[发明专利]一种具有均匀中孔的三维连通多级孔结构的磷酸三钙支架及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有均匀中孔的三维连通多级孔结构的磷酸三钙支架及其制备方法和应用。该方法包括：将聚乙烯醇溶液加入到表面改性的高分子微球、甲基纤维素与磷酸三钙的混合粉体中，混匀得到粘稠状打印浆体，3D打印得到磷酸三钙支架。该支架具有孔径均一，分布均匀的中孔，实现了同时具备微孔(10μm)、中孔(10‑100μm)和宏孔(100μm)的三维连通多级孔结构，微孔可增加蛋白吸附，中孔能为细胞长入和黏附提供场所，轴向和侧向宏孔有利于血管长入、连通而促进新骨生成，使磷酸三钙支架具有降解速度快和骨生成效果好的优点，能解决现有陶瓷支架均匀中孔缺失、三维连通性不足的问题，可应用于非承重骨缺损修复。

技术领域

本发明属于骨缺损修复生物医用陶瓷支架领域，特别涉及一种具有均匀中孔的三维连通多级孔结构的磷酸三钙支架及其制备方法和应用。

背景技术

低温型磷酸三钙(β-TCP)生物陶瓷材料与人体骨组织的矿物成分相似，因此具有良好的化学稳定性和生物相容性。大量的体外和体内实验表明，β-TCP材料对细胞无毒性，不会使组织产生不良反应，相反，β-TCP能促进血管生成和新骨生成，具有良好的骨传导性，骨整合性和可降解吸收性，被广泛用作人工骨修复材料。但是，结构致密或者孔连通性不足的β-TCP陶瓷材料植入体内后则很难有效进行营养物质及体液的交换，与组织间的生物反应也会受到很大限制，而且会导致β-TCP降解非常缓慢，不能与组织的成血管和成骨速度相匹配，限制了β-TCP在骨修复材料中的应用。因此，构建合适的具有均匀中孔的三维连通多级孔结构，可有效调控β-TCP的降解速率，提高骨组织修复的效果。

三维连通多级孔结构的孔隙能增加陶瓷的比表面积，促进钙磷离子的释放以及增加蛋白吸附位点，诱导生长因子的聚集，为细胞提供长入、黏附、增殖、迁移和分化的场所，可促进营养物质的输送及体液的微循环，为新生血管的长入和连通提供场所，从而促进新骨的生成并与骨组织产生整合，加速骨缺损部位的愈合。而孔径大小及分布、孔隙率和孔连通性是构建三维连通多级孔结构，提升材料性能的关键因素。Hulbert等(HulbertS,YoungF,MathewsR,et al.Potential of ceramic materials as permanently implantableskeletal prostheses[J].Journal of Biomedical Materials Research,1970,4(3):433-456.)研究了不同孔径大小及分布的孔隙对新骨生成的影响，结果表明10μm的孔径允许细胞的长入；10-75μm的孔径可长入纤维组织；75-100μm的孔径可促进未矿化的类骨组织的生长；100μm的孔径则有利于矿化骨的再生。在Kasten等(Kasten P,Beyen I,NiemeyerP,et al.Porosity and pore size of beta-tricalcium phosphate scaffold caninfluence protein production and osteogenic differentiation of humanmesenchymal stem cells:an in vitro and in vivo study[J].Acta Biomaterialia,2008,4(6):1904-1915.)对不同孔隙率的β-TCP陶瓷支架性能的研究中，体外培养的孔隙率为65％和75％的β-TCP支架，总蛋白浓度呈上升趋势，而孔隙率为25％的支架则没有明显变化。在小鼠体内实验中，孔隙率为65％的β-TCP支架的ALP活性高于其他两种β-TCP支架，而孔隙率为75％的β-TCP支架的ALP活性高于孔隙率为25％的β-TCP支架，此外，孔隙率为65％和75％的β-TCP支架的干细胞矿化能力比孔隙率为25％的β-TCP支架好。Lu等(Lu J,Flautre B,Anselme K,et al.Role of interconnections in porous bioceramics onbone recolonization in vitro and in vivo[J].Journal of Materials ScienceMaterials in Medicine,1999,10(2):111-120.)对陶瓷连通孔的骨再生性能进行了研究，体外实验表明成骨细胞可通过连通孔迁移到大孔，并在大孔内铺展和增殖，允许细胞迁移和穿透的最小连通孔为20μm，但是连通孔大于40μm时细胞穿透效果更好。体内实验表明大于20μm的连通孔允许细胞穿透并在大孔内形成软骨样组织，但是当连通孔大于50μm时才能保证大孔内矿化骨的形成。