一种骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架及其制备方法技术

一种骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架及其制备方法涉及骨修复材料领域。针对传统陶瓷支架材料存在脆性大、不易加工成型、降解性和生物活性不理想等不足，本发明专利技术将硅酸钙等生物活性陶瓷作为支架主体，通过浸渍‑离心‑干燥的工艺，在陶瓷纤维表面均匀涂覆一层可降解的生物医用高分子材料，从而得到一种孔隙率高、力学性能好、生物可降解的骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架材料。生物活性陶瓷材料本身易与宿主骨形成骨性结合，其降解释放的无机离子，可参与并促进机体的成骨甚至成血管代谢活性，对组织再生修复具有刺激或诱导作用，促进缺损骨组织的修复和功能重建。支架表面的生物医用高分子材料，其降解产物无害并可通过代谢排出体外。

A bioactive ceramic fiber composite scaffold for bone repair and its preparation method

The invention relates to a bioactive ceramic fiber composite scaffold for bone repair and a preparation method thereof, which relates to the field of bone repair materials. In view of the shortcomings of traditional ceramic scaffold materials, such as brittleness, difficult processing, poor biodegradability and biological activity, the present invention takes calcium silicate and other bioactive ceramics as the main body of the scaffold, coats a biodegradable biomedical polymer evenly on the surface of the ceramic fibers through impregnation, centrifugation and drying process, and thus obtains a high porosity and good mechanical properties. Biodegradable ceramic fiber composite scaffolds for bone repair. Bioactive ceramics are easy to form osseointegration with host bone. The inorganic ions released by biodegradation can participate in and promote the osteogenesis and even vascularization of the body. They can stimulate or induce tissue regeneration and repair defective bone tissue and promote functional reconstruction. The biomedical polymer material on the surface of the scaffold is harmless and can be metabolized out of the body.

【技术实现步骤摘要】
一种骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架及其制备方法
本专利技术涉及骨修复材料领域，具体涉及到一种孔隙率高、力学性能好、生物可降解的生物活性陶瓷纤维复合支架材料及其制备方法。
技术介绍
组织工程学为骨组织损伤的再生修复提供了一条可行的途径，它是通过构建细胞与生物材料的三维空间复合体，对病损的组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。骨组织是非常典型的无机/有机复合体，通过一定的方式组合在一起形成强而韧的骨组织。人体正常骨组织的无机成分主要为磷酸钙盐，以及镁、锰等一些掺杂元素，有机成分主要为胶原及其他蛋白质，无机成分与有机成分的重量比分别约为67％和33％。用于骨再生修复的材料，除了具有良好的生物相容性、一定的力学性能、适当的降解特性外，仿生天然骨细胞外基质的组成和结构，赋予修复材料具有良好的骨传导和骨诱导性能，对于实现理想的功能重建至关重要。组织工程支架是细胞赖以生存、增殖和分化的场所，从组成上考虑，多孔陶瓷支架是引导受损骨组织再生和重建的良好选择。制备多孔陶瓷支架的方法主要有造孔剂法、化学发泡法、3D打印法、有机泡沫浸渍法、冷冻干燥法等，但不同制备方法对支架的孔隙结构、降解行为、力学性能及生物活性均会有影响。例如，造孔剂法常导致孔径分布宽但孔连通性差，支架脆性大，压缩强度和模量有限；化学发泡法制得的支架，一般抗压强度低，孔隙率不高，不利于细胞长入及营养物质运输；3D打印成型的支架，虽然孔径及孔结构的可控性较高，但其成型精度难以仿生天然骨的微观结构。而陶瓷纤维支架可以在组成和形貌上最大程度地仿生天然骨的细胞外基质，为细胞增殖和分化，以及骨重建提供适宜的微环境。采用溶胶-凝胶结合溶液静电纺丝技术是制备陶瓷纤维的有效方法，其原理是将制备陶瓷材料的前驱体溶胶-凝胶，与高分子助纺剂溶液充分混合，经静电纺丝成型后，通过高温烧结完成前驱体向陶瓷相的转变，在此过程中高分子助纺剂通过热降解去除，从而得到陶瓷纤维。不同于现有的磷酸钙、硫酸钙和珊瑚等骨修复材料，得益于溶胶-凝胶配置的可调节性，各种生物活性陶瓷纤维可方便地制备出来，如磷酸钙陶瓷纤维、硅酸钙陶瓷纤维、生物活性玻璃纤维等。各种促成骨微量元素如镁、锌、锶等，也可以在前驱体溶胶-凝胶形成过程中掺入，烧结后得到单一或多种离子掺杂的陶瓷纤维，使纤维组成更接近天然骨矿，具有更优异的骨传导和骨诱导性能。但是，源于静电纺丝的制备原理，上述制备的陶瓷纤维一般为直径可控的连续长纤维，堆积为二维的纤维膜形态，很难直接成型为具有三维立体结构的多孔支架，往往并不适合直接作为大块组织缺损再生修复材料。因此，本专利技术的设计思路是将上述溶胶-凝胶/静电纺丝制备的生物活性陶瓷纤维搭接形成三维立体结构，并为了适应骨组织再生修复对支架强度的需求，在陶瓷纤维表面均匀涂覆一层生物医用高分子，在提高陶瓷纤维支架力学性能和调节其生物可降解性能的同时，不破坏支架仿生天然骨细胞外基质的微结构，从而发展一种孔隙率高、力学性能好、生物可降解的骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架材料。
技术实现思路
针对传统陶瓷支架材料存在脆性大、不易加工成型、降解性和生物活性不理想等不足，本专利技术的目的是发展一类力学性能和生物相容性优良且可降解的生物活性陶瓷纤维多孔支架材料。本专利技术的陶瓷纤维多孔支架是将硅酸钙、生物活性玻璃、磷酸钙、钛酸钡纤维等生物活性陶瓷作为支架主体，通过浸渍-离心-干燥的工艺，在陶瓷纤维表面均匀涂覆一层可降解的生物医用高分子材料，从而得到一种孔隙率高、力学性能好、生物可降解的骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架材料。生物活性陶瓷材料本身易与宿主骨形成骨性结合，其降解释放的无机离子，根据所释放离子的种类和浓度，可参与并促进机体的成骨甚至成血管代谢活性，对组织再生修复具有刺激或诱导作用，促进缺损骨组织的修复和功能重建。陶瓷纤维支架表面涂覆的生物医用高分子材料，其降解产物对机体无害并可通过参与机体的代谢过程排出体外。通过选择不同种类的无机陶瓷纤维材料以及采取多种无机陶瓷纤维材料的复合，再与具有不同降解性能的生物医用高分子材料复合，即可获得一类降解速度可控、力学性能优异、成骨生物活性高的多功能性生物活性陶瓷纤维复合支架材料。本专利技术同时提供一种生物活性陶瓷纤维复合支架材料的制备方法，包括由陶瓷纳米纤维搭接制备三维多孔无机纤维骨架的方法，以及在陶瓷纤维均匀涂覆生物医用高分子的一种简便优异的涂覆工艺。本专利技术的一种孔隙率高、力学性能好、生物可降解的生物活性陶瓷纤维复合支架材料，其具体制备方法如下：(1)将制备目标陶瓷纤维所需的前驱体物质硝酸盐加入乙醇中，待其完全溶解后，向其中加入适量1mol/L稀盐酸调节体系pH值，再加入前驱体正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、钛酸四丁酯中的一种或两种，37℃水浴下搅拌陈化3天得到溶胶-凝胶溶液。(2)将高分子助纺剂溶于乙醇，得到的澄清透明溶液，与步骤(1)中的溶胶-凝胶溶液等质量混合，室温下搅拌过夜得到纺丝液。(3)利用静电纺丝工艺将步骤(2)中获得的溶液纺丝，以金属平板或滚筒为接收装置，收集得到纤维堆积形成的纤维膜。(4)将步骤(3)中获得的纤维膜裁剪成1*1cm2的碎片，置于去离子水中，用均质机将纤维膜进一步剪切分散，获得均匀分散的纤维悬浮溶液。(5)将步骤(4)中获得的纤维悬浮溶液，转移到聚四氟乙烯模具中，-4℃预冷1h，-20℃静置过夜、冷冻干燥48h后获得成型的三维结构多孔支架。(6)将步骤(5)冷冻干燥成型的支架经高温烧结处理去除有机物，同时前驱体物质在高温处理下转变为的无机陶瓷成分，获得三维搭接的无机陶瓷纤维支架。(7)将可降解的有机生物医用高分子材料溶于二氧六环或水，配制成不同浓度的高分子溶液，将步骤(6)制备的无机陶瓷纤维支架置于其中，采用浸渍-离心-干燥的涂覆工艺，在陶瓷纤维表面均匀涂覆生物医用高分子材料，经冷冻干燥后，制成一种孔隙率高、力学性能好、生物可降解的骨修复材料。制备步骤(1)中所述硝酸盐类，可以是硝酸钙、硝酸镁、硝酸锌、硝酸锶、硝酸锰和钛酸钡等硝酸盐中的一种或者多种复合。硝酸盐的醇溶液浓度为20-60wt.％，优选浓度为30-40wt.％。制备步骤(1)中所述前驱体正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、钛酸四丁酯，可以是它们中的一种或两种复合，添加浓度为20-60wt.％，优选浓度为30-40wt.％。制备步骤(2)中所述高分子助纺剂，可以是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛中的一种，添加浓度5-15wt.％，优选浓度8-10wt.％。制备步骤(4)中所述纤维悬浮溶液，纤维在水中的浓度为0.2-10wt.％，优选浓度为0.5-2wt.％。制备步骤(6)中所述高温烧结处理，烧结气氛为空气，烧结温度为800-1200℃，优选温度为1000℃，烧结时间为2-6h，优选时间4h。制备步骤(7)中所述可降解的有机生物医用高分子材料，可以是可溶于二氧六环的合成高分子聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯及它们的共聚物中的任一种，可以是可溶于水的天然高分子胶原、明胶、壳聚糖、透明质酸、海藻酸钠、丝素蛋白中的一种，高分子溶液浓度为0.1-10wt.％，优选浓度为1-6wt.％。制备步骤(7)中所述在陶瓷纤维表面均匀涂敷生物医用高分子材料，浸渍-离心-干燥的涂覆工艺，根据所用高分子的种类和高分子溶液的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架，其特征在于，包含具有成骨生物活性的无机陶瓷纤维材料和可降解的有机生物医用高分子材料，是以三维搭接的陶瓷纤维材料为主体，高分子材料为纤维表面涂覆层，形成的一种孔隙率高达90％以上、抗压强度达到达到兆帕级别、生物可降解的骨修复材料。

【技术特征摘要】
1.一种骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架，其特征在于，包含具有成骨生物活性的无机陶瓷纤维材料和可降解的有机生物医用高分子材料，是以三维搭接的陶瓷纤维材料为主体，高分子材料为纤维表面涂覆层，形成的一种孔隙率高达90％以上、抗压强度达到达到兆帕级别、生物可降解的骨修复材料。2.根据权利要求1所述的复合支架，其特征是具有成骨生物活性的无机陶瓷纤维材料，是硅酸钙、生物活性玻璃、羟基磷灰石、磷酸三钙、双相磷酸钙、钛酸钡纤维中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的复合支架，其特征是可降解的有机生物医用高分子材料，是合成高分子聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯及它们的共聚物中的一种，或者是天然高分子胶原、明胶、丝素蛋白、海藻酸、壳聚糖中的一种。4.制备如权利要求1所述的一种骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架的方法，其特征是通过以下步骤完成：(1)将具有目标组成的前驱体溶胶-凝胶与高分子助纺剂溶液混合，利用静电纺丝工艺制备纤维膜，将纤维膜剪碎悬浮于水中，用均质机将纤维均匀分散后，悬浮液加入到聚四氟乙烯模具中，-4℃预冷1h，-20℃静置过夜、冷冻干燥48h成型，制备具有三维多级多孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡晴，杜志云，郭立英，黎雷，郑天宜，杨小平，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11