一種可降解多孔生物活性玻璃支架及其製備方法
2023-07-19 22:27:06 1
專利名稱：一種可降解多孔生物活性玻璃支架及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種用於硬組織修復和作為組織工程細胞支架的多孔可降解生物活性玻璃支架材料及其製備方法，屬生物材料領域。
背景技術：
自1971年Hench首次報導生物活性玻璃能與骨組織成鍵結合(1)以來，生物活性玻璃的研究已有30多年的歷史。作為骨缺損修復在臨床上使用已十多年。成功的臨床應用來源於它不僅有骨引導性，而且有促進骨組織生長的生物活性。最近很多研究表明，生物活性玻璃的降解產物能促進生長因子的生成、促進細胞的繁衍、活化成骨細胞的基因表達。不僅如此，生物活性玻璃目前是唯一既能與骨組織成鍵結合，也能與軟組織相連接的人工生物材料。這些獨特的特性，使生物活性玻璃作為醫療器械在臨床上應用具有巨大的潛在價值，引起學術界和產業界較大關注。儘管其良好的生物相容性和生物活性，生物活性玻璃作為臨床應用產品目前只有一種顆粒狀的型式。作為骨缺損修復，臨床上常需具有一定力學強度的多孔塊狀支架材料來填充修復。現世界上極為關注的、發展較快的組織工程學也需要活性的多孔支架材料作為細胞載體。
過去的研究表明，除了材料的組成之外，材料的結構在很大程度上會直接影響到材料的臨床應用。孔徑在50-500微米的多孔塊體生物材料最適合作為硬組織修復材料和細胞支架材料。孔徑在這個範圍的多孔生物材料的優點是有利於細胞植入或遷移、組織長入及材料與活體組織的融合從而更有效地達到修復人體組織缺損和組織重建的目的。此外，在近幾年迅速發展的組織工程學研究中，可降解的多孔生物材料是一個必不可少的部分。以多孔支架作為細胞載體，讓細胞在基質材料中生長並構建含有本體細胞基因信息的活體組織，再植入人體中以修復缺損組織和器官。因此，可降解多孔生物活性玻璃支架材料作為硬組織缺損修復材料和用於體外骨組織培養的細胞支架有著廣泛的應用前景。
Ducheyne等採用熱壓法並以無機鹽如碳酸鈣、碳酸氫鈉等作為造孔劑製備CaO-SiO2-Na2O-P2O5系多孔生物活性玻璃支架(美國專利；申請號5676720、5811302)用於作為細胞支架在體外培養骨組織。但是，該方法採用的熱壓方法生產成本高，且以無機鹽為造孔劑燒結後的殘留組分會影響材料的組成，因此不易控制成品材料的組成。Yuan等人採用雙氧水為發泡劑，在1000℃燒結製備多孔45S5生物玻璃支架，這種方法製備的支架也具有生物活性，能與骨組織發生鍵合(J.Biomed.Mater.Res；58270-267，2001)。但根據我們的實驗結果，在1000℃下燒結會使玻璃大量結晶並導致降解性下降。此外，以雙氧水為發泡劑造孔較難控制材料的孔徑和氣孔率。
力學強度是多孔生物活性玻璃支架材料的一個重要性能。研究結果顯示，抗壓強度小於1MPa時，支架材料的可應用性差，在作為細胞支架或骨損傷修復材料使用過程中極易破損，從而大大影響使用效果。在以往的專利文獻中沒有發現有關多孔生物活性玻璃支架抗壓強度指標的報導。能否通過工藝控制使製備的多孔生物活性玻璃支架材料的抗壓強度根據需要控制在一定範圍內，以達到滿足不同的應用需要，從而引出本發明的目的。
發明內容
本發明的目的在於通過優化工藝開發出一種新的具有優良生物活性和生物可降解性，同時孔徑和孔隙率可控且具通孔的多孔生物活性玻璃支架，作為硬組織缺損修復材料和體外骨組織培養用細胞支架材料，而強度可依需要控制在1-16MPa範圍內，以滿足新一代生物材料發展和臨床應用的需要。
本發明是以玻璃粉體為原料，加入有機造孔劑，經幹壓或注漿成型後再在適當溫度下燒結，得到具有不同氣孔率、孔徑和孔結構、抗壓強度和降解性的多孔生物活性玻璃支架。該生物活性玻璃支架的化學組成為CaO24-45％，SiO234-50％，Na2O 0-25％，P2O55-17％，MgO 0-5，CaF20-1％。採用本發明提供的方法可以製備具有不同形狀的多孔生物活性玻璃支架。通過工藝控制可以使生物活性玻璃支架有部分磷酸鈣和/或矽酸鈣結晶析出並以此來根據需要控制多孔材料的降解性和力學強度。
本發明的多孔生物活性玻璃支架材料在人體模擬體液中具有良好的生物活性，在數小時內即可釋放出矽離子，並在表面沉積類骨羥基磷灰石微晶。此外，本發明的多孔生物活性玻璃還具有可降解性，體外溶解性實驗顯示在模擬體液環境下5天的降解率約2-30％。因此，本發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學特性，又具有良好的可降解性。
本發明的另一特點是通過控制工藝條件使材料既具有較高的孔隙率(40-80％)和合適的孔徑(50-600微米)，又具有適當的力學強度(抗壓強度為1-16MPa)。
綜上所述，本發明的多孔生物活性玻璃作為硬組織缺損修復材料和體外骨組織培養用細胞支架材料具有獨特優勢。
本發明具體實施方法如下1、材料製備本發明的生物活性玻璃粉體是通過熔融方法製備得到的。所用的無機原材料均為分析純。將化學試劑按不同組分需要稱量和混勻後在1380-1480℃下熔融，再經冷卻、粉碎、過篩得到顆粒度為40-300um的玻璃粉體。以此為主要原料，分別採用不同工藝製備出各類多孔生物活性玻璃支架材料。本發明採用的造孔劑是聚乙二醇、聚乙烯醇、石蠟、聚苯乙烯-二乙烯苯等有機或高分子材料中的一種，其顆粒度範圍是50-600微米。採用一定顆粒度範圍的20-70％(質量)的造孔劑同生物活性玻璃粉體混合，之後可以採取兩種成型方法，第一種是幹壓法，即在上述的混合料中加入1-5％濃度為5-10％的聚乙烯醇作黏結劑，混合均勻後，在鋼模中以2-20MPa的壓力幹壓成型得本發明的多孔材料素坯，最後在750-900℃溫度下煅燒1-5小時燒結；第二種方法是凝膠注模成型方法，即先配製如下質量百分比濃度的水溶液，20％的丙烯醯胺單體、2％的N、N』-亞甲基雙丙烯醯胺交聯劑和5-10％的聚丙烯酸胺分散劑，按體積百分比30-60％的比例將上述混合料同上述水溶液混合均勻，加入質量百分比1-5％的過硫酸銨、質量百分比1-5％的N、N、N』、N』-四甲基乙二胺，攪拌均勻得流動性和均勻性均較好的漿料，將漿料倒入塑料或石膏模具內凝膠注模成型，並在30-80℃引發單體的交聯反應1-10小時，之後在100℃乾燥數小時得本發明的多孔材料素坯。然後先經400℃排塑，最後在750-900℃煅燒1-5小時得到本發明的多孔生物玻璃材料。
2、性能評價2.1多孔材料的力學強度對本發明得到的系列樣品在日本島津公司的AG-I精密萬能實驗機上測試抗壓強度。樣品的測試速度為5.0mm/min，測試表明本發明得到的多孔材料的抗壓強度的可控制在1-16MPa範圍內。
2.2多孔材料的孔隙率我們對本發明得到的部分樣品應用阿基米德法測試氣孔率，應用掃描電鏡(SEM)觀察孔形態和孔分布。測試表明本發明得到的多孔材料的孔隙率可控制在40-80％範圍內。
2.3生物活性評價將本發明得到的多孔材料先後經去離子水和丙酮洗滌、晾乾後進行體外溶液生物活性測試。所用的溶液為人體模擬體液(SBF；Simulated BodyFluid)。SBF含有與人體血漿相同的離子和離子團濃度。SBF組成為NaCl 7.996g/LNaHCO30.350g/LKCl 0.224g/LK2HPO4.3H2O 0.228g/LMgCl2.6H2O 0.305g/LHCl 1mol/LCaCl2 0.278g/LNa2SO4 0.071g/LNH2C(CH2OH)36.057g/L多孔材料在SBF中，反應條件為0.15g多孔材料、30.0mL/day SBF、37℃恆溫箱內。分別將多孔材料浸泡1、3和7天後，取出樣品並經過去離子水洗滌後做SEM、傅立葉紅外變換光譜(FTIR)和XRD測試，結果分別見圖3、圖4、圖5。生物活性實驗表明本發明得到的多孔生物活性玻璃支架材料能在表面誘導生成骨羥基磷灰石，從而表明這些材料具有良好的生物活性。
2.4降解性評價將本發明得到的多孔材料先後經去離子水和丙酮洗滌、烘乾後進行降解性實驗測試。我們通過該類多孔材料在SBF中浸泡不同的系列時間後釋放的SiO2的百分含量來評價材料的降解速度及降解性。例如以PEG為造孔劑，經幹壓成型和850℃煅燒後製得的氣孔率為40％的多孔生物活性玻璃支架在SBF中5天的降解率在10％-20％，可見本發明的多孔生物活性玻璃材料具有很好的降解性。
通過下面的結合附圖對本發明作進一步的詳細說明，可以更好地理解上文所述內容。其中，圖1為製備的多孔生物活性玻璃外觀照片。
圖2為製備的多孔生物活性玻璃斷面光學顯微鏡照片。
圖3為在不同溫度下製備的多孔生物活性玻璃的XRD圖譜；圖譜顯示在不同溫度下製備出的材料有不同程度的矽酸鈣和磷酸鈣晶體析出；(a)煅燒前生物活性玻璃粉體(b)800℃煅燒製備的生物活性玻璃支架(c)850℃煅燒製備的生物活性玻璃支架。
圖4為本發明的多孔生物活性玻璃材料在SBF(人體模擬體液)中浸泡前(A)和浸泡1天(B)和3天(C)後的SEM圖；照片顯示材料經SBF浸泡1天表面有大量羥基磷灰石晶體出現。
圖5為本發明的多孔生物活性玻璃材料在SBF中浸泡前、浸泡0、6小時、1、3和7天後的傅立葉變換紅外光譜(FTIR)圖；分析顯示經SBF浸泡6小時後即有羥基磷灰石峰出現。
具體實施例方式
下面通過本發明的實施例，進一步闡明本發明實質性特點和顯著的進步，但本發明決非限於實施例。
實施例1所用的原材料如上文所述。
將分析純SiO2，Na2CO3，CaCO3，P2O5等原料按比例均勻混合，在1420℃熔融成均質熔體，然後冷卻，粉碎，過篩得到粒徑在40-300um的生物活性玻璃粉體。該玻璃粉體的組成為CaO 24.5％，SiO245％，Na2O 24.5％，P2O56％。
將顆粒度為150-200微米的生物活性玻璃粉體與200-300微米的聚乙二醇粉體二者按質量百分比60∶40混合，加入濃度為6％的聚乙烯醇溶液作黏結劑，調均勻後，於14MPa壓力下幹壓成型，脫模得多孔材料的素坯。素坯在400℃下排塑，然後在850℃下燒結2小時製得本發明的多孔材料的抗壓強度約1.25MPa，孔隙率約56％。XRD如圖2(C)所示含有Ca4P2O9和CaSiO3。
將所得的多孔材料在SBF模擬體液中浸泡6小時、1、3和7天，並將浸泡後的樣品進行生物活性和降解性評價。圖4、5的結果顯示本發明的多孔生物活性玻璃材料經SBF中浸泡後，很快就在材料的表面上形成骨磷灰石層，具有很強的生物活性。在SBF中浸泡5天的生物降解率達14％，表明本發明得到的多孔生物活性玻璃支架具有良好的降解性，有望用作硬組織缺損修復或體外骨組織培養用細胞支架。
實施例2將分析純SiO2，CaCO3，Ca3(PO4)2、MgCO3、CaF2等原料按比例均勻混合，在1450℃熔融成均質熔體，然後冷卻，粉碎，過篩得到粒徑在40-300um的生物活性玻璃粉體。該玻璃粉體的組成為CaO 40.5％，SiO239.2％，MgO 4.5％，P2O515.5％，CaF20.3％。
將所得粉體按生物活性玻璃粉體與300-600微米的聚乙烯醇粉體質量百分比50∶50取料混合，得固體混合料。配製含20％的丙烯醯胺、2％的N、N』-亞甲基雙丙烯醯胺和8％的聚丙烯酸胺的水溶液，按體積百分比50∶50的比例將10克上述固體混合料同上述水溶液混合均勻，加入質量百分比3％的過硫酸銨和質量百分比3％的N、N、N』、N』-四甲基乙二胺數滴，攪拌均勻得流動性較好的漿料，將漿料倒入模具內凝膠注模成型，並在60℃引發單體的交聯反應3小時，之後在100℃乾燥12小時後脫模得本發明的多孔材料素坯。素坯在400℃下排塑，然後在850℃下燒結2小時製得本發明的多孔材料的抗壓強度約6.1MPa，孔隙率約55％。在模擬體液中浸泡3天後降解率為78％(溶出Si的質量百分比)。多孔材料的性能評價如實施例1。可用作硬組織缺損修復材料。
實施例3使用的原料和生物活性玻璃粉體的製備方法與實施例2同。
按質量比40∶60，將顆粒度為150-200微米的生物活性玻璃粉體與200-300微米的PEG粉混合，加入濃度為6％的聚乙烯醇溶液作黏結劑，調均勻後，於14MPa壓力下幹壓成型，脫模得多孔材料的素坯。素坯在400℃下排塑，然後在800℃下燒結製得本發明的多孔材料的抗壓強度約1.5MPa，孔隙率約65％。在模擬體液中浸泡3天後降解率為38％(溶出Si的質量百分比)。多孔材料的性能評價如實施例1。可用作體外骨組織培養細胞支架。
權利要求
1.一種可降解多孔生物活性玻璃支架，其特徵在於(1)玻璃支架組成是質量百分比為24-45CaO，34-50SiO2，0-25Na2O，5-17P2O5，0-5MgO以及0-1CaF2；(2)玻璃支架的孔隙率體積百分數為40-80；(3)玻璃支架的孔徑範圍為50-600微米，且孔是相互連通的；(4)玻璃支架含有磷酸鈣和/或矽酸鈣結晶析出。
2.按權利要求1所述的可降解生物活性玻璃支架，其特徵在於玻璃支架由質量百分比CaO24.5，SiO245，Na2O24.5和P2O56組成，孔隙率體積百分數為56，孔徑範圍為50-600微米。
3.按權利要求1所述的可降解生物活性玻璃支架，其特徵在於玻璃支架由質量百分比CaO 40.5，SiO239.2，MgO 4.5，P2O515.5和CaF20.3組成，孔隙率體積百分數為55。
4.按權利要求1所述的可降解生物活性玻璃支架的製備方法，其特徵在於它由下述兩種方法中任意一種製備；幹壓方法製備工藝為(1)先按質量百分比為CaO 24-45，SiO234-50，Na2O 0-25，P2O55-17，MgO 0-5以及CaF20-1組成稱量、混勻後在1380-1480℃熔融，再經冷卻、粉碎、過篩製得粒度為40-300微米的玻璃粉體，以此為支架主要原料；(2)在玻璃粉體中加入質量百分比為20-70的造孔劑，造孔劑為聚乙二醇、聚乙烯醇、石蠟或聚苯乙烯-二乙烯苯中一種或兩種，與步驟(1)中玻璃粉體均勻混合；(3)在步驟(2)的混合料中加入質量百分比為1-5，質量百分濃度為5-10％的聚乙烯醇粘結劑混勻後，在鋼模中以2-20MPa壓力成型，最後在750-900℃煅燒1-5小時；凝膠注模成型方法工藝為(1)先按質量百分比為CaO 24-45，SiO234-50，Na2O 0-25，P2O55-17，MgO 0-5以及CaF20-1組成稱量、混勻後在1380-1480℃熔融，再經冷卻、粉碎、過篩製得粒度為40-250微米的玻璃粉體，以此為支架主要原料；(2)在玻璃粉體中加入質量百分比為20-70的造孔劑，造孔劑為聚乙二醇、聚乙烯醇、石蠟或聚苯乙烯-二乙烯苯中一種或兩種，與步驟(1)中玻璃粉體均勻混合；(3)將質量百分比為20的丙烯醯胺單體、質量百分比為2的N、N』-亞甲基雙丙烯醯胺交聯劑和質量百分比為5-10的聚丙烯酸胺分散劑的水溶液按體積百分比30-60比例與步驟(2)的混合料混合均勻；(4)在步驟(3)所得的混合料中，加入質量百分比為1-5的過硫酸銨、質量百分比為1-5的N、N、N』、N』-四甲基乙二胺、攪拌成均勻漿料，倒入模具內凝膠注模成型，於30-80℃溫度下引發單體交聯反應後100℃乾燥製成素坯；(5)步驟(4)所得的素坯先在400℃排塑，最後在750-900℃煅燒1-5小時。
5.按權利要求4所述可降解生物活性玻璃支架的製備方法，其特徵在於所述的造孔劑顆粒度範圍為50-600微米。
6.按權利要求4所述可降解生物活性玻璃支架的製備方法，其特徵在於凝膠成型製備工藝中使用的模具或為塑料模具，或為石膏模具，漿料交聯反應時間為1-10小時。
7.一種可降解生物活性玻璃支架，其特徵在於它用作硬組織缺損修復材料或體外骨組織培養用細胞支架。
全文摘要
本發明涉及可降解多孔生物活性玻璃支架材料的製備方法，屬生物材料領域。其特徵在於玻璃支架組成的質量百分比為24－45 CaO，34－50 SiO
文檔編號C12N11/00GK1562834SQ200410017240
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月26日 優先權日2004年3月26日
發明者常江, 顧衛明, 鍾吉品 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所