔生物活性玻璃材料在SBF中浸泡前、浸泡0、6小时、1、3和7天后的傅立叶变换红外光谱(FTIR)图；分析显示经SBF浸泡6小时后即有羟基磷灰石峰出现。
【具体实施方式】
下面通过本发明的实施例，进一步阐明本发明实质性特点和显著的进步，但本发明决非限于实施例。
实施例1：
所用的原材料如上文所述。
将分析纯SiO2，Na2CO3，CaCO3，P2O5等原料按比例均匀混合，在1420℃熔融成均质熔体，然后冷却，粉碎，过筛得到粒径在40-300um的生物活性玻璃粉体。该玻璃粉体的组成为CaO 24.5％，SiO2 45％，Na2O 24.5％，P2O56％。
将颗粒度为150-200微米的生物活性玻璃粉体与200-300微米的聚乙二醇粉体二者按质量百分比60∶40混合，加入浓度为6％的聚乙烯醇溶液作黏结剂，调均匀后，于14MPa压力下干压成型，脱模得多孔材料的素坯。素坯在400℃下排塑，然后在850℃下烧结2小时制得本发明的多孔材料的抗压强度约1.25MPa，孔隙率约56％。XRD如图2(C)所示含有Ca4P2O9和CaSiO3。
将所得的多孔材料在SBF模拟体液中浸泡6小时、1、3和7天，并将浸泡后的样品进行生物活性和降解性评价。图4、5的结果显示本发明的多孔生物活性玻璃材料经SBF中浸泡后，很快就在材料的表面上形成骨磷灰石层，具有很强的生物活性。在SBF中浸泡5天的生物降解率达14％，表明本发明得到的多孔生物活性玻璃支架具有良好的降解性，有望用作硬组织缺损修复或体外骨组织培养用细胞支架。
实施例2：
将分析纯SiO2，CaCO3，Ca3(PO4)2、MgCO3、CaF2等原料按比例均匀混合，在1450℃熔融成均质熔体，然后冷却，粉碎，过筛得到粒径在40-300um的生物活性玻璃粉体。该玻璃粉体的组成为CaO 40.5％，SiO2 39.2％，MgO 4.5％，P2O5 15.5％，CaF2 0.3％。
将所得粉体按生物活性玻璃粉体与300-600微米的聚乙烯醇粉体质量百分比50∶50取料混合，得固体混合料。配制含20％的丙烯酰胺、2％的N、N’-亚甲基双丙烯酰胺和8％的聚丙烯酸胺的水溶液，按体积百分比50∶50的比例将10克上述固体混合料同上述水溶液混合均匀，加入质量百分比3％的过硫酸铵和质量百分比3％的N、N、N’、N’-四甲基乙二胺数滴，搅拌均匀得流动性较好的浆料，将浆料倒入模具内凝胶注模成型，并在60℃引发单体的交联反应3小时，之后在100℃干燥12小时后脱模得本发明的多孔材料素坯。素坯在400℃下排塑，然后在850℃下烧结2小时制得本发明的多孔材料的抗压强度约6.1MPa，孔隙率约55％。在模拟体液中浸泡3天后降解率为78％(溶出Si的质量百分比)。多孔材料的性能评价如实施例1。可用作硬组织缺损修复材料。
实施例3：
使用的原料和生物活性玻璃粉体的制备方法与实施例2同。
按质量比40∶60，将颗粒度为150-200微米的生物活性玻璃粉体与200-300微米的PEG粉混合，加入浓度为6％的聚乙烯醇溶液作黏结剂，调均匀后，于14MPa压力下干压成型，脱模得多孔材料的素坯。素坯在400℃下排塑，然后在800℃下烧结制得本发明的多孔材料的抗压强度约1.5MPa，孔隙率约65％。在模拟体液中浸泡3天后降解率为38％(溶出Si的质量百分比)。多孔材料的性能评价如实施例1。可用作体外骨组织培养细胞支架。