本發(fā)明涉及骨缺損修復(fù)醫(yī)用材料領(lǐng)域，特別涉及一種三維連通的蜂窩狀多孔磷酸鈣陶瓷人工骨材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

骨缺損常常需要通過(guò)植入人工骨來(lái)修復(fù)，多孔磷酸鈣陶瓷是一種理想的人工骨材料。近年來(lái)，多孔磷酸鈣陶瓷的制備和性能已成為一個(gè)重要的研究方向。多孔磷酸鈣陶瓷是指在連續(xù)固相基體中分布著大量孔隙的磷酸鈣陶瓷，其中影響孔隙結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)包括孔徑、孔隙率、連通徑等。一般認(rèn)為100～500μm的孔徑分布適合骨組織長(zhǎng)入的需要，該范圍的孔徑能夠?yàn)槌晒羌?xì)胞的粘附和組織的長(zhǎng)入提供合適的結(jié)構(gòu)環(huán)境。具有大孔徑的孔隙不僅能增加接觸面積，改善抗移動(dòng)能力，還能提高為長(zhǎng)入植入材料的骨組織供應(yīng)血液的能力。對(duì)于骨組織的長(zhǎng)入來(lái)說(shuō)，孔徑大于100μm的孔隙有助于軟骨成骨，只有孔徑在300μm以上的孔隙才有利于直接成骨及血管的生成。較高的孔隙率有助于蛋白質(zhì)的吸附和細(xì)胞的粘附、增殖，但是過(guò)高的孔隙率會(huì)造成生物陶瓷結(jié)構(gòu)上的不完整性，降低機(jī)械強(qiáng)度，一般認(rèn)為孔隙率要在50％以上。三維連通孔有助于細(xì)胞在其中連接成片，生成組織和器官，同時(shí)有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和代謝產(chǎn)物的排出。因此，三維連通孔的作用尤為重要。三維連通孔的連通度越高，越有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的在孔隙內(nèi)的傳遞，也越有利于新生骨組織在支架上生長(zhǎng)。三維連通孔的孔徑要足夠大，以便能夠提供充分的血液供應(yīng)，但過(guò)大的連通孔孔徑將降低支架的力學(xué)性能，一般認(rèn)為三維連通孔要大于50μm。

目前的多孔磷酸鈣陶瓷制備方法有很多種，包括添加造孔劑法、有機(jī)模板法、冷凍干燥法、氣體發(fā)泡法等，這些方法都能在磷酸鈣陶瓷基體中引入孔隙，但是在這些孔結(jié)構(gòu)中普遍存在孔隙隨機(jī)分布、孔徑難以控制、孔之間的連通率不高、力學(xué)強(qiáng)度低等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于一種三維連通的蜂窩狀多孔磷酸鈣陶瓷人工骨材料，具有較高的孔隙率、規(guī)則排列的孔形貌和大小可控的孔徑以及較高的機(jī)械強(qiáng)度。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述三維連通的蜂窩狀多孔磷酸鈣陶瓷人工骨材料的制備方法，操作簡(jiǎn)單，成本低，連續(xù)生產(chǎn)，容易機(jī)械切割、可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種三維連通的蜂窩狀多孔磷酸鈣陶瓷人工骨材料，在磷酸鈣陶瓷人工骨材料上呈蜂窩狀分布有多個(gè)縱向的直通孔；在直通孔的孔壁上，分布有多個(gè)橫向貫通孔，將相鄰的直通孔貫通。

所述多個(gè)橫向貫通孔隨便分布在直通孔的孔壁上。

所述橫向貫通孔呈圓形或橢圓形，其直徑或長(zhǎng)徑大于孔壁的厚度。

所述直通孔的孔形狀為方形、平行四邊形、三角形、圓形、六角形中的一種。

多個(gè)直通孔的孔道形貌、孔徑一致，孔徑在300～1000μm。

所述的三維連通的蜂窩狀多孔磷酸鈣陶瓷人工骨材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)泥團(tuán)制備：將粘結(jié)劑和造孔劑添加到磷酸鈣粉體中，混合均勻，得到固相；其中每100g磷酸鈣粉體中，加入造孔劑的量為1～40g，加入粘結(jié)劑的量1～20g；

將離子水、增塑劑、脫模劑混合均勻，得到液相；

將混合液相加到混合粉體中，混合均勻，得到泥團(tuán)；其中，每100g磷酸鈣粉體中，加入3～20g的增塑劑、10～50mL的去離子水、1～15g的脫模劑；

(2)對(duì)步驟(1)得到的泥團(tuán)，用練泥機(jī)練泥1～5次，陳腐8～24h，得到高塑性泥團(tuán)；

(3)將高塑性泥團(tuán)放入模具中，擠出成型，擠出速度設(shè)置為2～12mm/min，得到坯體；

(4)坯體于30～120℃下干燥，干燥時(shí)間為12～72h；

(5)干燥后的坯體于850～1600℃進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為1～3h。

所述磷酸鈣為α相磷酸三鈣、β相磷酸三鈣、羥基磷灰石、聚磷酸鈣、磷酸四鈣、焦磷酸鈣中的至少一種。

所述粘結(jié)劑為甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羧甲基纖維素、聚醋酸乙烯酯、糊精、羥甲基淀粉、海藻酸鈉、聚乙烯醇縮丁醛中的至少一種。

所述造孔劑為石蠟微球、蜂蠟微球、海藻酸鈉微球、明膠微球、聚乳酸微球、聚乳酸羥基乙酸微球、聚己內(nèi)酯微球、聚乙烯(PE)微球、聚氨酯微球、聚三亞甲基碳酸酯微球、聚3-羥基戊酸酯的共聚物微球、聚醋酸乙烯酯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球中的至少一種。

所述增塑劑為甘油、鄰苯二甲酸二丁酯、十二烷基磺酸鈉、草酸、乙二醇中的一種；所述脫模劑為液體石蠟、桐油、蓖麻油的一種。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明的磷酸鈣陶瓷具有較高的孔隙率、規(guī)則排列的孔形貌和大小可控的孔徑以及較高的機(jī)械強(qiáng)度。

(2)本發(fā)明的磷酸鈣生物陶瓷中的橫向貫通孔由造孔劑燒失后形成，將相互孤立的定向直通孔連通，具有較高的三維連通率，并且部分的隨機(jī)連通對(duì)多孔磷酸鈣陶瓷的力學(xué)強(qiáng)度不會(huì)造成嚴(yán)重影響。

(3)本發(fā)明的磷酸鈣生物陶瓷中在磷酸鈣陶瓷基體中直通孔呈蜂窩狀規(guī)則地分布，橫向貫通孔隨機(jī)地分布在定向直通孔的孔壁上并將相鄰的定向直通孔貫通起來(lái)。直通孔有利于新生骨組織的長(zhǎng)入和血管的形成，而橫向貫通孔有助于組織修復(fù)過(guò)程中細(xì)胞在人工骨材料內(nèi)連接成片，生成組織和器官，同時(shí)有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和代謝產(chǎn)物的排出。

(4)本發(fā)明的三維連通多孔磷酸鈣陶瓷由擠出成型法和添加造孔劑法一體化制備方法，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，成本低，連續(xù)生產(chǎn)，容易機(jī)械切割、可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1的三維連通的多孔β相磷酸三鈣陶瓷形貌圖。

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例2的三維連通的多孔羥基磷灰石陶瓷形貌圖。

圖3為本發(fā)明的實(shí)施例3三維連通的多孔α相磷酸三鈣陶瓷形貌圖。

圖4為本發(fā)明的實(shí)施例4三維連通的多孔磷酸四鈣陶瓷形貌圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

泥團(tuán)制備：將100gβ相磷酸三鈣粉末、10g石蠟微球(粒徑為400～500μm)和5g甲基纖維素在高速混料機(jī)中攪拌均勻制成固相；將10g乙二醇、1g液體石蠟和20mL去離子水混合均勻，然后滴加到固相中制成泥團(tuán)。

練泥與陳腐：用練泥機(jī)將泥團(tuán)練泥3次，然后密封陳腐12h，得到可塑性泥團(tuán)。

擠出成型：將陳腐后的泥料放入模具(出料槽寬度為0.6mm，出料槽中心距為1.0mm)中用于擠出成型，模具中的擠出模為方形孔，擠出速度為2mm/min。

干燥：在烘箱中30℃干燥72h。

燒結(jié)：將干燥后的坯體在空氣氣氛爐中，經(jīng)1100℃保溫2h燒成，得到三維連通的蜂窩狀多孔磷酸鈣生物陶瓷。

本實(shí)施例制備的三維連通的蜂窩狀多孔β相磷酸三鈣生物陶瓷的形貌如圖1所示，在磷酸鈣陶瓷人工骨材料上呈蜂窩狀分布有多個(gè)縱向的直通孔；在直通孔的孔壁上，分布有多個(gè)橫向貫通孔，將相鄰的直通孔貫通。其中縱向蜂窩狀方形孔的孔徑約為500μm，橫向連通孔的孔徑為300μm，孔隙率為72％，抗壓強(qiáng)度為5.5MPa。

實(shí)施例2

泥團(tuán)制備：將100g羥基磷灰石粉末、10g明膠微球(粒徑為300～400μm)和10g糊精在高速混料機(jī)中攪拌均勻制成固相；將5g甘油、10g桐油和25mL去離子水混合均勻，然后滴加到固相中制成泥團(tuán)。

練泥與陳腐：用練泥機(jī)將泥團(tuán)練泥5次，然后密封陳腐24h，得到可塑性泥團(tuán)。

擠出成型：將陳腐后的泥料放入模具(出料槽寬度為0.5mm，出料槽中心距為0.8mm)中用于擠出成型，模具中的擠出模為方形孔，擠出速度為8mm/min。

干燥：在烘箱中120℃干燥12h。

燒結(jié)：將干燥后的坯體在空氣氣氛爐中，經(jīng)1300℃、保溫3h燒成，得到三維連通的蜂窩狀多孔磷酸鈣生物陶瓷。

本實(shí)施例制備的三維連通的蜂窩狀多孔羥基磷灰石生物陶瓷的形貌如圖2所示，蜂窩狀方形孔的孔徑約為400μm，連通孔的孔徑為200μm，孔隙率為75％，抗壓強(qiáng)度為8.9MPa。

實(shí)施例3

泥團(tuán)制備：將100gα相磷酸三鈣粉末、20g聚乙烯微球(400～500μm)和10g羧甲基纖維素在高速混料機(jī)中攪拌均勻制成固相；將7.5g草酸、15g蓖麻油和28mL去離子水混合均勻，然后滴加到固相中制成泥團(tuán)。

練泥與陳腐：用練泥機(jī)將泥團(tuán)練泥1次，然后密封陳腐72h，得到可塑性泥團(tuán)。

擠出成型：將干燥后泥料放入模具(出料槽直徑為0.5mm，出料槽中心距為0.8mm)中用于擠出成型，模具中的擠出模為方形孔，擠出速度為12mm/min。

干燥：在烘箱中60℃干燥48h。

燒結(jié)：將干燥后的坯體在空氣氣氛爐中，經(jīng)1300℃保溫1h燒成，得到三維連通的蜂窩狀多孔磷酸鈣生物陶瓷。

本實(shí)施例制備的三維連通的蜂窩狀多孔α相磷酸三鈣生物陶瓷的形貌如圖3所示，蜂窩狀方形孔的孔徑約為400μm，連通孔的孔徑約為200μm，孔隙率為80％，抗壓強(qiáng)度為3.6MPa。

實(shí)施例4

泥團(tuán)制備：將100g磷酸四鈣粉末、15g聚乳酸羥基乙酸微球(粒徑為400～500μm)和10g羥甲基淀粉在高速混料機(jī)中攪拌均勻制成固相；將12g十二烷基磺酸鈉、20g蓖麻油和20mL去離子水混合均勻，然后滴加到固相中制成泥團(tuán)。

練泥與陳腐：用練泥機(jī)將泥團(tuán)練泥1次，然后密封陳腐48h，得到可塑性泥團(tuán)。

擠出成型：將陳腐后的泥料放入模具(出料槽邊長(zhǎng)為0.8mm，出料槽中心距為1.2mm)中用于擠出成型，模具中的擠出模為三角形孔，擠出速度為10mm/min。

干燥：在烘箱中90℃干燥24h。

燒結(jié)：將干燥后的坯體在空氣氣氛爐中，經(jīng)1600℃保溫1h燒成，得到三維連通的蜂窩狀多孔磷酸鈣生物陶瓷。

本實(shí)施例制備的三維連通的蜂窩狀多孔磷酸四鈣陶瓷的形貌如圖4所示，蜂窩狀三角形孔的邊長(zhǎng)約為600μm，連通孔的孔徑約為350μm，孔隙率為68％，抗壓強(qiáng)度為10.2MPa。

本發(fā)明的磷酸鈣粉體還可以為α相磷酸三鈣、β相磷酸三鈣、羥基磷灰石、聚磷酸鈣、磷酸四鈣、焦磷酸鈣中的至少一種；粘結(jié)劑還可為甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羧甲基纖維素、聚醋酸乙烯酯、糊精、羥甲基淀粉、海藻酸鈉、聚乙烯醇縮丁醛中的一種；造孔劑還可為為石蠟微球、蜂蠟微球、海藻酸鈉微球、明膠微球、聚乳酸(PLA)微球、聚乳酸羥基乙酸(PLGA)微球、聚己內(nèi)酯(PCL)微球、聚乙烯(PE)微球、聚氨酯(PU)微球、聚三亞甲基碳酸酯(PTMC)微球、聚3-羥基戊酸酯的共聚物(PHBV)微球、聚醋酸乙烯酯(PVAc)微球、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球中的至少一種。本發(fā)明的增塑劑還可為鄰苯二甲酸二丁酯。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。