孔隙率可控的多孔羟基磷灰石生物陶瓷的制备

摘 要:
采用凝胶成型法制备用作骨移植和药物传递的多孔羟基磷灰石 ( H A ) 生物医用陶瓷,
通过改变工艺参数制得了孔隙率和孔径可控 、 内部连通的三维网状开孔结构的 H A, 对其孔隙率、 孔径及生物相容性进行了分析 。结果表明: 通过改变循环浸渍次数可以控制调节孔隙率在 45% ~ 92% 之间; 通过改变母体模板和浆料涂层的厚度可以控制孔径 ; 制得的 H A 具有良好的生物相容 性, 具有这种特点的孔洞结构有利于骨细胞的生长 。 关键词 : 羟基磷灰石 ; 多孔陶瓷; 孔隙率; 生物相容性
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王莉丽 , 等 : 孔隙率可控的多孔羟基磷灰石生物陶瓷的制备
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1. 1
试样制备与试验方法
试样制备
5% CO 2 的空气条件下, 于培养皿中重新培养。培 养 5 d 后, 用 戊 二 醛 ( 2. 5% ) 、 不同浓 度的乙醇 ( 70% 、 90% 和 100% ) 脱水后 , 用扫描电镜可以观察 到增生细胞的组织。把经过体外细胞培养 5 d 后的 多孔支架试样放在高速离心分离机中 , 分离出吸收 于多孔中的骨细胞 , 用 F 4500 型分光光度计在 410 nm 下测量多孔支架中细胞的吸收率。
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王莉丽 , 等 : 孔隙率可控的多孔羟基磷灰石生物陶瓷的制备 ( 1) 以 H A 粉体为原料, 通过凝胶成型法成功 制备出了具有三维网状开孔结构、 理想孔径尺寸和 孔隙率的多孔 H A, 并且抗压强度达 3. 4 M Pa 。 ( 2) 随着浸渍次数的增加 , 所制多孔 H A 的孔 隙率降低 , 抗压强度上升, 并且可以控制孔径、 孔隙 率的大小。
[ 4] [ 1]
。孔隙率的大小应当满
足骨单位细胞生长所需的空间。研究表明[ 5- 7] , 首 m 之间 , 而且孔隙连通 , 最有利于新骨的生长 ; 当孔 隙率超过 30% 以后 , 孔
收稿日期 : 2006 12 18; 修订日期 : 2007 03 09 作者简介 : 王莉丽 ( 1974- ) , 女 , 陕西咸阳人 , 讲师 , 硕士。
Micrograph of polymeric sponge templ ate
随着浸渍次数增多 , 孔壁逐渐增 厚, 孔隙 率降 低, 孔径尺 寸减 小。经 2, 5 次 浸渍 后孔 径尺 寸在 300~ 600 m 之间; 由 图 3 可见 , 随着浸 渍次数增 多, 孔隙率基 本呈直线下降 , 1 次浸渍后孔 隙率为 92% , 2 次后孔隙率下降到 78% , 5 次后就下降到了 45% 。
co nt rollable po rous str ucture was report ed. T he por e mo rpho lo gy , size, and distributio n of the scaffolds wer e char acter ized using a elect ron micr oscope. T he poro sity o f the open por es in the scaffold co uld be contro lled by number s o f r eplicatio n cycle and it is between 45% - 92% . M eanwhile, the aperture of the open por es in the scaffo ld is dependent on both number s o f r eplicatio n cycle and the po re dimensio n of the po lymer ic spong e template. T he po rous biomater ial is pr ov ed to have a go od com patible by v itr o cellular assay. T he osteo blast like cells ar e att ached and spr eaded well thro ug hout the po ro us scaffold.
采用溶胶 凝胶法制备的羟基磷灰石粉体 , 其粒 径为 0. 5~ 1. 0 m, 将其在 900 ! 保温 1 h 进行预 处理。取 100 g H A 粉 体充 分分散 在 150 mL 的 95% 乙醇中, 制得初始浆料。选用聚乙烯醇缩丁醛 ( PVB, 上海化工厂 ) 做 为粘结剂 ; 在另外一个烧 杯 中, 取 6 g PV B 分散在 50 m L 的 95% 乙醇中, 随后 将其加入初始料浆中 , 在电磁搅拌机上充分搅拌 24 h 得到浆料。 选用弹性高、 气孔均匀、 孔隙率高并且具有三维 网状开孔结构 的软质 泡沫 塑料作 为模 板, 孔径 在 500~ 800 m 之间 , 切成 15 cm ∀ 15 cm ∀ 15 cm 大 小, 经表面活性剂多次洗涤后 , 烘干备用。 用手工方法将经处理的模板浸入浆料中得到成 形体, 排除其中的气体 , 吹干 , 均匀分散浆料使成型 体组织结构均匀 , 形成无阻塞的孔, 将其在 80 ! 烘 干 10 min。这样一浸一干重复 5 次, 随后将成形体 在 80 ! 烘干 12 h。 最后对浸渍好的成形体作 1 050 ! ∀ 8 h 的热 处理 , 升温速率控制在 2 ! / min, 烧掉软质泡 沫塑 料和粘结剂, 随后在 1 200 ! 进行固化 , 最终获得密 集的多孔 H A 。 1. 2 试验方法 用 SZ 61 型体视显微镜来观察不同条件下所得
图3 Fig. 3 循环浸渍次数与孔隙率 、 抗压强度的关系 as a functi on of times
( 3) 具有内部贯通、 呈网状孔结构特点的多孔 H A 有利于骨细胞生长 , 具有良好的生物相容性。
参考文献 :
[ 1] [ 2] 姚秀敏 , 谭寿洪 , 江东亮 . 孔径可 控的多 孔羟基 磷灰石 的制备 工艺研究 [ J] . 功能材料与器件学报 , 2001( 6) : 152- 156. 朱新文 , 江东亮 , 潭寿洪 . 碳化硅网眼多孔 陶瓷的制 备 [ J ] . 无 机材料学报 , 2000, 5( 6) : 1055- 1060. [ 3] Weng Wenjian , Zh ang S am , Chen g K ui. Sol gel preparat ion of bioact ive apati te f ilm s [ J ] . S urface and Coat ing Techn ol ogy, 2003( 167) : 292- 296. [ 4] A f shar, G horbani M , Eh san i N , et al . S ome import an t fact ors in t h e w et prcipit at ion process of hydroxyapat it e[ J] . M at erical an d D esign , 2003( 24) : 197- 202. [ 5] A nee T K , A s hok M , Palanichamy M , et al . A novel t ech nique t o synt hesize hydroxyapat it e at low t em perat ure [ J ] . M aterical Chemist ry and Physics, 2003( 80) : 725- 730. [ 6] Pena J, V allet R egi M . Hyd rox yapat it e , t ricalcium phos ophat e and biph asi c mat ericals prepared by a liquid mix t ech nique[ J ] . J ou rnal of t he European Ceramic Societ y, 2003( 23) : 1687- 1697.
第 31 卷 第 10 期 2007 年 10 月
机
M at erials
械
f or
工
程
材
料
M echanical
Eng ineering
Vo l. 31 No . 10 O ct. 2007
孔隙率可控的多孔羟基磷灰石生物陶瓷的制备
王莉丽, 王秀峰, 张争光 ( 陕西科技大学材料科学与工程学院, 陕西西安 710021)
图1 Fig. 1
软质泡沫塑料模板的结构
到的多孔 H A 的孔径、 孔结构及其孔的分布; 用 In st ron 1020 型材料试验机测量试样的抗压强度 ; 用 液相位移法测量多孔体的孔隙率。 用含有 10% 牛胎儿血清的 Dulbecco#s m odied Eag le#s 培养液( FBS, 美国生活技术公司 ) 进行人类 骨细胞( H OS) 的培养。再将细胞分别放在 16 个含 有 1 ∀ 1 04 个 / mL 多 孔 H A 的 培 养皿 中 , 在 37 ! 、
中图分类号 : T G146. 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 3738( 2007) 10 0038 03
Preparation of Porous Hydroxyapatite Scaffolds with Controllable Porosity
WANG Li li, WANG Xiu feng, ZHANG Zheng guang ( Shaanxi U niv ersit y o f Science and T echnolo gy, Xi an 710021, China) Abstract: A no vel technique of fabr icatio n H A po ro us scaffo lds w ith impr oved mechanical str eng th and
Key words: hydro xy apat ite; por ous cer amic; por osity ; com patible
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引
言
隙之间能相互连通 , 新生组织可以从人工骨表面长 入孔内, 而且相互结合起来 , 这样不仅获得了良好的 界面结合 , 还 由于新生组织的长 入, 既降 低了多孔 H A 的脆性, 又提高了其抗弯强度。 目前制备多孔羟基磷灰石的方法很多 , 主要有 添加造孔剂法、 发泡法、 聚合物泡沫复型法等。但添 加造孔剂法制备的是闭孔的多孔体 , 而且孔的内部 连通性较差, 孔分布不均匀 , 难以获得高孔隙率制品 ( 一般不超过 50% ) ; 发泡法制备的多孔体一般 也都是闭孔的 , 虽孔隙率高、 强度高 , 但是孔洞彼此 不连通, 不适合于制备生物多孔支架; 聚合物泡沫复 型法是通过复制多孔聚合物泡沫模板来获得开孔的 多孔陶瓷支架材料 , 该方法可以得到内部连通的孔 洞体 , 但孔径 大多在 200 m 以 下, 而 且孔不 够连 通, 不能够满足骨植入和药物传递方面的需 求[ 10] 。 为此 , 作者 开发了一 种新型的 制备多 孔 H A 的方 法, 以满足制品孔隙率高( 可达 45% ~ 92% ) 并且可 控、 孔三维连通、 孔径可以控制的要求。
[ 8, 9]
羟基磷灰石 ( H A) 是人体和动物骨骼的主要无 机成分 , 具有良好的生物相容性、 生物活性、 骨传导 性, 而且和人体骨组织具有极好的化学和生物亲合 性, 近 20 多 a 来 已经被广泛应用 于整形外科和 牙 科 。生物研究和临床应用表明, 研制一种三维内 部连通的多孔结构材料是很有必要的, 因为这种多 孔结构可以允许细胞的附着、 增殖和分化, 而且可以 为生物流体提供通道 [ 2, 3] 。对于多孔生物陶瓷的种 植体而言 , 孔径、 孔隙率以及孔的内部连通性是骨长 入方式和数量的决定因素 先孔径控制在 400~ 500
( a) Fi g. 2
1次 图2
( b)
2次
( c)
5次
浸渍不同次数多孔体的显微结构
Micrographs of interconnected porous HA scaffolds after being i mmersed for one, two, fi ve times respectively
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2. 1
试验结果与讨论
多孔 HA 的孔形貌 由图 1 可见, 软质泡沫塑料模板为三维网状开
孔结构。图 2 表明 , 所得试样和模板的结构相似 , 具 有开孔网状结构 , 孔与孔之间相 互贯通, 孔隙率较 高, 且分布均匀, 孔径较大, 其中经 1 次浸渍后的多 孔体孔之间的连接部分较薄, 孔结构接近于模板形 貌, 孔径在 400~ 800 m 之间。