[发明专利]一种磷酸钙/氧化锆梯度多孔支架及制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种磷酸钙/氧化锆可控梯度多孔支架及其制备方法和应用，该种多孔支架以磷酸钙类陶瓷和氧化锆粉体为原料，利用光固化技术成形，再经高温脱脂烧结后制得。其孔径在10～1000μm之间梯度变化，孔隙率为30％～90％，具有较高的贯通性。本发明不需模具，能够实现支架外观、孔隙的个性化设计和孔径的梯度变化，通过控制陶瓷粉末的比例，能够调节复合支架的力学性能和生物活性，从而获得生物性能良好且具有一定强度的多孔支架。此方法制备出的复合多孔支架在骨组织工程领域具有潜在应用空间。

技术领域

本发明涉及一种磷酸钙/氧化锆可控梯度多孔支架及制备方法和应用，属于生物医学材料技术领域。

背景技术

在骨修复工程中，多孔支架通常具有支撑骨缺损部位、诱导新骨生成的作用。因此，理想的多孔支架需要具备良好的生物相容性且具有一定强度以便恢复骨形态和性能，同时，支架要在人体环境中有一定的溶解度，能够逐步诱导骨细胞长入支架内部，实现自我修复。

磷酸钙类陶瓷与人体骨骼成分相似度较高，是一类具有良好的生物活性陶瓷。从骨修复角度看，磷酸钙类陶瓷具有良好的骨传导性，成骨细胞附着于该类支架表面，能够实现增殖、分化、成熟，合成骨基质胶原，进一步矿化，形成骨组织。另外，大部分磷酸钙类陶瓷在人体环境中能发生降解，游离的钙离子、磷酸盐等降解产物能够促进细胞生长分化，有利于骨组织形成。虽然磷酸钙类陶瓷具有优越的生物性能，但其在机械性能方面存在一定缺陷，例如弹性模量与人体骨组织相比过大，断裂韧性与人骨相比过小等问题，种种性质都限制了磷酸钙类陶瓷作为承重骨修复材料的应用。氧化锆是一种优良的生物惰性陶瓷，力学性能优良，具有耐磨性和化学稳定性。然而，氧化锆本身并没有良好的细胞和组织亲和力。

如今，陶瓷多孔支架能够通过多种技术制造，例如添加造孔剂、泡沫浸渍、直接发泡、冷冻干燥等等。上述方法都存在一些问题，如烧结后存在杂质残留，孔隙形状、分布难以控制，需要模具，造价成本较高等。而且目前临床应用的多孔骨支架多为均匀单一孔径，且孔隙结构较难控制。而天然骨的各处密度有所变化，单一孔径的支架植入后难以与周围骨组织的密度变化相一致，容易引发骨质流失等问题。从力学角度来看，植入的支架需要有一定的力学性能来支撑缺损部位，满足正常活动。对于多孔支架而言孔隙率越低，强度越高，但细胞长入支架需要较高的孔隙率保证正常生长代谢。因此，高力学性能、高孔隙率这对矛盾要求限制了陶瓷多孔支架的广泛应用。而缓解这一矛盾的方法就是制备梯度多孔支架，这种结构有望能在达到力学强度要求和促进细胞生长之间获得一个平衡。另外，细胞生长、代谢所需的孔径也各有不同，大孔径结构能够在细胞生长过程中起到营养供给，气体交换和清除代谢废物等作用，但会影响细胞附着和细胞内信号传导，而小孔径结构可以提供上述相反的性质。具体孔径要求还与细胞种类相关。一般而言，孔径尺寸为15～40μm，允许显微组织长入；孔径为40～100μm，允许非矿物类骨组织长入；孔径大于100μm，允许血管组织长入(Du J，Zuo Y，Lin L，et al.J Mech Behav Biomed Mater，2018，88：150-159.)。SeHeang Oh等在研究中发现，孔径为380～405μm的支架段对软骨细胞和成骨细胞生长较好，孔径为186～200μm的支架段对成纤维细胞生长较好，孔径290～310μm的支架段新生骨形成速度明显快于其他孔径的支架段(Se Heang Oh，Il Kyu Park，et al.Biomaterials，2007，28：1664-1671.)。而且对于细胞的初期粘附，小孔径支架能够提供较高的粘附表面积，而大孔径的支架在后期细胞往支架内部迁移提供了更充足的空间。基于以上考虑，梯度多孔支架更加符合植入修复要求，能更好的满足细胞进行较长周期的生长活动。

传统制造方法要制造出梯度孔径结构较为困难。光固化成形陶瓷打印技术，具有3D打印技术实现个性化定制的优势，能够在较高程度地还原患者骨骼原始形貌的同时，实现一些例如特殊形状、梯度孔径等特定结构的打印。通过计算机绘制三维模型实现对材料内部的孔隙形状、大小，孔道结构，孔隙率等指标的精确控制，从而较好地平衡材料强度和孔隙率、连通率之间的关系，为多孔材料的制备提供了更大的灵活性和速度。并且该方法消除了模具限制，一定程度上降低了投资成本。