本发明包括一种骨组织工程生物支架材料及其 制备方法和应用， 尤其涉及一种生物陶瓷 支架及其制备方法和应用。

背景技术

组织工程是应 ffl细胞生物学、 生物材料和工程学的原理， 研究开发用于修复或改善人体 病损组织或器官的结构、 功能的生物活性替代物的交叉学科。 其研究主要包括≡个方面： 种 子细胞、 生物材料支架和生长信号。 生物支架材料是组织工程的关键因素， 因而开发构建理 想的细胞外支架材料是现阶段组织工程的研究 重点和热点之一。

骨组织工程是组织工程的一个分支。骨组织工 程是指将分离的成骨细胞、 骨髓基质干 细胞或软骨细胞， 经体外扩增培养后种植于具有良好生物相容性 的支架材料上： 细胞在 预制形态的三维支架上生长增殖后， 将这种细胞-材料复合体植入骨缺损部位， 在生物 材料逐步降解的同时，种植的骨细胞不断增殖 ，逐步形成骨组织并发挥相应的功能作用， 从而达到修复骨组织缺损的目的。

支架材料在组织工程研究 Φ的作用为：为组织或器官体外构建提供细胞� ��长的 维支架， 使细胞形成适宜的空间分布和细胞阆的信号传 导与相互作用； 提供特殊的生长和分化信号， 维持细胞的定^分化， 是组织工程研究及其临床应用的关键。 理想的组织工程支架材料应具 有以下特点： ( 1 ) 无毒性且具有良好的生物组织相容性， 支架材料本体及其降解产物均不会 引起机体的免疫排斥反应； （2 ) 具有高孔隙率的结构来支持和诱导细胞的贴附 、 增殖以及细 胞外基质的产生； （3 )具有生物可降解性， 且降解速率可控： （4 )适宜的可塑性和机械强度； 以维持支架材料微环境的稳定。

目前骨组织工程支架材料主要有三类； 其一是天然生物衍生树料， 具有来源丰富， 制作 简便， 组织相容性良好以及具有一定的生物降解性的 优点。 其二是人工合成材料， 如钙璘陶 瓷、 生物活性玻璃等。 其 为复合材料， 如无机高分子复合材料、 金属高分子复合材料等。 生物陶瓷以其良好的生物相容性以及骨诱导性 ， 同时兼具良好的机械性能可塑性， 能够满足 骨组织工程对支架材料成形、 力学性能和骨诱导性等方面的要求， 在骨组织工程中受到了较 大的关注和应用。

尽管目前己对多种生物支架材料进 了不少硏究， 但生物支架材料存在的种种技术难题 如细胞贴附性、 机械强度等依然没有得到很好的解决。 尤其在骨组织工程中， 支架材料的机 械强度往往成为制约其应用的关键因素。 目前多孔生物陶瓷支架普遍缺乏足够的强度， 羟基 磯灰石多孔生物陶瓷支架的抗压强度一般不超 过 lOMPa, 磷酸三钙多孔支架的抗压强度一般 不超过 15MPa, 也只能勉强达到松质骨的强度要求。

硅酸二钙与活性玻璃同属 CaO- Si0 ₂ 体系， 被认为具有生物活性。 己有研究表明成 骨细胞能够在硅酸二钙涂层表面正常贴 生长， 并增殖分化， 表明硅酸二钙涂层具有良 好的生物相容性。因而拟 ffl -硅酸二钙生物陶瓷支架来解决上述难题并将� �用于骨组织工 程。

发明内容

本发明拟解决的技术问题是克服现有骨组织工 程支架材料的不足，提供一种机械强度高、 开孔率高、 对生物体无毒性、 生物相容性良好的 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架， 并相应地提 供了一种该 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法和应� �。

为实现上述目标， 本发明提出的技术方案为一种 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架， 所述 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架按如下的方法制� �而成。 具体包括以下歩骤-

(】）前驱体模板处理： 根据产品所需的形状和尺寸， 用有机泡沫加工处理得到多孔支架 模板。

(2)陶瓷原料制备： 将 Ca源和 Si源按适当的比例配比， 同时添加适量水和稳定剂进行 球磨， 球磨后的粉料烘干过筛备用。

(3 ) 浸渍挂浆： 称取步骤 （2) 所制备粉料， 按比^加入粘结剂和蒸馏水搅拌均匀， 配 成浆料。 将歩骤（1 )制备的海绵前驱体置于浆料中反复挤压浸渍� � 并挤压出海绵前驱体中多 余浆料。

(4) 千燥： 将步骤 (3 ) Φ得到的样品进行鼓风千燥。

(5 ) 烧成： 干燥后的样品放入烧结炉中高温烧结， 并于烧成温度下保温。

(6) 冷却： 保温结束立郎将样品从炉中取出冷却。

为了更好的解决上述技术问题， 所述前驱体模板优选为聚氨脂海绵。

所述 Ca源和 Si源的优选的摩尔比为 1 :1至 3: 1 , 特别优选为摩尔比 2:1的比例。

所用稳定剂优选为 II酸钙盐； 其优选用量为碳酸钙和二氧化硅混合粉料质量 的 0.5%〜

3%<>

所述 Ca源优选为 CaC0 ₃ 、 CaO或 Ca(HC0 ₃ ) ₂ ， 所述 Si源优选为 Si0 ₂ 、 白炭黑或者气溶 硅。

所述粘结剂优选为羧甲基纤维素钠 (CMC),其用量优选为球磨所得粉料质量的 2%〜4%。 所配浆料中的含水率优选为 30%〜70%。

所述烧结炉优选为硅钼炉。 所述鼓风千燥的温度优选控制在 80〜120Ό , 干燥时间优选为 9〜15小时。 所述烧成制度优选为分段进行， 不同温度段的升温速度不同， 烧成温度优选控制在 12001>〜1400 ， 并优选于烧成温度下保温 2〜4小时。

所述保温结束后， 优选将样品立即由炉 Φ取出并急冷。

本发明还提供一种根据前述方法制备的 -硅酸二钙生物陶瓷支架。

作为一个完整的技术构思， 本发明提供一种上述的 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架在骨组 织工程中的应用， 即可将种有成骨细胞的 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架植入体内以修复� �替 代体内缺损或坏死的骨组织。

与现有技术相比； 本发明的优点在于： （】）本发明所制备的 硅酸二钙多孔生物陶瓷支 架的抗压强度为 18〜30MPa, 达到甚至超过了人体内松质骨的机械强度， 可用于修复松质骨 损伤。 （2) 本发明采用模板法制备工艺， 具有可塑性强、 产品形状和尺寸可控的特点。 （3 ) 通过工艺控制， 本发明制备的 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架内部和表面均为� �通孔结构， 大 大提高了支架中的物质交换速率和效率， 为细胞的增殖和组织的修复再生提供了更为有 效且 真实的微环境， 细胞可在支架里外良好的贴 ffl-生长并增殖。

由此， 本发明所阐述的 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架是一种极具应 ffl前景的组织工程支 架材料。

附图说明

图 1为本发明实施例 1制得的 -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的微观形貌显微� �片。 图 2为本发明实施例 1制得的 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架种植细胞后的显� �照片； 其 中， Α图、 B图分别为细胞培养 7天、 U天后的显微照片。

图 3为本发明实施例 2制得的 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的微观形貌显微� �片。 图 4为本发明实施例 2制备的 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架种楦细胞后 7天的显微照片。 具体实施方式

实施例一

-种如图 1 所示的本发明的 13 -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架； 该 硅酸二钙多孔生物陶 瓷支架是以多孔有机聚氨酯泡沫作为前驱体经 浸渍挂浆后烧结而成。

如图 2所示的本发明的！ 3 硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法， 包括以下步骤：

( 1 ) 前驱体模板处理： 根据产品所需的形状和尺寸， 将聚氨脂海绵加工得到直径约为 19mm, 厚约为 10mm的圆柱体多孔支架模板； 再将该模板浸入 10%的 NaOH溶液中浸泡 6 小时， 此后将模板浸入蒸馏水中浸泡清洗 12小时， 并取出烘干备用。

(2)粉体的制备： 将（ (〕() ₃ 和 S ) ₂ 摩尔比 2 : 1配比， 同时添加上述粉料质量 0.8%的磷 酸三钙 （TCP) 作为稳定剂。 球磨采用 星球磨机球磨， 球磨机转速为 600r/min， 球磨时间 为 4.5小时。 球磨后的粉料立即取出烘千过 100目筛备用。

(3 )浸渍挂浆： 称取步骤 （2 ) 中的混合粉料， 加入其质量分数 2.5%的羧甲基纤维素钠 (CMC)作为粘结剂。 搅拌混合均匀后， 加入双重蒸馏水配成含水率为 40%的浆料， 搅拌均 匀。 将步骤（1 )制备的海绵前驱体浸入浆料中反复挤压浸渍� � 浸渍完成后取出并挤去多余浆 料。

(4) 千燥： 将步骤 （3 ) Φ得到的样品放入烘箱中于 90°C下千燥 12小时。

(5 ) 烧成： 千燥后的样品放入硅钼炉中烧结即可得到 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架。 烧成制度分段进行， 不同温度段的升温速度不同且进行严格控制。 烧成温度为 1250°C , 在烧 成温度下保温 4小时。 具体升温制度如下表所示- 表 1 : 升温制度

序号 温度 /°c 时间 /min

00 0 10

01 100 10

02 200 10

03 300 80

04 410 130

05 800 100

06 950 100

07 1250 180

08 1250 0

： 保温结束后: ί 即将样品^炉 Φ取出， 置于空气环境中冷却。

本实施例制得的 β-硅酸二钙多孔生物陶瓷支架具有较高的幵孔 率， 支架为连通性开孔结 构, 孔径大小为 300-550μηι, 且分布均匀， 抗压强度为 18~28ΜΡα» 将本实施例制得的 β-硅 酸二钙多孔生物陶瓷支架用于细胞培养实验， 种植骨肉瘤细胞 （MG 63 细胞） 后观察细胞 的生长情况。 细胞培养 7天后的 SEM图片显示 MG- 63细胞己有大量增殖， 细胞在支架中正 常贴附（如图 2A); 培养 11天后支架中连续范围的大面积区域均可观察� ��细胞， 细胞在支架 中充分覆盖， 细胞与细胞间接触良好,细胞分泌大量细胞外� �质 （如图 2Β ), 呈现好良好的生

实施例二

本实施例采用另外一种本发明的 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架的制备方法， 包括以下步 ( 1 ) 前驱体模板处理： 根据产品所需的形状和尺寸， 将聚氨脂海绵加工得到直径约为 19mm, 厚约为 10mm的圆柱体多孔支架模板； 再将该模板浸入 10%的 NaOH溶液中浸泡 6 小时， 此后将模板浸入蒸馏水中浸泡清洗 12小时， 并取出烘干备用。

(2 )粉体的制备： 将 CaC0 ₃ 和 Si0 ₂ 摩尔比 2 : 1配比， 同时添加上述粉料质量 2.2%的磷 酸三钙 （TCP) 作为稳定剂。 球磨后立即取出烘千过 100目筛备用。

( 3 )浸渍挂浆： 称取步骤 （2) 中的混合粉料， 加入其质量分数 3.5%的羧甲基纤维素钠 ( CMC)作为粘结剂。 搅泮混合均匀后， 加入双重蒸馏水配成含水率为 60%的浆料， 搅稃均 匀。 将歩骤（1 )制备的海绵前驱体浸入浆料中反复挤压浸渍� � 浸渍完成后取出并挤去多余浆 料。

(4 ) 干燥： 将步骤 （3 ) 中得到的样品放入烘箱中于 110°C下干燥 14小时。

( 5 ) 烧成： 干燥后的样品放入硅钼炉中烧结即可得到 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架。 烧成制度分段进行， 不同温度段的升温速度不同且进行严格控制。 烧成温度为】 350°C， 在烧 成温度下保温 4小时。 具体升温制度如下表所示：

表 2: 升温制度

序号 温度八〕 时间 rrdn

00 0 10

01 100 10

02 200 10

03 300 80

04 410 130

05 800 100

06 950 115

07 1350 180

08 1350 0

( 6) 冷却： 保温结束后立即将样品从炉中取出， 置于空气环境 Φ冷却。

本实施例制得的 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架如图 3 所示， 具有较高的开孔率， 支架 为连通性开孔结构， 孔径大小为 300- 550μηι, 且分布均匀， 抗压强度为 24〜30MPa。 将本实 施例制得的 β -硅酸二钙多孔生物陶瓷支架用于细胞培养实� �， 种植骨肉瘤细胞 （MG- 63细 胞） 后观察细胞的生长情况。 将细胞固定后通过 SEM 电镜观察发现， MG-63细胞在支架上 能够正常贴^生长， 细胞在支架丄的形态正常， 且培养 7天后细胞出现明显的增殖， 在支架 中可观察到细胞呈连续范围地覆盖在支架中， 细胞分泌大量的细胞外基质， 呈现出良好的生 物活性， 由此也说明本支架不仅机械强度高， 而且具有良好的生物相容性。