自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架的製備方法及應用與流程

2023-05-21 13:11:47

本發明屬於生物醫用材料技術領域，具體涉及自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架的製備方法及應用。

背景技術：

生物活性玻璃以其優良的成骨性能廣泛應用於骨修復領域。目前生物活性玻璃骨修復產品多為粉末狀，只能用於修復無力學支撐的腔隙性骨缺損。將生物活性玻璃製備成支架形式則可實現需要一定力學支撐部位的骨缺損修復。由於生物活性玻璃顆粒間本身無粘結性，而通過高溫燒結成型則出現結晶降低其生物活性。採用粘結劑與生物活性玻璃配合可製備出具有一定形狀的支架，然而粘結劑的使用存在製備條件苛刻、粘結劑不降解或降解產物毒性等諸多問題。

近年來，生物活性玻璃的製備在傳統溶膠-凝膠法的基礎上，將模板法與溶膠-凝膠法相結合，實現了生物活性玻璃粉體的粒徑、形貌、微觀結構、組分的可控制備。其中採用鹼催化結合模板法製備的生物活性玻璃粉體鈣難以進入矽氧網絡，而附著於顆粒外層。通過高溫燒結也只能位於材料淺層，當與水接觸時，粉體表面的矽氧網絡迅速破壞，可實現鈣在短時間內迅速溶出。

本發明在本人已申請發明（一種微納米棒狀生物活性玻璃及其製備方法與應用，申請號：201410466383.1；一種生物玻璃-海藻酸鈉複合生物材料及試劑盒和應用，申請號：201510038543.7）的基礎上，充分利用鹼催化法製備生物活性玻璃可使Ca2+迅速溶出的特徵，以生物活性玻璃本身的鈣為交聯所需鈣源。將一定濃度海藻酸鈉溶液引入支架內部，使支架本身溶出的Ca2+與海藻酸鈉發生自交聯，製備生物活性玻璃/海藻酸鈉支架。從而在保證支架成型，具備一定機械強度的基礎上，避免了粘結劑、交聯劑的使用。

技術實現要素：

本發明提供了自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架的製備方法及應用，該支架僅有生物活性玻璃和海藻酸鈉兩種組分，通過生物活性玻璃釋放出的Ca2+與海藻酸鈉發生交聯從而使支架成型。

本發明通過以下技術方案實現。

自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架的製備方法，該方法步驟如下：

將生物活性玻璃支架浸入海藻酸鈉溶液中，然後抽真空使兩者充分混合，再交聯養護，使鹼催化製備的生物活性玻璃納米微球製備的生物活性玻璃支架釋放出的Ca2+與海藻酸鈉發生充分自交聯，後乾燥製得自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架。

優選的，所述生物活性玻璃支架製備過程中所用的生物玻璃納米微球採用鹼催化法製備，具體參照本人已申請發明（申請號：201410466383.1，201510038543.7），顆粒形貌優選微球或棒狀，粒徑優選100~700nm，但不局限於這些參數。

優選的，所述鹼催化法中的催化劑為氨水或十二胺。

優選的，所述生物活性玻璃支架採用3D列印法、添加造孔劑法、聚合物泡沫模板法或冷凍成型法製備，製備完成後通過低於600℃熱處理去除有機物。

優選的，所述海藻酸鈉溶液的濃度為0.1~7wt%。

優選的，所述生物活性玻璃支架與海藻酸鈉溶液的質量比為1:0.5~1:5.

優選的，所述交聯養護的時間為1~24小時。

優選的，所述乾燥的溫度為20~60℃。

由以上所述的製備方法製得的自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架可應用於骨缺損部位的修復。優選的，應用於需一定力學支撐或需維持一定形狀的骨缺損部位的修復。

進一步地，本發明的優選方案如下：

(1) 製備生物玻璃納米微球：採用鹼催化法製備生物玻璃納米微球，具體製備方法參照發明（申請號：201410466383.1，201510038543.7）。優選十二胺或氨水為催化劑，但不局限於這兩種。顆粒形貌優選微球或棒狀，粒徑優選100~700nm，但不局限於這些參數。

(2) 製備生物活性玻璃支架初型：採用3D列印法、添加造孔劑法、聚合物泡沫模板法或冷凍成型法等方法製備生物活性玻璃支架，為確保支架製備完成後僅有生物活性玻璃單一組分，可採用不高於600℃的溫度煅燒，除去有機物，同時保證生物活性玻璃不結晶。

(3) 製備自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架：將步驟(2)生物活性玻璃支架初型浸泡入0.5~7wt%的海藻酸鈉溶液，真空乾燥箱內抽真空，使海藻酸鈉溶液充分進入支架內部。在恆溫恆溼箱中養護6~24小時後自然晾乾即得到自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架。

優選的，步驟(3)中海藻酸鈉溶液濃度為3~5 wt%。

優選的，步驟(3)中生物活性玻璃支架與海藻酸鈉溶液的質量比為1:2~1:4.

與現有技術相比，本發明具有如下優點與技術效果：

本發明的製備方法簡單，且製備的自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架僅有生物活性玻璃和海藻酸鈉兩種成分，無需另外添加粘結劑和交聯劑等其他物質，在保證優良成骨性能的同時具有良好的生物安全性。同時將鈣暫時儲存在交聯網絡中起到鈣緩釋的目的。該方法所製備支架抗壓強度可達到2.2 MPa，可用於需一定力學支撐或需維持一定形狀的骨缺損部位的修復。

附圖說明

圖1是實施例1所製備的鹼催化的生物玻璃納米微球的掃描電鏡圖；

圖2是實施例1中採用3D列印方法製備的自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架最終產品的數碼照片；

圖3是實施例1製備的自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架表面的掃描電鏡圖；

圖4是實施例1製備的自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架斷面的掃描電鏡圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。

實施例1

採用3D列印法製備自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架，其製備方法如下：

(1) 製備鹼催化的生物玻璃納米微球：

生物玻璃納米微球由溶膠凝膠法結合模板法製得，具體合成過程如下：先將40g十二胺溶於250 ml去離子水和800 ml無水乙醇的混合溶劑中，40℃水浴磁力攪拌；待十二胺完全溶解後，加入160ml正矽酸乙酯；攪拌30 min 後，加入104.9ml磷酸三乙酯; 再次攪拌30min 後，加入242.1g四水硝酸鈣；將得到的溶液在40℃下繼續攪拌3小時，此過程中由於白色沉澱的生成，溶液逐漸變得渾濁；最後將玻璃溶膠離心後所得的白色沉澱60℃乾燥24小時後，650℃熱處理3小時即得到鹼催化的生物玻璃納米微球，掃描電鏡圖如圖1所示。

(2) 製備生物活性玻璃支架初型：

本實施例採用3D列印法製備，將10g生物玻璃納米微球、0.67g甲基纖維素和5 ml去離子水混合均勻後製備漿料。在3D印表機上將支架列印完成後烘乾， 300℃煅燒2小時去除有機物。

(3) 製備自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架：

將第(2)步製備的生物活性玻璃支架初型浸泡入4wt%的海藻酸鈉溶液中（質量比1:3），真空乾燥箱內抽真空1小時，在37℃、100%溼度的恆溫恆溼箱中養護12小時使其充分交聯後自然晾乾，即得到自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架。採用該方法製備支架最終產品的數碼照片如圖2所示；支架表面掃描電鏡圖如圖3所示。本實施例製備的自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架斷面的掃描電鏡圖如圖4所示，可見廣泛的生物活性玻璃微球間的交聯橋存在。本實施例所製備的自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架的抗壓強度可達到2.2 MPa。

實施例2

採用添加造孔劑法製備自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架，其製備方法如下：

(1) 製備鹼催化的生物玻璃納米微球：

生物玻璃納米微球由溶膠凝膠法結合模板法製得，具體合成過程如下：先將40g十二胺溶於250 ml去離子水和800 ml無水乙醇的混合溶劑中，40℃水浴磁力攪拌；待十二胺完全溶解後，加入160ml正矽酸乙酯；攪拌30 min 後，加入104.9ml磷酸三乙酯; 再次攪拌30min 後，加入242.1g四水硝酸鈣；將得到的溶液在40℃下繼續攪拌3小時，此過程中由於白色沉澱的生成，溶液逐漸變得渾濁；最後將玻璃溶膠離心後所得的白色沉澱60℃乾燥24小時後，650℃熱處理3小時即得到鹼催化的生物玻璃納米微球。

(2) 製備生物活性玻璃支架初型：

本實施例採用添加造孔劑法製備，將8g生物玻璃納米微球和12g澱粉混合均勻後在圓柱形模具內模壓成型，經800℃煅燒後得到生物活性玻璃支架初型。

(3) 製備自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架：

將第(2)步製備的生物活性玻璃支架初型浸泡入7wt%的海藻酸鈉溶液中（質量比1:3），真空乾燥箱內抽真空3小時，在37℃、100%溼度的恆溫恆溼箱中養護24小時使其充分交聯後60℃乾燥12小時，即得到微觀結構與實施例1相同的自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架。本實施例所製備的自交聯生物活性玻璃/海藻酸鈉支架的抗壓強度可達到2.2 MPa。