[发明专利]激光制备多孔骨支架并添加氧化锌提高性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用选择性激光烧结(SLS)技术制备三维互相连通的多孔骨支架，并通过添加少量氧化锌(ZnO)来提高磷酸三钙(β-Ca₃(PO₄)₂，β-TCP)支架的机械和生物学性能的方法，属于骨组织工程领域。

背景技术

组织工程是将细胞种植到具有一定空间结构的三维支架上，细胞在支架上生长、增殖、分化并构建生物替代物，随后移植到组织缺损部位，达到修复组织功能的一门学科。骨组织工程支架不仅为构建组织细胞提供支撑，更要为细胞生长提供合适的外环境，以有利于骨细胞的黏附、增殖和分化。这就要求支架拥有较高的孔隙率、相互连通的孔形态和合适的孔尺寸，以利于细胞的种植、组织的生长、外基质的形成、氧气和营养的输送、代谢物的排泄以及血管和神经的长入。利用选择性激光烧结技术能够克服传统支架制备方法中微孔分布、形状、空间走向、连通性等不可控的缺点，实现对支架内部微孔体系的控制，达到符合骨组织再生的空间结构要求。

支架材料还应具有良好的生物相容性、无毒性，植入体内后不会引起机体炎症和排斥反应。β-TCP具有良好的生物活性，无局部刺激性、不致溶血或凝血，不致突变或癌变，其Ca/P比为1.5，与正常骨组织接近。因此，普遍认为β-TCP是理想的骨组织工程支架材料。但β-TCP存在脆性大、强度低等缺点，限制了它在人体负重部位的使用。且生物降解速度快并难于控制，不能与新组织生成的速率相匹配。为满足骨再生的要求，急需制备具有良好的机械性能和生物性能的多孔β-TCP支架。

Zn是人体必需的微量元素，广泛存在于骨组织中。研究证明，锌对骨的正常发育、代谢和功能起重要作用。Zn可以刺激骨的生长，有利于提高生物材料的生物活性。Zn对于成骨细胞的增殖有特殊的直接刺激作用，而对于破骨细胞有一定的抑制作用。通过实验，证明了ZnO的加入可以提高TCP陶瓷烧结件的致密化程度和硬度。Bhatt发现ZnO能够降低β-TCP的降解速率。Bandyopadhyay发现TCP-ZnO复合的陶瓷压片比纯的TCP压片有较优秀的细胞相容性。

综上所述，选择性激光烧结可以用来制备三维互相连通的多孔β-TCP支架，ZnO的添加可以提高β-TCP陶瓷支架的机械性能，降低支架的降解速度，同时具有更好的细胞相容性和生物活性。

发明内容

本发明提出一种利用SLS技术制备三维互相连通的多孔β-TCP骨支架，并通过添加少量ZnO提高β-TCP支架的机械和生物学性能的方法。利用选择性激光烧结技术，使得制备的支架具有三维互相连通的多孔结构。ZnO的加入会使烧结体系中出现液相，增加了晶界的移动速度。一方面，可以使支架获得较高的致密度，另一方面，可以显著降低烧结温度，从而使晶粒的尺寸减小。较高的致密度和较小的晶粒尺寸使得支架具有较好的机械性能。同时ZnO的引入，能够降低β-TCP多孔支架的降解速率，并且能够促进成骨细胞的增殖。最终制备出具有增强的机械性能和较优生物学性能的互连多孔的β-TCP骨支架。

本发明实施方案包括：

1.混合粉末和多孔β-TCP支架的制备工艺过程：

1)混合粉末的制备：利用机械混合法将β-TCP和少量ZnO粉末混合均匀，制得ZnO质量分数为0-3.5％的β-TCP/ZnO混合粉末。其中，ZnO粉末的平均颗粒尺寸为100-200nm，纯度≥99％；β-TCP粉末的平均颗粒尺寸为100-300nm，纯度≥99％。

2)多孔支架的制备：将β-TCP/ZnO混合粉末置于自行研制的SLS系统中，激光在计算机的控制下，按照界面轮廓信息，对粉末进行选择性的烧结。烧结一层后，工作台下降一个层厚度，再进行下一层的铺料和烧结，这样层层叠加，最终制得三维互相连通的多孔β-TCP支架。其中，激光光斑直径为1mm，铺粉厚度为0.1-0.2mm，激光功率为8.75W，扫描速度为100mm/min。

2.多孔β-TCP支架的机械和生物学性能的评估：

1)支架的机械性能

利用阿基米德原理测量支架的体积密度，维氏硬度仪测试支架的硬度和断裂韧性，电子万能测试机测量支架的压缩强度。

2)支架的生物学性能