3d打印介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架及其制備方法和用圖
【技術領域】
[0001]本發明涉及介孔生物活性玻璃改性的3D打印生物陶瓷支架及其制備方法和用途，屬生物材料領域。
【背景技術】
[0002]長期以來，由創傷、腫瘤、先天性畸形、老齡化、運動及事故等原因導致的骨缺損問題對人體骨健康造成很大威脅。其中，由于大塊骨缺損的修復超過人體自身骨再生能力范圍，而金標準的自體骨移植受來源和手術風險的限制，用于大塊骨修復的生物活性支架材料成為研究者們關注的熱點。目前用于大塊骨缺損修復與替代的生物材料表界面缺乏多功能性，比如界面活性不夠理想，缺乏合適的微納米結構，體內成骨整合不夠等。而新型介孔生物活性玻璃(MBG)具有較高的比表面積和孔容，納米孔徑分布均勻可調[1]，可用于生物活性因子或藥物的裝載及釋放[2]，其體外生物活性與成骨活性均優于傳統的生物活性玻璃材料，同時在生物相容性和生物降解性方面也表現出良好的性能[3]。
[0003]參考文獻
[1]Chengtieffu, *Jiang Chang.*Mesoporous b1active glasses: structurecharacteristics, drug/growth factor delivery and bone regenerat1n applicat1nInterface Focus, 2012(2):292 - 306.[2]Chengtieffu, *Jiang Chang.^Multifunct1nal mesoporous b1active glassesfor effective delivery of therapeutic 1ns and drug/growth factors.Journal ofControlled Release.2014(193):282-295.[3]Yanffu,Shouan Zhu,Chengtie ffu, Jiang Chang.A B1-lineage conducivescaffold for osteochondral defect regenerat1n.Advanced Funct1nalMaterials.2014(24):4473 - 4483.。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供具有良好力學性能和生物性能的3D打印介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架及其制備方法和用途。
[0005]—方面，本發明提供一種3D打印介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架，其包括:利用三維打印技術制備的β -磷酸三鈣生物活性支架、以及均勻涂覆于所述支架表面的介孔生物活性玻璃。
[0006]本發明采用新型的介孔生物活性玻璃對骨組織修復用的大孔β -TCP支架進行改性，得到介孔生物活性玻璃改性的生物活性陶瓷支架，其具有良好的力學性能，礦化能力及成骨、成血管活性，有望作為有效的骨修復材料，是一種潛在的多功能硬組織生物活性植入材料。
[0007]較佳地，所述生物陶瓷支架具有多級結構，其中包括可控的大孔結構與高度有序的納米介孔結構，其中大孔孔徑為100?500 μ m，介孔孔徑為2?8nm。
[0008]另一方面，本發明提供上述生物陶瓷支架的制備方法，包括以下步驟:
(1)將β-磷酸三鈣粉末與粘結劑以一定比例充分混合，利用三維打印技術制備β -磷酸三鈣支架；
(2)將打印出的磷酸三鈣支架進行燒結，得到磷酸三鈣陶瓷支架；
(3)將介孔生物活性玻璃前驅體旋涂在所得的磷酸三鈣陶瓷支架表面，并進行燒結，即可得到所述生物陶瓷支架。
[0009]本發明將3D打印和旋涂的方法結合起來制備了介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架，工藝簡單易行，適合于大規模生產。
[0010]較佳地，步驟⑴中，β -磷酸三鈣粉末與粘結劑的質量比為(1.5?2): 1。
[0011]較佳地，步驟(2)中，在1100?1150°C燒結3?5小時。
[0012]較佳地，所述介孔生物活性玻璃前驅體通過如下方法制備:將Si源與乙醇溶劑和介孔模板劑混合為溶液，采用酸催化劑調節溶液的pH值、攪拌、充分水解Si源，再加入化學計量比的磷酸三乙酯、硝酸鈣，攪拌得到介孔生物活性玻璃前驅體。
[0013]較佳地，采用正硅酸乙酯為Si源，與乙醇的質量比為1:(7-15);采用P123為介孔模板，與乙醇的質量比為1: (10-20);采用鹽酸用作酸催化劑，調節后溶液的pH值為2-4。
[0014]較佳地，步驟(3)中，旋涂次數為2?8次。
[0015]較佳地，步驟(3)中，燒結溫度為600?700 V，保溫時間為3?7小時。
[0016]又一方面，本發明還提供上述生物陶瓷支架在制備骨修復材料中的用途。
【附圖說明】
[0017]圖1為純β -磷酸三鈣支架(a，b, c)，傳統生物活性玻璃改性的(d，e, f)以及介孔生物活性玻璃改性的磷酸三鈣陶瓷支架(g，h，i)的宏觀照片，低倍SEM照片以及高倍SEM照片，從圖中可以看出介孔生物活性玻璃以及傳統生物活性玻璃均勻的沉積在β -TCP支架表面；
圖2為β-磷酸三鈣支架表面的介孔生物活性玻璃(d，e，f)以及傳統生物活性玻璃(a, b, c)納米層的TEM照片以及能譜分析。圖中可以明顯看到有序的介孔孔道；
圖3為三組支架的XRD分析結果，結果表明介孔生物活性玻璃以及傳統生物活性玻璃的改性并沒有影響生物陶瓷支架的物相，其中BG-β -TCP表示傳統生物活性玻璃改性的β -磷酸三鈣陶瓷支架，MBG-β -TCP表示介孔生物活性玻璃改性的β -磷酸三鈣陶瓷支架；
圖4為進行力學測試的三組支架的宏觀照片(a)以及抗壓測試的應力應變曲線(b)與抗壓強度值(c)。結果表明，介孔生物活性玻璃改性的β -磷酸三鈣陶瓷支架與傳統生物活性玻璃改性支架力學強度有所提高；
圖5為兔子骨髓基質干細胞在純β -磷酸三鈣支架(a，d, g)，傳統生物活性玻璃改性的(b，e，h)以及介孔生物活性玻璃改性的磷酸三鈣陶瓷支架(c，f，i)表面培養1 (a, b, c), 3 (d, e, f), 7 (g, h, i)天后粘附情況的SEM照片以及3天時細胞骨架染色的共聚焦照片。結果表明介孔生物活性玻璃改性的磷酸三鈣陶瓷支架具有良好的細胞粘附能力； 圖6為兔子骨髓基質干細胞的增殖(a)和ALP活性(b)，以及兔子骨髓基質干細胞與成骨相關的基因表達(c，d，e，f)，結果表明介孔生物活性玻璃改性的磷酸三鈣陶瓷支架能促進細胞的增殖以及成骨相關的基因表達；
圖7為人內皮細胞在純β -磷酸三鈣支架，傳統生物活性玻璃改性的以及介孔生物活性玻璃改性的β -磷酸三鈣陶瓷支架表面培養1，3天后粘附情況的SEM照片與3天時細胞骨架染色的共聚焦照片(Α);細胞的增殖，成血管相關的基因表達(Β)，結果表明，介孔生物活性玻璃改性的β-磷酸三鈣陶瓷支架具有更優異的細胞增殖以及成血管基因表達；
圖8為在兔子顱骨缺損處植入三種材料4周和8周后的Micro-CT照片(A)，BV/TV，Tb.Th統計值(B)，結果表明介孔生物活性玻璃改性的β -磷酸三鈣陶瓷支架具有更良好的骨修復效果；
圖9在兔子顱骨缺損處植入三種材料4周和8周后的組織切片染色(Α)及新骨面積統計分析(Β)，結果表明，介孔生物活性玻璃對磷酸三鈣陶瓷支架的改性提高了陶瓷支架的成骨能力。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發明，而非限制本發明。
[0019]本發明將3D打印和旋涂的方法結合起來制備了介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架；通過系統研究介孔生物活性玻璃改性的生物陶瓷支架是否具有良好的力學性能，體外成骨能力，成血管能力，體內成骨活性等性能來確定其是否是一種適合于建立多功能材料表界面的新方法。通過系統的理化性能與生物學研究，建立了一種適合于建立多功能材料表界面的新方法。
[0020]本發明以β -磷酸三鈣(β -TCP)為原材料，利用三維打印技術，制備出β -TCP生物活性支架，燒結后，利用旋涂方法將介孔生物活性玻璃涂覆在支架表面，得到介孔生物活性玻璃改性的磷酸三鈣生物活性支架(MBG-β -TCP)。
[0021]本發明的介孔生物活性玻璃改性的磷酸三鈣生物活性支架具有多級結構:可控的大孔結構(?400 μ m)與高度有序的納米介孔結構(?5nm);同時，介孔生物活性玻璃對生物陶瓷支架的改性提高了支架的力學強度；另一方面，體外細胞實驗表明介孔生物活性玻璃改性后的生物陶瓷支架能夠更好的支持細胞增殖、粘附、ALP活性、骨相關基因(Runx2，BMP2，0PN和Col I)表達以及成血管基因(VEGF，HIF-1 α )表達等；體內動物實驗進一步證明了介孔生物活性玻璃改性的磷酸三鈣生物活性支架具有優異的體內成骨活性。實驗結果表明了介孔生物活性玻璃改性生物陶瓷支架的表面是一種建立多功能生物材料表界面的新方法。
[0022]本發明利用三維打印技術制備出β -TCP支架；通過旋涂的方法將介孔生物活性玻璃涂覆在支架表面，得到介孔生物活性玻璃改性的生物活性陶瓷支架，其具有良好的力學性能，礦化能力及成骨、成血管活性。
[0023]在利用三維打印技術制備β -TCP支架的一個示例中，采用β -磷酸三鈣粉末為原材料，并將其與粘結劑充分混合，同時調整其與粘結劑的比例，例如β -磷酸三鈣粉末和粘結劑的質量比可為(1.5?2):1，其中粘結劑包括但不限于聚乙烯醇、海藻酸鈉、甲基纖維素等；然后利用軟件設計支架具體參數，調控支架的形狀、尺寸等，進行3D打印。3D打印的參數可包括:單層厚度為1mm，粘結劑濃度為5?15wt%，打印速度為1?10mm/s，氣壓為400 ?700kPo
[0024]通過3D打印制得的β -TCP支架素坯進行燒結，制得β -磷酸三鈣陶瓷支架。其中燒結例如可在1100?1150°C燒結3?5小時。
[0025]在一個實施方式中，介孔生物活性玻璃前驅體通過如下方法制備:將Si源與乙醇溶劑和介孔模板劑混合為溶液，采用酸催化劑調節溶液的pH值、攪拌、充分水解Si源，再加入化學計量比的