CN101642589A - 一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法，该方法采用灌注法将壳聚糖与泡沫浸渍法制备的溶胶凝胶生物玻璃多孔支架材料进行复合，包括如下步骤：泡沫浸渍法制备纯生物活性玻璃支架材料，其中包括生物活性玻璃浆料的制备、聚氨酯泡沫模板选择、浸渍、干燥；壳聚糖溶液的制备；灌注法复合生物活性玻璃/壳聚糖复合支架。本发明制备过程中形状、孔隙率、孔径分布容易调控，所制备的支架材料具有三维网状骨架结构，其力学强度、生物相容性和生物活性良好且可降解，其抗压强度达到1.15～1.30MPa，显气孔率达到70％～80％，支架材料能满足对组织缺损部位提供支撑的要求，方法简单实用，容易实现规模化生产。

Description

一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法

技术领域

本发明涉及生物医学材料领域的人工骨修复材料制备技术，具体是指一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法。

背景技术

随着国内外临床医学中骨缺损修复需求的日益增长，国内外生物复合材料领域取得了许多研究进展。近年来针对传统骨修复材料存在问题的研究发展迅速。虽然生物活性玻璃是一种具有优良生物相容性及生物活性的无机类生物活性材料，它能够在植入部位迅速发生一系列表面反应，形成与骨和软组织都能产生良好结合的碳酸羟基磷灰石层，但是它没有三维立体多孔结构，因此不是最理想的骨组织修复支架材料。因为，三维立体多孔结构才有利于细胞黏附增殖、细胞外基质沉积、营养和氧气进入及代谢产物排出，也利于血管和神经长入。为此，近年来，科学家们对以生物活性玻璃为原料制备多孔支架材料进行了广泛研究。目前多孔支架材料的常见制备方法有添加造孔剂法、发泡法等。其中添加造孔剂法难以得到高的孔隙率，并且易造成支架材料的孔径分布不均匀；而发泡法则很难控制气孔的分布，并且多孔体的机械强度往往不高。

然而，有机泡沫浸渍法制备工艺简单，制备的多孔材料孔隙率高，孔径大小容易调控，而且具有开孔三维网状骨架结构，能较好的满足骨组织工程支架材料对多孔结构的要求，所以近年来从事该方法研究和应用的人也很多。但是利用该方法制备溶胶凝胶法生物玻璃多孔支架材料的却鲜有报道，更未见工业化应用的任何报道。主要原因是所制备的多孔支架材料的力学强度不够，难以满足对组织缺损部位提供支撑的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种制备过程形状、孔隙率、孔径分布容易调控，能实现规模化生产的生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法，所制备的生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料具有三维网状骨架结构，其力学强度、生物相容性和生物活性良好。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法，采用灌注法将壳聚糖与泡沫浸渍法制备的溶胶凝胶生物活性玻璃多孔支架材料进行复合，该方法包括如下步骤及其工艺条件：

步骤一：泡沫浸渍法制备纯生物活性玻璃支架材料

(1)将溶胶凝胶法制备的CaO-P₂O₅-SiO₂系生物活性玻璃进行球磨，并过筛，取粒径不大于15μm的生物活性玻璃粉末待用；

(2)在100重量份的去离子水中加入3～5重量份的亲水性有机粘结剂，用60℃～100℃恒温水浴加热，并剧烈搅拌，待粘结剂完全溶解后加入30～50重量份、过筛后的粒径不大于15μm的生物活性玻璃粉体，剧烈搅拌1～2小时制成浆料，将所得浆体经10～30分钟超声波震荡混合均匀；

(3)将与所需骨缺损修复材料形状相同的聚氨酯泡沫模板浸渍到上述浆料中，待浸渍完全后，挤出模板孔隙内充填的浆料，而保持模板孔筋上涂覆有浆料，经浸渍成型后的泡沫坯体在室温下干燥1～2天，再于30℃～60℃下干燥1～2天，然后再用上述方法浸渍、干燥至少2次；

(4)将上述浸渍成型后的泡沫坯体放在耐火材料板上，以2℃～5℃/分钟的升温速率升温至300℃～400℃，保温3～5小时，再以2℃～5℃/分钟的升温速率升温至1000℃～1100℃，保温3～5小时，最后随炉冷却，即制得纯生物活性玻璃支架材料；

步骤二：壳聚糖溶液的制备

将壳聚糖溶入0.1～0.3mol/L的乙酸溶液中制成质量百分比浓度为1～4％的壳聚糖溶液，并将其混合均匀待用；

步骤三：灌注法复合

先将上述步骤一制备的纯生物活性玻璃支架材料浸入步骤二制备的壳聚糖溶液中进行灌注，再通过真空处理，直至支架材料中不再有气泡冒出时，迅速取出，放入低于-20℃的低温冰箱冷冻2～3天，最后将冷冻的支架材料取出后进行冷冻干燥，即制得具有良好的力学强度、生物相容性和生物活性的生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料。

为了更好地实施本发明，所述亲水性有机粘结剂优选聚乙烯醇。

所述耐火材料板为氧化锆或氧化铝耐火材料板。

步骤三所述真空处理是采用循环水真空泵。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和效益：

1、本发明所制得的生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的形状与聚氨酯泡沫模板的形状相同，所以可以根据骨缺损修复材料所需不同形状制备不同形状的聚氨酯泡模板，得到不同形状的支架材料，以适应不同部位和形状的骨缺损修复。

2、本发明制备的生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料具有生物相容性好、显气孔率高、孔径大小合适、三维连通的孔隙结构，为理想的骨组织修复支架材料，其具备三维立体多孔结构，有利于细胞黏附增殖、细胞外基质沉积、营养和氧气进入及代谢产物排出，也利于血管和神经长入。

3、本发明制备的复合多孔支架材料不仅力学强度较好并且可降解，其抗压强度达到1.15～1.30MPa，显气孔率达到70％～80％，所制备的多孔支架材料的力学强度能满足对组织缺损部位提供支撑的要求。

4、本发明复合支架的化学组分可以通过浆料中加入生物玻璃重量份的不同进行调节；孔径大小可利用不同孔径的聚氨酯泡沫模板进行调控；显孔隙率可通过纯生物活性玻璃支架材料制备过程中浸料次数的不同进行调控。本制备方法较简单实用，工艺参数易于控制，能实现规模化生产。

附图说明

图1为纯生物活性玻璃多孔支架材料的扫描电镜(SEM)放大50倍的图片；

图2为生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的扫描电镜(SEM)放大100倍的图片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法采用灌注法将壳聚糖与泡沫浸渍法制备的溶胶凝胶生物玻璃多孔支架材料进行复合，包括如下步骤及其工艺条件：

步骤一：泡沫浸渍法制备纯生物活性玻璃支架材料

(1)将溶胶凝胶法制备的CaO-P₂O₅-SiO₂系生物活性玻璃球磨，并过筛，取粒径不大于15μm的生物活性玻璃粉末待用；

(2)在100重量份的去离子水加入3重量份的聚乙烯醇作为粘结剂，在80℃恒温水浴中加热，并剧烈搅拌2小时，待粘结剂完全溶解后，加入50重量份粒径不大于15μm的过筛后的生物活性玻璃粉体，剧烈搅拌2小时制成浆料，将所得浆体经20分钟超声波震荡混合均匀；

(3)将与所需骨缺损修复材料形状相同的、尺寸为1cm×1cm×1cm、孔径大小在1-500μm范围内的聚氨酯泡沫模板浸渍到上述浆料中，待浸渍完全后，挤出模板孔隙内充填的浆料，而保持模板孔筋上涂覆有浆料，经浸渍成型后的泡沫坯体在室温下干燥2天，再于60℃下干燥1天，然后再用上述方法浸渍、干燥2次；

(4)将上述浸渍成型后的泡沫坯体放在氧化锆耐火材料板上，以2℃/分钟的升温速率升温至400℃，保温5小时，再以2℃/分钟的升温速率升温至1050℃，保温3小时，最后随炉冷却，即制得纯生物活性玻璃支架材料；

步骤二：壳聚糖溶液的制备

将壳聚糖溶入0.1mol/L的乙酸溶液中制成质量百分比浓度为2％的壳聚糖溶液，并将其混合均匀待用；

步骤三：灌注法复合

将上述步骤一制备的纯生物活性玻璃支架材料浸入步骤二制备的壳聚糖溶液中灌注，再通过SHZ-D(III)型防腐台式循环水真空泵进行真空处理，直至支架材料中不再有气泡冒出时，迅速取出，放入-20℃的低温冰箱冷冻2天，将冷冻后的支架材料取出，放入德国Christ公司的Alpha2-4型冷冻干燥机进行冷冻干燥2天，即制得形状为1cm×1cm×1cm，孔径大小在1-500μm范围内，显气孔率在73±2％，抗压强度在1.25±0.05MPa的生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料。

如图1所示，纯生物活性玻璃多孔支架材料的扫描电镜(SEM)放大50倍的图片，主要说明了生物玻璃多孔支架材料原始形貌和其孔隙结构，为了能使壳聚糖液体容易灌入生物玻璃多孔支架中，生物玻璃多孔支架材料的大孔孔径大约500μm左右；图2为生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的扫描电镜(SEM)放大100倍的图片，主要说明了复合多孔支架材料的形貌和孔隙结构，从图(b)中可以看出生物玻璃多孔支架材料复合了壳聚糖后，大孔孔径仍在200μm左右，这样的孔径对于细胞的生长是很有利的。

实施例2

一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法采用灌注法将壳聚糖与泡沫浸渍法制备的溶胶凝胶生物玻璃多孔支架材料进行复合，包括如下步骤及其工艺条件：

步骤一：泡沫浸渍法制备纯生物活性玻璃支架材料

(1)将溶胶凝胶法制备的CaO-P₂O₅-SiO₂系生物活性玻璃球磨，并过筛，取粒径不大于15μm的生物活性玻璃粉末待用；

(2)在100重量份的去离子水加入5重量份的聚乙烯醇作为粘结剂，在70℃恒温水浴中加热，并剧烈搅拌1个小时，待粘结剂完全溶解后，加入30重量份粒径不大于15μm的过筛后的生物活性玻璃粉体，剧烈搅拌1小时制成浆料，将所得浆体经15分钟超声波震荡混合均匀；

(3)将与所需骨缺损修复材料形状相同的、尺寸为圆底直径为1cm，高为0.5cm圆柱形、孔径大小在1-300μm范围内的聚氨酯泡沫模板浸渍到上述浆料中，待浸渍完全后，挤出模板孔隙内充填的浆料，而保持模板孔筋上涂覆有浆料，经浸渍成型后的泡沫坯体在室温下干燥2天，再于40℃下干燥1天，然后再用上述方法浸渍、干燥4次；

(4)将上述浸渍成型后的泡沫坯体放在氧化铝耐火材料板上，以3℃/分钟的升温速率升温至300℃，保温4小时，再以3℃/分钟的升温速率升温至1000℃，保温3小时，最后随炉冷却，即制得纯生物活性玻璃支架材料；

步骤二：壳聚糖溶液的制备

将壳聚糖溶入0.3mol/L的乙酸溶液中制成质量百分比浓度为4％的壳聚糖溶液，并将其混合均匀待用；

步骤三：灌注法复合

将上述步骤一制备的纯生物活性玻璃支架材料浸入步骤二制备的壳聚糖溶液中灌注，再通过SHZ-D(III)型防腐台式循环水真空泵进行真空处理，直至支架材料中不再有气泡冒出时，迅速取出，放入-30℃的低温冰箱冷冻2天，将冷冻后的支架材料取出，放入德国Christ公司的Alpha2-4型冷冻干燥机进行冷冻干燥3天，即制得形状为圆底直径为1cm，高为0.5cm圆柱形支架，孔径大小在1-300μm范围内，显气孔率在75±3％，抗压强度在1.15±0.08MPa的生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料。

实施例3

一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法采用灌注法将壳聚糖与泡沫浸渍法制备的溶胶凝胶生物玻璃多孔支架材料进行复合，包括如下步骤及其工艺条件：

步骤一：泡沫浸渍法制备纯生物活性玻璃支架材料

(1)将溶胶凝胶法制备的CaO-P₂O₅-SiO₂系生物活性玻璃球磨，并过筛，取粒径不大于15μm的生物活性玻璃粉末待用；

(2)在100重量份的去离子水加入4重量份的羧甲基纤维素或淀粉作为粘结剂，在90℃恒温水浴中加热，并剧烈搅拌1.5个小时，待粘结剂完全溶解后，加入40重量份粒径不大于15μm的过筛后的生物活性玻璃粉体，剧烈搅拌2小时制成浆料，将所得浆体经30分钟超声波震荡混合均匀；

(3)将与所需骨缺损修复材料形状相同的、尺寸为2cm×2cm×0.5cm、孔径大小在2-400μm范围内的聚氨酯泡沫模板浸渍到上述浆料中，待浸渍完全后，挤出模板孔隙内充填的浆料，而保持模板孔筋上涂覆有浆料，经浸渍成型后的泡沫坯体在室温下干燥1.5天，再于50℃下干燥2天，然后再用上述方法浸渍、干燥3次；

(4)将上述浸渍成型后的泡沫坯体放在氧化锆耐火材料板上，以3℃/分钟的升温速率升温至350℃，保温5小时，再以2℃/分钟的升温速率升温至1100℃，保温4小时，最后随炉冷却，即制得纯生物活性玻璃支架材料；

步骤二：壳聚糖溶液的制备

将壳聚糖溶入0.2mol/L的乙酸溶液中制成质量百分比浓度为3％的壳聚糖溶液，并将其混合均匀待用；

步骤三：灌注法复合

将上述步骤一制备的纯生物活性玻璃支架材料浸入步骤二制备的壳聚糖溶液中灌注，再通过SHZ-D(III)型防腐台式循环水真空泵进行真空处理，直至支架材料中不再有气泡冒出时，迅速取出，放入-20℃的低温冰箱冷冻3天，将冷冻后的支架材料取出，放入德国Christ公司的Alpha2-4型冷冻干燥机进行冷冻干燥4天，即制得形状为2cm×2cm×0.5cm，孔径大小在2-400μm范围内，显气孔率在80±2％，抗压强度在1.10±0.05MPa的生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料。

Claims (4)

1、一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法，其特征在于：该方法采用灌注法将壳聚糖与泡沫浸渍法制备的溶胶凝胶生物活性玻璃多孔支架材料进行复合，它包括如下步骤及其工艺条件：

步骤一：泡沫浸渍法制备纯生物活性玻璃支架材料

(1)将溶胶凝胶法制备的CaO-P₂O₅-SiO₂系生物活性玻璃进行球磨，并过筛，取粒径不大于15μm的生物活性玻璃粉末待用；

(2)在100重量份的去离子水中加入3～5重量份的亲水性有机粘结剂，用在60℃～100℃恒温水浴加热，并剧烈搅拌，待粘结剂完全溶解后加入30～50重量份、过筛后的粒径不大于15μm的生物活性玻璃粉体，剧烈搅拌1～2小时制成浆料，将所得浆体经10～30分钟超声波震荡混合均匀；

(3)将与所需骨缺损修复材料形状相同的聚氨酯泡沫模板浸渍到上述浆料中，待浸渍完全后，挤出模板孔隙内充填的浆料，而保持模板孔筋上涂覆有浆料，经浸渍成型后的泡沫坯体在室温下干燥1～2天，再于30℃～60℃下干燥1～2天，然后再用上述方法浸渍、干燥至少2次；

(4)将上述浸渍成型后的泡沫坯体放在耐火材料板上，以2℃～5℃/分钟的升温速率升温至300℃～400℃，保温3～5小时，再以2℃～5℃/分钟的升温速率升温至1000℃～1100℃，保温3～5小时，最后随炉冷却，即制得纯生物活性玻璃支架材料；

步骤二：壳聚糖溶液的制备

将壳聚糖溶入0.1～0.3mol/L的乙酸溶液中制成质量百分比浓度为1～4％的壳聚糖溶液，并将其混合均匀待用；

步骤三：灌注法复合

先将上述步骤一制备的纯生物活性玻璃支架材料浸入步骤二制备的壳聚糖溶液中进行灌注，再抽真空处理至支架材料中不再有气泡冒出时，迅速取出，放入低于-20℃的低温冰箱冷冻2～3天，最后将冷冻后的支架材料取出进行冷冻干燥，即制得具有良好的力学强度、生物相容性和生物活性的生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料。

2、根据权利要求1所述的一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法，其特征在于：亲水性有机粘结剂为聚乙烯醇。

3、根据权利要求1所述的一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法，其特征在于：所述耐火材料板为氧化锆或氧化铝耐火材料板。

4、根据权利要求1所述的一种生物活性玻璃/壳聚糖复合多孔支架材料的制备方法，其特征在于：步骤三所述真空处理是采用循环水真空泵。

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