具有多孔叠层结构和通道的人工骨及其制备方法 【技术领域】
本发明属于生物医用材料技术领域，特别涉及一种人工骨，特别是涉及一种具有多孔叠层结构和通道的人工骨，
背景技术
由于创伤、感染、肿瘤切除和骨髓炎等导致的骨缺损修复一直是骨科领域的难题之一。目前骨修复的主要方法是进行骨移植手术——即将自体骨、异体骨或人工骨移植到患者体内骨骼有缺损或需要加强、固定的部位的一种手术。
自体骨移植具有较高的骨诱导性，无免疫排斥反应，但是会增加手术创伤，骨的来源也十分有限。异体骨移植不仅存在来源问题，而且还会产生免疫排斥反应和手术并发症等，移植过程中，很可能将源体的疾病传给受体。磷酸钙基生物陶瓷人工骨具有良好的生物相容性和生物活性及生物可降解性，是骨修复材料发展的重要方向之一。目前使用的块状磷酸钙基生物陶瓷人工骨主要有整体密实型和多孔型两种类型，密实型人工骨，强度高，可用于承重部位骨缺损的修复，但缺乏骨细胞长入的孔隙和体液通道，不利于骨细胞的粘附、增殖、分化、生长及新骨组织的形成。多孔型人工骨具有骨细胞长入和血管化形成的孔隙结构，有利于骨组织的修复重建，但强度低，不能用于承重部位骨缺损的修复，应用范围受到限制。制备既具有较高的强度，由具有骨细胞生长的孔隙结构的新型人工骨，具有重要临床实用价值。
【发明内容】
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提供一种具有多孔叠层结构和通道的人工骨，既具有较高的强度，又具有体液流通，细胞生长和血管化的通道，性能优异，适用性广的特点。
上述目的采用下述技术方案实现：
本发明的一种具有多孔叠层结构和通道的人工骨，其特征在于，所述人工骨由磷酸钙基生物陶瓷材料的密实层和多孔层交替叠层成型，并在与叠层成设定角度的方向上设置有输送细胞、体液的通道。
本发明提出制备上述人工骨的方法，具体包括以下步骤：
(1)将含量为0～100wt％的羟基磷灰石(HA)、100wt％～0的β-磷酸三钙(β-TCP)粉末混合，得到磷酸钙基生物陶瓷混合粉末；
(2)将与去离子水按固相含量体积百分比30～60vol％的混合粉末、相对于去离子水的重量百分比0.5～1.5wt％的胶凝剂海藻酸钠，混合球磨2～6小时，配制成密实层成型的陶瓷浆料；
(3)将与去离子水按固相含量体积百分比20～60vol％的混合粉末、相对于去离子水的重量百分比0.5～1.5wt％的胶凝剂海藻酸钠、相对于去离子水的重量百分比0.2～0.8wt％的发泡剂十二烷基硫酸钠、相对于去离子水的重量百分比0.02～0.1wt％的稳泡剂十二醇，进行混合球磨2～6小时，配制成多孔层成型的陶瓷浆料；
(4)将分析纯氯化钙溶于去离子水，配制成浓度为1～5M的氯化钙溶液，作为凝胶引发剂；
(5)将步骤(2)、(3)配制成的密实层成型浆料和多孔层成型浆料，以步骤(4)配制成的氯化钙溶液为凝胶引发剂，在三维凝胶叠层成型系统上交替叠层成型，并在与叠层成设定角度的方向，钻取输送细胞、体液的通道，制备成陶瓷坯体；
(6)将步骤(5)制备的坯体，在室温下自然干燥24小时以上，置于电热干燥箱中，在80～120℃下保温6～12小时，使坯体烘干；
(7)将步骤(6)烘干的坯体，在高温电炉中，逐渐升温至1050℃～1350℃，烧结2～6小时，制得烧结体，然后降温到300℃后，随炉冷却；
(8)将步骤(7)制得的烧结体按照骨缺损的修复要求，加工成各种形状地人工骨，用于骨修复或骨组织工程支架材料。
本发明人工骨具有以下优点：
1.本发明人工骨选用磷酸钙基生物陶瓷制备，具有良好生物相容性和生物活性，通过调整磷酸钙基生物陶瓷的组分，还可调控人工骨在体内的降解速度。
2.本发明人工骨采用了密实层结构，提高了人工骨的强度，还可通过调整密实层的厚度、密度，来调控人工骨的强度，以适合不同部位骨缺损修复的要求。
3.本发明人工骨采用了多孔层结构，并设置了通道，有利于骨细胞的长入和血管化，可加快新骨组织的修复重建。
4.本发明人工骨结构简单，制备成本低，适于批量化生产，并可根据骨修复需要，加工成各种形状，满足不同部位骨修复的要求，还可作为骨组织工程支架材料，在骨科临床上具有广阔的应用前景。
【附图说明】
图1是本发明人工骨的结构示意图。
【具体实施方式】
本发明提出的具有多孔叠层结构和通道的人工骨及其制备方法结合附图及实施例作进一步说明：
本发明的具有多孔叠层结构和通道的人工骨，其结构如图1所示，所述人工骨由磷酸钙基生物陶瓷材料的密实层1和多孔层2相互重叠而成，并在与叠层成一定角度的方向，设置有输送细胞、体液的通道3。其中，密实层的厚度可为0.1～2mm。多孔层的厚度可为0.3～2mm；多孔层的孔隙直径可为0.1～0.8mm；多孔层的孔隙率可为20％～80％。输送细胞、体液的通道直径可为0.5～2mm该通道与叠层之间的角度可为10°～90°；所述相邻两输送细胞、体液通道横截面的中心点之间的间距为1-3mm。
本发明的人工骨的各参数可通过调整制备方法的工艺条件及各成分的配比实现，人工骨的总厚度可根据实际应用确定。
本发明提出制备上述人工骨的方法，具体包括以下步骤：
(1)将含量为0～100wt％的羟基磷灰石(HA)、100wt％～0的β-磷酸三钙(β-TCP)粉末混合，得到磷酸钙基生物陶瓷混合粉末；
(2)将(1)中的混合粉末与去离子水按固相含量体积百分比30～60vol％，胶凝剂海藻酸钠含量相对于去离子水的重量百分比0.5～1.5wt％，球磨混合2～6小时，配制用于密实层成型的陶瓷浆料；
(3)将(1)中的混合粉末与去离子水按固相含量体积百分比20～60vol％，胶凝剂海藻酸钠含量相对于去离子水的重量百分比0.5～1.5wt％，发泡剂十二烷基硫酸钠含量相对于去离子水的重量百分比0.2～0.8wt％，稳泡剂十二醇含量相对于去离子水的重量百分比0.02～0.1wt％，球磨混合2～6小时，配制用于多孔层成型的陶瓷浆料；
(4)将分析纯氯化钙溶于去离子水，配制浓度为1～5M的氯化钙溶液，作为凝胶引发剂；
(5)将(2)、(3)配制的密实层成型浆料和多孔层成型浆料，以(4)配制的氯化钙溶液为凝胶引发剂，在三维凝胶叠层成型系统上交替叠层成型，叠层完成后，在与叠层成一定角度的方向，钻取所定直径的通道，制备陶瓷坯体；
(6)将(5)制备的坯体，室温自然干燥24小时以上，置于电热干燥箱中，在80～120℃，保温6～12小时烘干；
(7)将(6)烘干的坯体，在高温电炉，空气气氛中，逐渐升温(如以100～150℃/min的速度升温)，在1050～1350℃下，保温时间2～6小时烧结，然后以150～200℃/min的速度降温到300℃后(如以150～200℃/min的速度降温)，随炉冷却；
(8)烧结体按照骨缺损的修复要求，加工成各种形状，用于骨修复。
实施例一：
本实施例人工骨由磷酸钙基生物陶瓷材料的密实层和多孔层交替叠层成型，并在与叠层成一定角度的方向，设置有输送细胞、体液的通道。其中，人工骨的密实层厚度为0.1mm，多孔层厚度为0.3mm，孔隙直径为0.1～0.3mm、孔隙率为20％～60％，通道直径为0.5～0.6mm，通道与叠层之间的角度为10°，孔道间距为1-2mm。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
(1)以100wt％的羟基磷灰石(HA)为原料粉末；
(2)将(1)中的粉末与去离子水按固相含量体积百分比30vol％，胶凝剂海藻酸钠含量相对于去离子水的重量百分比0.5wt％，球磨混合2小时，配制用于密实层成型的陶瓷浆料；
(3)将(1)中的粉末与去离子水按固相含量体积百分比20％，胶凝剂海藻酸钠含量相对于去离子水的重量百分比0.5％，发泡剂十二烷基硫酸钠含量相对于去离子水的重量百分比0.2wt％，稳泡剂十二醇含量相对于去离子水的重量百分比0.02wt％，球磨混合2小时，配制用于多孔层成型的陶瓷浆料；
(4)将分析纯氯化钙溶于去离子水，配制浓度为1M的氯化钙溶液，作为凝胶引发剂；
(5)将(2)、(3)配制的密实层成型浆料和多孔层成型浆料，以(4)配制的氯化钙溶液为凝胶引发剂，在三维凝胶叠层成型系统上交替叠层成型，每层密实层浆料层厚为0.12mm，多孔层浆料层厚为0.4mm，叠层完成后，在与叠层成10°的方向，钻取多个直径0.62mm的通道，制备陶瓷坯体；
((6)将(5)制备的坯体，室温自然干燥24小时后，置于电热干燥箱中，在80℃，保温6小时烘干；
(7)将(6)烘干的坯体，在高温电炉，空气气氛中，逐渐升温到1050℃后，保温烧结6小时，然后降温到300℃后，随炉冷却；
(8)烧结体按照骨缺损的修复要求，加工成各种形状，用于骨修复或骨组织工程支架。
实施例二：
本实施例人工骨由磷酸钙基生物陶瓷材料的密实层和多孔层交替叠层成型，并在与叠层成一定角度的方向，设置有输送细胞、体液的通道。其中，人工骨的密实层厚度为0.5mm，多孔层厚度为0.6mm，孔隙直径为0.2～0.4mm、孔隙率为30％～70％，通道直径为1mm，通道与叠层之间的角度为30°通道之间的间距为2-3mm。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
(1)将含量为100wt％的β-磷酸三钙作为原料粉末；
(2)将(1)中的粉末与去离子水按固相含量体积百分比40vol％，胶凝剂海藻酸钠含量相对于去离子水的重量百分比0.8wt％，球磨混合3小时，配制用于密实层成型的陶瓷浆料；
(3)将(1)中的混合粉末与去离子水按固相含量体积百分比30vol％，胶凝剂海藻酸钠含量相对于去离子水的重量百分比0.8wt％，发泡剂十二烷基硫酸钠含量相对于去离子水的重量百分比0.4wt％，稳泡剂十二醇含量相对于去离子水的重量百分比0.05wt％，球磨混合3小时，配制用于多孔层成型的陶瓷浆料；
(4)将分析纯氯化钙溶于去离子水，配制浓度为2M的氯化钙溶液，作为凝胶引发剂；
(5)将(2)、(3)配制的密实层成型浆料和多孔层成型浆料，以(4)配制的氯化钙溶液为凝胶引发剂，在三维凝胶叠层成型系统上交替叠层成型，密实层浆料层厚为0.62mm，多孔层浆料层厚为0.75mm，叠层完成后，在与叠层成30°的方向，钻取直径1mm的通道，制备陶瓷坯体；
(6)将(5)制备的坯体，室温自然干燥30小时后，置于电热干燥箱中，在90℃，保温8小时烘干；
(7)将(6)烘干的坯体，在高温电炉，空气气氛中，逐渐升温到1150℃，保温烧结5小时，然后降温到300℃后，随炉冷却；
(8)烧结体按照骨缺损的修复要求，加工成各种形状，用于骨修复或骨组织工程支架。
实施例三：
本实施例人工骨由磷酸钙基生物陶瓷材料的密实层和多孔层交替叠层成型，并在与叠层成一定角度的方向，设置有输送细胞、体液的通道。其中，人工骨的密实层厚度为1.6mm，多孔层厚度为1.6mm，孔隙直径为0.3～0.5mm、孔隙率为30％～60％，通道直径为1.2mm，通道与叠层之间的角度为60°通道之间的间距为1-3mm。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
(1)将含量为60wt％的羟基磷灰石(HA)、40wt％的β-磷酸三钙(β-TCP)粉末混合；
(2)将(1)中的混合粉末与去离子水按固相含量体积百分比50vol％，胶凝剂海藻酸钠含量相对于去离子水的重量百分比1.2wt％，球磨混合5小时，配制用于密实层成型的陶瓷浆料；
(3)将(1)中的混合粉末与去离子水按固相含量体积百分比50vol％，胶凝剂海藻酸钠含量相对于去离子水的重量百分比1.2wt％，发泡剂十二烷基硫酸钠含量相对于去离子水的重量百分比0.6wt％，稳泡剂十二醇含量相对于去离子水的重量百分比0.081wt％，球磨混合4小时，配制用于多孔层成型的陶瓷浆料；
(4)将分析纯氯化钙溶于去离子水，配制浓度为4M的氯化钙溶液，作为凝胶引发剂；
(5)将(2)、(3)配制的密实层成型浆料和多孔层成型浆料，以(4)配制的氯化钙溶液为凝胶引发剂，在三维凝胶叠层成型系统上交替叠层成型，密实层浆料层厚为2mm，多孔层浆料层厚为2mm，叠层完成后，在与叠层成60°的方向，钻取直径1.5mm的通道，制备陶瓷坯体；
(6)将(5)制备的坯体，室温自然干燥36小时后，置于电热干燥箱中，在100℃，保温10小时烘干；
(7)将(6)烘干的坯体，在高温电炉，空气中，逐渐升温，在1250℃，保温烧结3小时，然后降温到300℃后，随炉冷却；
(8)烧结体按照骨缺损的修复要求，加工成各种形状，用于骨修复或骨组织工程支架。
实施例四：
本实施例人工骨由磷酸钙基生物陶瓷材料的密实层和多孔层交替叠层成型，并在与叠层成一定角度的方向，设置有输送细胞、体液的通道。其中，人工骨的密实层厚度为2mm，多孔层厚度为2mm，孔隙直径为0.5～0.8mm、孔隙率为40％～80％，通道直径为2mm，通道与叠层之间的角度为90°通道之间的间距为1-3mm。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
(1)将含量为50wt％的羟基磷灰石(HA)、50wt％～0的β-磷酸三钙(β-TCP)粉末混合；
(2)将(1)中的混合粉末与去离子水按固相含量体积百分比60vol％，胶凝剂海藻酸钠含量相对于去离子水的重量百分比1.5wt％，球磨混合6小时，配制用于密实层成型的陶瓷浆料；
(3)将(1)中的混合粉末与去离子水按固相含量体积百分比60vol％，胶凝剂海藻酸钠含量相对于去离子水的重量百分比1.5wt％，发泡剂十二烷基硫酸钠含量相对于去离子水的重量百分比0.8wt％，稳泡剂十二醇含量相对于去离子水的重量百分比0.1wt％，球磨混合6小时，配制用于多孔层成型的陶瓷浆料；
(4)将分析纯氯化钙溶于去离子水，配制浓度为5M的氯化钙溶液，作为凝胶引发剂；
(5)将(2)、(3)配制的密实层成型浆料和多孔层成型浆料，以(4)配制的氯化钙溶液为凝胶引发剂，在三维凝胶叠层成型系统上交替叠层成型，密实层浆料层厚为2.5mm，多孔层浆料层厚为2.5mm，叠层完成后，在与叠层成90°的方向，钻取直径2.5mm的通道，制备陶瓷坯体；
(6)将(5)制备的坯体，室温自然干燥48小时后，置于电热干燥箱中，在120℃，保温12小时烘干；
(7)将(6)烘干的坯体，在高温电炉，空气气氛中，逐渐升温到1350℃，保温烧结2小时，然后降温到300℃后，随炉冷却；
(8)烧结体按照骨缺损的修复要求，加工成各种形状，用于骨修复。