本發(fā)明涉及生物陶瓷支架材料的制備方法。

背景技術(shù)：

目前，臨床上通過移植人工骨的方法來治療骨缺損病人已經(jīng)變得十分普遍。不管人工骨來源于何種材料，其移植成功的關(guān)鍵在于術(shù)后移植骨內(nèi)能否有正常的新生骨組織長(zhǎng)入。其主要體現(xiàn)在：1、骨移植處是否產(chǎn)生足量的新生骨；2、在移植骨與正常骨組織連接處是否產(chǎn)生牢固的結(jié)合。值得注意的是，目前臨床上大部分的骨移植都只能起到骨替代的作用，還無法讓新生骨很好地長(zhǎng)入移植物內(nèi)并使之融為一體。這也意味著移植骨在患者體內(nèi)存在著耗損、老化的風(fēng)險(xiǎn)。并且大段骨移植后骨折的愈合是個(gè)復(fù)雜的過程，其愈合時(shí)間的延長(zhǎng)增加了植入物引起異物感染的幾率，感染后則導(dǎo)致更大范圍的假體周圍骨溶解。那么，提高人工移植骨的成骨性能和骨融合率，也就意味著提高了整個(gè)骨移植手術(shù)的成功率。因此，如何提高人工骨組織材料的成骨性能和與骨融合率受到了廣泛的關(guān)注。HA/ZrO₂復(fù)合材料在體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)中顯示出完全的生物相容性，在骨組織、肌肉組織界面沒有不良反應(yīng)，細(xì)胞毒性試驗(yàn)和溶血試驗(yàn)的反應(yīng)是微弱的、可接受的）。因此，ZrO₂梯度復(fù)合HA組織工程骨為骨移植提供良好的替代材料。研究顯示HA/ZrO₂致密復(fù)合材料，平均抗彎強(qiáng)度達(dá)898.67 MPa，最高可達(dá)1112.4MPa，KⅠC可達(dá)7.3-11.4 MPa.m^1/2，遠(yuǎn)超過人體自然骨強(qiáng)度。而致密體強(qiáng)度過大同時(shí)也帶來應(yīng)力遮蔽的問題。而將HA/ZrO₂致密體制成泡沫陶瓷材料后通過改變空隙率來調(diào)節(jié)其強(qiáng)度，得到力學(xué)性能最貼近自然骨結(jié)構(gòu)的高仿真人工骨材料，這也是HA/ZrO₂泡沫陶瓷材料的最大優(yōu)勢(shì)所在。

HA具有與人體硬組織相似的化學(xué)成分結(jié)構(gòu)，HA材料植入人體后，在體液的浸潤(rùn)下，會(huì)被部分降解并釋放出人體所必需的鈣、磷元素，并被組織吸收、利用，結(jié)合入新的組織，從而使HA和人體骨組織獲得良好的結(jié)合。單純HA作為支架材料存在強(qiáng)度低、韌性差、脫粒等缺陷。二氧化鋯（ZrO₂）陶瓷材料正好具有較高的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和較低的彈性模量，并且ZrO₂也具有一定的生物相容性。用ZrO₂作為HA增強(qiáng)體后可獲得力學(xué)性能和生物相容性俱佳的生物復(fù)合材料。而致密體強(qiáng)度過大同時(shí)也帶來應(yīng)力遮蔽的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的提供一種基于干鋪-燒結(jié)技術(shù)制備的骨修復(fù)生物陶瓷支架材料的制備方法，該方法制備的骨修復(fù)生物陶瓷支架材料孔隙率高，孔徑大小合適，不僅使羥基磷灰石易于被降解吸收，而且骨組織易于長(zhǎng)入，融合速度快，與宿主骨牢固結(jié)合，不會(huì)產(chǎn)生明顯的異物反應(yīng)，生物相容性好。

為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案：

一種基于干鋪-燒結(jié)技術(shù)制備的骨修復(fù)生物陶瓷支架材料的制備方法，該方法包括以下的步驟：

1）聚氨酯泡沫模型材料預(yù)處理，提高材料的親水性和粘附性能；

2）在聚氨酯泡沫模型材料上掛漿，所述的掛漿包括2~4次，第一次掛漿，漿料中ZrO₂粉體的質(zhì)量百分比為55~70%；掛漿后置于室溫下自然干燥；然后放入烘箱中，在 100~120℃條件下烘干，使水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至1%以下；以后每次掛漿ZrO₂粉體的質(zhì)量百分比相對(duì)于前一次掛漿減少1%~5%，掛漿后以相同的方法干燥并烘干；

3）上述掛漿后預(yù)制體試樣采用了三段式燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)的步驟如下：

3.1）烘干階段：在室溫至90~110℃時(shí)，升溫速度為2~3℃/min；

3.2）揮發(fā)階段：在90~110℃至190~210℃時(shí)，控制升溫速度，1~2℃/min，在190~210℃至490~510℃時(shí)，控制升溫速度1~2℃/2min，升溫至490~510℃時(shí)，保溫1~1.5h，后升溫到490~510℃至700~800℃時(shí)，控制升溫速度為1~2℃/3min，升溫至700~800℃后，保溫1~1.5h，后升溫到700~800℃至1200~1300℃時(shí)，控制升溫速度為1~2℃/min；

3.3）高溫焙燒階段：后持續(xù)燒結(jié)溫度保持在2~4℃/min，到達(dá)1500~1600℃的最高燒結(jié)溫度后，再保溫2~4h并隨爐冷卻，得到ZrO₂多孔生物骨修復(fù)支架；

4）采取兩步法浸涂法涂覆梯度HA涂層；

4.1）第一次浸涂漿料，納米級(jí)HA粉末占漿料質(zhì)量的百分比為10~15%，納米級(jí)ZrO₂粉末占漿料質(zhì)量的百分比為25~35%，將燒結(jié)出的ZrO₂多孔生物骨修復(fù)支架浸入漿料，等完全浸透后取出，甩去多余漿料；90~110℃烘干4~6h，再加熱到800~1000℃保溫4~6h，最后加熱到1200~1300℃保持0.8~1.5；

4.2）第二次浸涂漿料，納米級(jí)HA粉末占漿料質(zhì)量的百分比為30~40%，納米級(jí)ZrO₂粉末占漿料質(zhì)量的百分比為2~5%，將被步驟4.1）燒結(jié)出的ZrO₂多孔生物骨修復(fù)支架浸入漿料，等完全浸透后取出，甩去多余漿料；90~110℃烘干4~6h，再加熱到800~1000℃保溫4~6h，最后加熱到1200~1300℃保持0.8~1.5；冷卻得到骨修復(fù)生物陶瓷支架材料。

作為優(yōu)選，步驟1）中將有機(jī)聚氨酯泡沫材料采用50~70℃、10~20wt% 氫氧化鈉溶液浸泡 3.0~4.0 h，用清水反復(fù)揉搓2~4遍，晾干；再以表面活性劑繼續(xù)對(duì)有機(jī)聚氨酯泡沫體材料進(jìn)行表面處理，最后用5% PVA浸泡20~30h后干燥。

作為優(yōu)選，步驟2）中第一次掛漿的漿料按質(zhì)量百分比計(jì)包括以下的組分：

ZrO₂粉體 55~70%

聚乙烯醇 0.2~1.0%

羧甲基纖維素 0.2~1.0%

硅溶膠 8~15%

聚丙稀酸銨 0.2~1.2%；

第一次掛漿以后每次掛漿ZrO₂粉體的質(zhì)量百分比相對(duì)于前一次掛漿減少1%~5%，其他成分不變。

作為優(yōu)選，步驟2）中掛漿制漿前ZrO₂粉體進(jìn)行預(yù)燒處理，處理溫度在30℃至800℃之間時(shí)升溫速度為2℃/min，800℃至1250℃之間時(shí)升溫速度為4℃/min，升溫至 1250℃后保溫4h完成粉體預(yù)處理。

作為優(yōu)選，步驟2）中漿料的制備過程如下：對(duì)原料進(jìn)行完全混合研磨后，采用粉球質(zhì)量比1：2，轉(zhuǎn)速300r/min的高速球磨機(jī)研磨3h以制取漿料，然后先將一定量去離子水和硅溶膠攪拌10 min，加入CMC 和消泡劑辛醇，ZrO₂粉體，再攪拌3 h，等待掛漿。

作為優(yōu)選，步驟4.1）中第一層漿料按質(zhì)量百分比計(jì)由以下的組分構(gòu)成：

ZrO₂粉末 25~35%

HA粉末 10~18%

雙蒸水 50~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纖維素 0.1~0.5%。

作為再優(yōu)選，步驟4.1）中第一層漿料按質(zhì)量百分比計(jì)由以下的組分構(gòu)成：

ZrO₂粉末 30~32%

HA粉末 12~15%

雙蒸水 50~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纖維素 0.1~0.5%。

作為優(yōu)選，步驟4.2）中第二層漿料按質(zhì)量百分比計(jì)由以下的組分構(gòu)成：

ZrO₂粉末 2~5%

HA粉末 30~40%

雙蒸水 55~65%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纖維素 0.1~0.5%。

作為再優(yōu)選，步驟4.2）中第二層漿料按質(zhì)量百分比計(jì)由以下的組分構(gòu)成：

ZrO₂粉末 3~4%

HA粉末 32~36%

雙蒸水 56~60%

磷酸乙酯 1.0~2.5%

乙基纖維素 0.1~0.5%。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供采用上述的方法制備得到的骨修復(fù)生物陶瓷支架材料。

本發(fā)明由于采用了上述的技術(shù)方案，先使用聚氨酯作為泡沫模型材料，進(jìn)行預(yù)處理，是得到的模型材料空隙率，親水性和粘附性有所改善，符合實(shí)驗(yàn)要求。再對(duì)ZrO₂粉體、漿料進(jìn)行掛漿，使得到的ZrO₂粉料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54%，整體漿料固相率調(diào)整至54%。掛漿后預(yù)制體試樣采用了三段式燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，得到HA/ZrO₂骨修復(fù)生物陶瓷支架材料。

HA/ZrO₂梯度復(fù)合材料本身具有一定表面粗糙度（1.95μm），而本實(shí)驗(yàn)將其制成蜂窩狀泡沫陶瓷后平均空隙率達(dá)72.99%，這使材料與新生骨的接觸表面積明顯增加，可使材料與自體骨間形成牢固的骨性結(jié)合。另外，HA/ZrO₂梯度復(fù)合材料在制備成蜂窩狀泡沫陶瓷之后同樣具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，可以滿足術(shù)后的即時(shí)穩(wěn)定性。

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有生物陶瓷材料一旦孔隙率增高就難以滿足對(duì)人工骨抗壓強(qiáng)度和韌性要求這一缺陷，在HA中加入納米ZrO₂顆粒以增強(qiáng)支架材料的抗壓強(qiáng)度和韌性，從而為骨缺損治療提供一種孔隙率高、抗壓強(qiáng)度大、韌性強(qiáng)的骨修復(fù)生物陶瓷支架。本發(fā)明骨修復(fù)生物陶瓷支架材料是納米ZrO₂與HA以適當(dāng)比例混合成漿料，再涂于適當(dāng)孔徑和孔隙率的聚氨脂海綿燒結(jié)而成。由于孔隙率高，孔徑大小合適，不僅使羥基磷灰石易于被降解吸收，而且骨組織易于長(zhǎng)入，融合速度快，與宿主骨牢固結(jié)合，不會(huì)產(chǎn)生明顯的異物反應(yīng)，生物相容性好，本發(fā)明生物陶瓷既可用于骨組織損傷修復(fù)，還可以用于體外細(xì)胞培養(yǎng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式泡沫陶瓷人工椎體尺寸圖。

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式泡沫陶瓷人工椎體超景深圖片。

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式術(shù)后12周椎體標(biāo)本及X片。

具體實(shí)施方式

下面以犬腰椎椎體HA/ZrO₂生物陶瓷支架材料作為實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。

1.1 模型有機(jī)泡沫材料預(yù)處理

采用聚氨酯作為泡沫模型材料，由于聚氨酯材料存在網(wǎng)絡(luò)間膜，而間膜的存在使?jié){料很難進(jìn)入泡沫體模型內(nèi)部，將造成堵孔、漿料無法均勻分布、燒結(jié)后的泡沫陶瓷的空隙率和力學(xué)性能較差。故需先將膜打通，使有機(jī)體泡沫形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。另外，有機(jī)泡沫模型存在親水性較差、潤(rùn)濕角小故漿料不易吸附。為改善泡沫體模型材料的掛漿性能，需要進(jìn)行預(yù)處理。將有機(jī)聚氨酯泡沫材料切割為高24cm、半徑9cm半圓柱型大小，采用60℃、15wt% 氫氧化鈉溶液浸泡 3.5 h，用清水反復(fù)揉搓3遍，晾干備用。處理后的有機(jī)聚氨酯泡沫材料由于被堿液腐燭，表面粗糙度明顯增加，故使其親水性和粘附性能有所改善。再以表面活性劑繼續(xù)對(duì)有機(jī)聚氨酯泡沫體材料進(jìn)行表面處理，最后用5% PVA浸泡24h后干燥。

1.2 ZrO₂粉體、漿料的制備

采用箱式電阻爐對(duì)粉體進(jìn)行預(yù)燒處理，處理溫度在30℃至800℃之間時(shí)升溫速度為2℃/min，800℃至1250℃之間時(shí)升溫速度為4℃/min，升溫至 1250℃后保溫4h完成粉體預(yù)處理。漿料制備采用添加劑配比：聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纖維素（CMC）的含量均為0.5%，加入10% 硅溶膠，聚丙稀酸銨(PAA-NH₄)的含量為0.6%。首次掛漿加入ZrO₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，故整體漿料固相率約為60%。對(duì)原料進(jìn)行完全混合研磨后，采用粉球質(zhì)量比1：2，轉(zhuǎn)速300r/min的高速球磨機(jī)研磨3h以制取漿料，然后先將一定量去離子水和硅溶膠攪拌10 min，加入CMC 和消泡劑辛醇，ZrO₂粉體，再攪拌3 h，等待掛漿。將掛漿過程中有機(jī)泡沫內(nèi)部多余漿料通過擠壓法去除，保證其通孔率。再將試樣置于室溫下18h~24 h后自然干燥。然后放入烘箱中，在 110℃條件下烘干12 h，使水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至1%以下。然后進(jìn)行第二次研磨、掛漿，采用同樣添加劑配比，但加入ZrO₂粉料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至57%，使整體漿料固相率降至57%。第二次起使用離心掛漿法，即先將未處理有機(jī)泡沫材料放入離心管底部，以便于隔離甩出的漿料，再將浸泡好的含漿料有機(jī)泡沫放入，1500r/min離心1min。經(jīng)過相同工藝烘干后行第3次掛漿，第3次同樣采用前兩次添加劑配比，但ZrO₂粉料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54%，整體漿料固相率調(diào)整至54%。

1.3 ZrO₂陶瓷的燒結(jié)

對(duì)上述掛漿后預(yù)制體試樣采用了三段式燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，分別為（1）烘干階段：在室溫至100℃時(shí)，升溫速度為2℃/min，目的使預(yù)制體試樣內(nèi)殘余的水分揮發(fā)。（2）揮發(fā)階段：在100℃至200℃時(shí),控制升溫速度為1℃/min，在200至500℃時(shí)，控制升溫速度在1℃/2min，升溫至500℃時(shí)，保溫1h，后升溫到500至750℃時(shí)，控制升溫速度為2℃/3min，升溫至750℃后，保溫1h，后升溫到750至1200℃時(shí)，控制升溫速度為2℃/min。（3）高溫焙燒階段：后持續(xù)燒結(jié)溫度保持在3℃/min，到達(dá)1550℃的最高燒結(jié)溫度后，再保溫3h并隨爐冷卻。得到高24cm、半徑9cm半圓柱型純ZrO₂人工椎體。

1.4 在純ZrO₂泡沫陶瓷人工椎體表面浸涂HA 梯度涂層

采取兩步法浸涂法涂覆梯度HA涂層。第一次浸涂漿料配比為：ZrO₂粉體31.1%、HA粉體13.3%，磷酸乙酯1.4%，乙基纖維素0.2%，雙蒸水53%。先將HA粉體加熱至800℃后保溫2h預(yù)處理，再將上述原料在50℃熱水中混合，并攪拌5h。將燒結(jié)出的純ZrO₂泡沫陶瓷人工椎體浸入漿料，等完全浸透后取出，甩去多余漿料。100℃烘干5h，再加熱到900℃保溫5h，最后加熱到1250℃保持1h。第二次浸涂漿料配比為：ZrO₂粉體3.9%，HA粉體35.5%，磷酸乙酯1.4%，乙基纖維素0.2%，雙蒸水58%，配置好漿料后重復(fù)上述步驟。得到HA/ZrO₂梯度復(fù)合泡沫陶瓷人工椎體。

上述只的HA/ZrO₂梯度復(fù)合泡沫陶瓷人工椎體的具體數(shù)據(jù)為平均孔隙率77.47%，平均抗壓強(qiáng)度10.25 MPa，體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)（MTT）（—）。