激光制備多孔骨支架并添加氧化鋅提高性能的方法
【專利摘要】一種激光制備多孔骨支架并添加少量氧化鋅提高其機械和生物學(xué)性能的方法，屬于骨組織工程領(lǐng)域。針對傳統(tǒng)支架制備方法中孔分布、形狀、空間走向、連通性等不可控，同時針對磷酸三鈣(β-TCP)存在機械性能不佳、降解速率太快等缺點，本發(fā)明提供了一種利用選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)制備多孔骨支架，并添加氧化鋅(ZnO)提高性能的方法。優(yōu)點在于：利用SLS制備三維互連的多孔支架，添加少量ZnO引入液相，促進顆粒致密化，并細(xì)化晶粒，從而改善機械性能。同時提高細(xì)胞相容性，減慢的降解速率，提高生物學(xué)性能。最終制備具有增強機械性能和較優(yōu)生物學(xué)性能的互連多孔的β-TCP骨支架。該方法具有制備工藝簡單、操作方便、成本低廉、技術(shù)參數(shù)容易控制等特點。
【專利說明】激光制備多孔骨支架并添加氧化鋅提高性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)制備三維互相連通的多孔骨支架，并通過添加少量氧化鋅(ZnO)來提高磷酸三鈣W-Ca3(PO4)2, β-TCP)支架的機械和生物學(xué)性能的方法，屬于骨組織工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]組織工程是將細(xì)胞種植到具有一定空間結(jié)構(gòu)的三維支架上，細(xì)胞在支架上生長、增殖、分化并構(gòu)建生物替代物，隨后移植到組織缺損部位，達到修復(fù)組織功能的一門學(xué)科。骨組織工程支架不僅為構(gòu)建組織細(xì)胞提供支撐，更要為細(xì)胞生長提供合適的外環(huán)境，以有利于骨細(xì)胞的黏附、增殖和分化。這就要求支架擁有較高的孔隙率、相互連通的孔形態(tài)和合適的孔尺寸，以利于細(xì)胞的種植、組織的生長、外基質(zhì)的形成、氧氣和營養(yǎng)的輸送、代謝物的排泄以及血管和神經(jīng)的長入。利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)支架制備方法中微孔分布、形狀、空間走向、連通性等不可控的缺點，實現(xiàn)對支架內(nèi)部微孔體系的控制，達到符合骨組織再生的空間結(jié)構(gòu)要求。
[0003]支架材料還應(yīng)具有良好的生物相容性、無毒性，植入體內(nèi)后不會引起機體炎癥和排斥反應(yīng)。β -TCP具有良好的生物活性，無局部刺激性、不致溶血或凝血，不致突變或癌變，其Ca/P比為1.5，與正常骨組織接近。因此，普遍認(rèn)為β-TCP是理想的骨組織工程支架材料。但β-TCP存在脆性大、強度低等缺點，限制了它在人體負(fù)重部位的使用。且生物降解速度快并難于控制，不能與新組織生成的速率相匹配。為滿足骨再生的要求，急需制備具有良好的機械性能和生物性能的多孔β -TCP支架。
[0004]Zn是人體必需的微量元素，廣泛存在于骨組織中。研究證明，鋅對骨的正常發(fā)育、代謝和功能起重要作用。Zn可以刺激骨的生長，有利于提高生物材料的生物活性。Zn對于成骨細(xì)胞的增殖有特殊的 直接刺激作用，而對于破骨細(xì)胞有一定的抑制作用。通過實驗，證明了 ZnO的加入可以提高TCP陶瓷燒結(jié)件的致密化程度和硬度。Bhatt發(fā)現(xiàn)ZnO能夠降低β -TCP的降解速率。Bandyopadhyay發(fā)現(xiàn)TCP-ZnO復(fù)合的陶瓷壓片比純的TCP壓片有較優(yōu)秀的細(xì)胞相容性。
[0005]綜上所述，選擇性激光燒結(jié)可以用來制備三維互相連通的多孔β -TCP支架，ZnO的添加可以提高β -TCP陶瓷支架的機械性能，降低支架的降解速度，同時具有更好的細(xì)胞相容性和生物活性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明提出一種利用SLS技術(shù)制備三維互相連通的多孔β -TCP骨支架，并通過添加少量ZnO提高β -TCP支架的機械和生物學(xué)性能的方法。利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，使得制備的支架具有三維互相連通的多孔結(jié)構(gòu)。ZnO的加入會使燒結(jié)體系中出現(xiàn)液相，增加了晶界的移動速度。一方面，可以使支架獲得較高的致密度，另一方面，可以顯著降低燒結(jié)溫度，從而使晶粒的尺寸減小。較高的致密度和較小的晶粒尺寸使得支架具有較好的機械性能。同時ZnO的引入，能夠降低β-TCP多孔支架的降解速率，并且能夠促進成骨細(xì)胞的增殖。最終制備出具有增強的機械性能和較優(yōu)生物學(xué)性能的互連多孔的β-TCP骨支架。
[0007]本發(fā)明實施方案包括:
[0008]1.混合粉末和多孔β -TCP支架的制備工藝過程:
[0009]I)混合粉末的制備:利用機械混合法將β -TCP和少量ZnO粉末混合均勻，制得ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0-3.5%的β -TCP/ZnO混合粉末。其中，ZnO粉末的平均顆粒尺寸為100-200nm，純度≥99% ; β-TCP粉末的平均顆粒尺寸為100_300nm，純度≥99%。
[0010]2)多孔支架的制備:將β -TCP/ZnO混合粉末置于自行研制的SLS系統(tǒng)中，激光在計算機的控制下，按照界面輪廓信息，對粉末進行選擇性的燒結(jié)。燒結(jié)一層后，工作臺下降一個層厚度，再進行下一層的鋪料和燒結(jié)，這樣層層疊加，最終制得三維互相連通的多孔β-TCP支架。其中，激光光斑直徑為1_，鋪粉厚度為0.1-0.2_，激光功率為8.75W，掃描速度為 100mm/min。
[0011]2.多孔β -TCP支架的機械和生物學(xué)性能的評估:
[0012]I)支架的機械性能
[0013]利用阿基米德原理測量支架的體積密度，維氏硬度儀測試支架的硬度和斷裂韌性，電子萬能測試機測量支架的壓縮強度。
[0014]2)支架的生物 學(xué)性能
[0015]將成骨細(xì)胞種植在支架上，5天之后在掃描電鏡下觀察細(xì)胞的黏附能力，來評估支架的細(xì)胞相容性。將支架浸泡在模擬體液(SBF)中7、14、21、28天，每個時間段結(jié)束時，記下支架的質(zhì)量，計算出支架在SBF中質(zhì)量損失率，來評估支架的降解性能。將經(jīng)SBF浸泡之后的樣品在掃描電鏡下觀察其表面形貌隨時間的變化情況，對其表面的沉淀物進行元素組成分析，并用紅外測試來分析支架表面沉淀物的官能團組成，掃描電鏡、能譜和紅外分析共同評估支架的生物活性。
[0016]本發(fā)明優(yōu)點如下:
[0017]1、SLS技術(shù)是采用逐層成型方法，利用SLS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對組織工程支架內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)與復(fù)雜外形的精確控制。
[0018]2、在燒結(jié)過程中，ZnO的加入為燒結(jié)體系提供液相，有利于促進β -TCP粉末燒結(jié)致密化，降低燒結(jié)溫度，細(xì)化晶粒尺寸，從而改善支架的機械性能。
[0019]3,ZnO的加入提高了支架的細(xì)胞相容性，減慢了支架的降解速率，同時制備的支架具有良好的生物活性。
[0020]4、涉及一種激光制備多孔骨組織工程支架并添加少量氧化物提高磷酸鈣支架機械和生物學(xué)性能的方法，該方法具有制備工藝簡單、操作方便、成本低廉、產(chǎn)品性能良好、技術(shù)參數(shù)容易控制的特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為利用選擇性激光燒結(jié)制備的具有三維互相連通的多孔β -TCP支架。
[0022]圖2為支架的微觀結(jié)構(gòu)(a:純β -TCP支架；b:添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5% ZnO時的β -TCP 支架)。
[0023]圖3為成骨細(xì)胞在支架表面培養(yǎng)5天后的表面形貌(a:純β -TCP支架；b:添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5% ZnO時的β -TCP支架)。
[0024]圖4為支架在SBF中培養(yǎng)不同時間的質(zhì)量損失。
[0025]圖5為支架在SBF中培養(yǎng)不同時間后的表面形貌(a:7天，許多蟲狀的小顆粒生成；b:14天，蟲狀的小顆粒變多，明顯的層狀出現(xiàn)；c:21天，表面覆蓋一整層片狀的結(jié)晶物d:28天，出現(xiàn)厚厚的一層海綿狀簇)。
[0026]圖6為支架在SBF中培養(yǎng)7天后的表面形貌及元素組成。
[0027]圖7為支架在SBF中培養(yǎng)不同時間后的紅外圖譜(a:7天；b:14天；c:21天；d:28天)。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合一個實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步描述，但本發(fā)明之內(nèi)容并不局限于此。
[0029]I)將少量ZnO粉末添加至β -TCP粉末中，利用機械混合法混合均勻，制得ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的β -TCP/ZnO混合粉末。
[0030]2)將所得混合粉末置于自行研制的SLS系統(tǒng)中，激光在計算機的控制下，按照界面輪廓信息，對粉末進行選擇性的燒結(jié)，一層完成后再進行下一層燒結(jié)，最終制備出具有三維互相連通的多孔β-TCP支架。經(jīng)選擇性激光燒結(jié)的多孔β-TCP支架如附圖1，這表明利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)能制備具有三維互相連通的多孔β -TCP支架。
[0031]3)對制成的多孔支架進行力學(xué)性能評估。經(jīng)與未添加ZnO粉末所得的β-TCP支架對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)在β -TCP粉末中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的ZnO時，燒結(jié)支架的體積密度由0.916±0.065g/cm3增加到1.266±0.052g/cm3 ;平均晶粒尺寸由1.54 μ m減小至Ij
0.29 μ m(如附圖2);顯微硬度由3.509±0.025GPa提高至4.205±0.01lGPa;斷裂韌性由
1.091±0.013MPam1/2 增加至 1.401±0.015MPam1/2 ;壓縮強度由 3.012±0.583MPa 增加至17.894±0.642MPa。這些結(jié)果表明添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的ZnO能夠明顯提高β-TCP支架的機械性能。
[0032]4)對支架進行細(xì)胞相容性評估。MG63成骨細(xì)胞支架上的培養(yǎng)及生長情況如附圖3所示，說明由2.5% ZnO添加所制備的β -TCP支架具有更好的細(xì)胞相容性。
[0033]5)對制成的支架進行生物降解和生物活性評估。支架浸泡在SBF中培養(yǎng)7、14、21、28天的質(zhì)量損失如附圖4所示，說明ZnO的加入能夠有效地控制β -TCP支架的降解速率。支架經(jīng)SBF培養(yǎng)之后的表面形貌如附圖5所示，表明支架表面能夠形成大量的沉淀物。沉淀物的元素組成如附圖6所示，表明沉淀物主要由鈣、磷、氧、碳等元素組成。表面沉淀物的紅外圖譜分析如附圖7所示，表明沉淀物中有碳酸根的峰出現(xiàn)。附圖6、7共同說明表面沉淀物是含有一定碳酸磷灰石的類骨磷灰石。表明所制備的支架具有良好的生物活性。
【權(quán)利要求】
1.一種利用選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)制備三維互相連通的多孔骨支架，并添加少量氧化鋅(ZnO)來提高磷酸三鈣(β-TCP)支架機械和生物學(xué)性能的方法。其制備工藝為: 1)混合粉末的制備:利用機械混合法將β-TCP和少量ZnO粉末混合均勻，制得ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0-3.5%的β -TCP/ZnO混合粉末。其中，ZnO粉末的平均顆粒尺寸為100_200nm，純度≥99% ； β -TCP粉末的平均顆粒尺寸為100-300nm，純度≥99%。 2)多孔支架的制備:將β-TCP/ZnO混合粉末置于自行研制的SLS系統(tǒng)中，激光在計算機的控制下，按照界面輪廓信息，對粉末進行選擇性的燒結(jié)。燒結(jié)一層后，工作臺下降一個層厚度，再進行下一層的鋪料和燒結(jié)，這樣層層疊加，最終制得三維互相連通的多孔β -TCP支架。其中，激光光斑直徑為1mm，鋪粉厚度為0.1-0.2mm，激光功率為8.75W，掃描速度為100mm/miη η
2.按照權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于:ZnO粉末的平均顆粒尺寸為100-200nm，純度≥99% ； β -TCP粉末的平均顆粒尺寸為100_300nm，純度≥99%。
3.按照權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于:利用SLS技術(shù)能夠制備出具有任意復(fù)雜外形的，孔徑和孔隙分布可控的多孔支架。
4.按照權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于:利用ZnO在激光燒結(jié)過程中引入液相，有利于促進β -TCP粉末燒結(jié)致密化，細(xì)化晶粒尺寸，從而提高支架的機械性能。
5.按照權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于:利用ZnO的添加，提高了支架的細(xì)胞相容性，減慢了支架的降解速率，提高了支架的生物學(xué)性能。
6.按照權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于:涉及一種利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備三維互連的多孔組織工程支架，并添加少量氧化物提高多孔支架機械和生物學(xué)性能的方法，該方法具有制備工藝簡單、操作方便、成本低廉、產(chǎn)品性能良好、技術(shù)參數(shù)容易控制的特點。
【文檔編號】A61L27/12GK103845762SQ201210496929
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月29日
【發(fā)明者】帥詞俊, 彭淑平, 馮佩 申請人:中南大學(xué)