一种骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架及其制备方法与流程

本发明涉及骨修复材料领域，具体涉及到一种孔隙率高、力学性能好、生物可降解的生物活性陶瓷纤维复合支架材料及其制备方法。

背景技术：

组织工程学为骨组织损伤的再生修复提供了一条可行的途径，它是通过构建细胞与生物材料的三维空间复合体，对病损的组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。骨组织是非常典型的无机/有机复合体，通过一定的方式组合在一起形成强而韧的骨组织。人体正常骨组织的无机成分主要为磷酸钙盐，以及镁、锰等一些掺杂元素，有机成分主要为胶原及其他蛋白质，无机成分与有机成分的重量比分别约为67％和33％。用于骨再生修复的材料，除了具有良好的生物相容性、一定的力学性能、适当的降解特性外，仿生天然骨细胞外基质的组成和结构，赋予修复材料具有良好的骨传导和骨诱导性能，对于实现理想的功能重建至关重要。

组织工程支架是细胞赖以生存、增殖和分化的场所，从组成上考虑，多孔陶瓷支架是引导受损骨组织再生和重建的良好选择。制备多孔陶瓷支架的方法主要有造孔剂法、化学发泡法、3d打印法、有机泡沫浸渍法、冷冻干燥法等，但不同制备方法对支架的孔隙结构、降解行为、力学性能及生物活性均会有影响。例如，造孔剂法常导致孔径分布宽但孔连通性差，支架脆性大，压缩强度和模量有限；化学发泡法制得的支架，一般抗压强度低，孔隙率不高，不利于细胞长入及营养物质运输；3d打印成型的支架，虽然孔径及孔结构的可控性较高，但其成型精度难以仿生天然骨的微观结构。而陶瓷纤维支架可以在组成和形貌上最大程度地仿生天然骨的细胞外基质，为细胞增殖和分化，以及骨重建提供适宜的微环境。采用溶胶-凝胶结合溶液静电纺丝技术是制备陶瓷纤维的有效方法，其原理是将制备陶瓷材料的前驱体溶胶-凝胶，与高分子助纺剂溶液充分混合，经静电纺丝成型后，通过高温烧结完成前驱体向陶瓷相的转变，在此过程中高分子助纺剂通过热降解去除，从而得到陶瓷纤维。不同于现有的磷酸钙、硫酸钙和珊瑚等骨修复材料，得益于溶胶-凝胶配置的可调节性，各种生物活性陶瓷纤维可方便地制备出来，如磷酸钙陶瓷纤维、硅酸钙陶瓷纤维、生物活性玻璃纤维等。各种促成骨微量元素如镁、锌、锶等，也可以在前驱体溶胶-凝胶形成过程中掺入，烧结后得到单一或多种离子掺杂的陶瓷纤维，使纤维组成更接近天然骨矿，具有更优异的骨传导和骨诱导性能。

但是，源于静电纺丝的制备原理，上述制备的陶瓷纤维一般为直径可控的连续长纤维，堆积为二维的纤维膜形态，很难直接成型为具有三维立体结构的多孔支架，往往并不适合直接作为大块组织缺损再生修复材料。因此，本发明的设计思路是将上述溶胶-凝胶/静电纺丝制备的生物活性陶瓷纤维搭接形成三维立体结构，并为了适应骨组织再生修复对支架强度的需求，在陶瓷纤维表面均匀涂覆一层生物医用高分子，在提高陶瓷纤维支架力学性能和调节其生物可降解性能的同时，不破坏支架仿生天然骨细胞外基质的微结构，从而发展一种孔隙率高、力学性能好、生物可降解的骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架材料。

技术实现要素：

针对传统陶瓷支架材料存在脆性大、不易加工成型、降解性和生物活性不理想等不足，本发明的目的是发展一类力学性能和生物相容性优良且可降解的生物活性陶瓷纤维多孔支架材料。本发明的陶瓷纤维多孔支架是将硅酸钙、生物活性玻璃、磷酸钙、钛酸钡纤维等生物活性陶瓷作为支架主体，通过浸渍-离心-干燥的工艺，在陶瓷纤维表面均匀涂覆一层可降解的生物医用高分子材料，从而得到一种孔隙率高、力学性能好、生物可降解的骨修复用生物活性陶瓷纤维复合支架材料。生物活性陶瓷材料本身易与宿主骨形成骨性结合，其降解释放的无机离子，根据所释放离子的种类和浓度，可参与并促进机体的成骨甚至成血管代谢活性，对组织再生修复具有刺激或诱导作用，促进缺损骨组织的修复和功能重建。陶瓷纤维支架表面涂覆的生物医用高分子材料，其降解产物对机体无害并可通过参与机体的代谢过程排出体外。通过选择不同种类的无机陶瓷纤维材料以及采取多种无机陶瓷纤维材料的复合，再与具有不同降解性能的生物医用高分子材料复合，即可获得一类降解速度可控、力学性能优异、成骨生物活性高的多功能性生物活性陶瓷纤维复合支架材料。本发明同时提供一种生物活性陶瓷纤维复合支架材料的制备方法，包括由陶瓷纳米纤维搭接制备三维多孔无机纤维骨架的方法，以及在陶瓷纤维均匀涂覆生物医用高分子的一种简便优异的涂覆工艺。

本发明的一种孔隙率高、力学性能好、生物可降解的生物活性陶瓷纤维复合支架材料，其具体制备方法如下：

(1)将制备目标陶瓷纤维所需的前驱体物质硝酸盐加入乙醇中，待其完全溶解后，向其中加入适量1mol/l稀盐酸调节体系ph值，再加入前驱体正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、钛酸四丁酯中的一种或两种，37℃水浴下搅拌陈化3天得到溶胶-凝胶溶液。

(2)将高分子助纺剂溶于乙醇，得到的澄清透明溶液，与步骤(1)中的溶胶-凝胶溶液等质量混合，室温下搅拌过夜得到纺丝液。

(3)利用静电纺丝工艺将步骤(2)中获得的溶液纺丝，以金属平板或滚筒为接收装置，收集得到纤维堆积形成的纤维膜。

(4)将步骤(3)中获得的纤维膜裁剪成1*1cm²的碎片，置于去离子水中，用均质机将纤维膜进一步剪切分散，获得均匀分散的纤维悬浮溶液。

(5)将步骤(4)中获得的纤维悬浮溶液，转移到聚四氟乙烯模具中，-4℃预冷1h，-20℃静置过夜、冷冻干燥48h后获得成型的三维结构多孔支架。

(6)将步骤(5)冷冻干燥成型的支架经高温烧结处理去除有机物，同时前驱体物质在高温处理下转变为的无机陶瓷成分，获得三维搭接的无机陶瓷纤维支架。

(7)将可降解的有机生物医用高分子材料溶于二氧六环或水，配制成不同浓度的高分子溶液，将步骤(6)制备的无机陶瓷纤维支架置于其中，采用浸渍-离心-干燥的涂覆工艺，在陶瓷纤维表面均匀涂覆生物医用高分子材料，经冷冻干燥后，制成一种孔隙率高、力学性能好、生物可降解的骨修复材料。

制备步骤(1)中所述硝酸盐类，可以是硝酸钙、硝酸镁、硝酸锌、硝酸锶、硝酸锰和钛酸钡等硝酸盐中的一种或者多种复合。硝酸盐的醇溶液浓度为20-60wt.％，优选浓度为30-40wt.％。

制备步骤(1)中所述前驱体正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、钛酸四丁酯，可以是它们中的一种或两种复合，添加浓度为20-60wt.％，优选浓度为30-40wt.％。

制备步骤(2)中所述高分子助纺剂，可以是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛中的一种，添加浓度5-15wt.％，优选浓度8-10wt.％。

制备步骤(4)中所述纤维悬浮溶液，纤维在水中的浓度为0.2-10wt.％，优选浓度为0.5-2wt.％。

制备步骤(6)中所述高温烧结处理，烧结气氛为空气，烧结温度为800-1200℃，优选温度为1000℃，烧结时间为2-6h，优选时间4h。

制备步骤(7)中所述可降解的有机生物医用高分子材料，可以是可溶于二氧六环的合成高分子聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯及它们的共聚物中的任一种，可以是可溶于水的天然高分子胶原、明胶、壳聚糖、透明质酸、海藻酸钠、丝素蛋白中的一种，高分子溶液浓度为0.1-10wt.％，优选浓度为1-6wt.％。

制备步骤(7)中所述在陶瓷纤维表面均匀涂敷生物医用高分子材料，浸渍-离心-干燥的涂覆工艺，根据所用高分子的种类和高分子溶液的浓度，可以是一次或重复多次，在不破坏陶瓷纤维支架微结构前提下，控制陶瓷纤维表面涂层厚度50-200nm。

由上述方法制备的有机无机复合三维陶瓷纤维支架，孔隙率在90％以上，具有连续贯通的孔隙结构，孔径为50-200μm，孔壁由纤维搭接构成，纤维间距2-5μm，其中，大孔利于细胞迁移和组织長入，孔壁上的微孔利于营养物质的运输和细胞代谢废物的排出，可以作为骨修复支架材料。

发明效果

本发明所制备的有机无机复合三维陶瓷纤维多孔支架骨修复材料，是一种以三维搭接的陶瓷纤维支架为主体，陶瓷纤维表面均匀涂覆有可降解生物医用高分子的仿生支架材料，能提供利于细胞粘附和增殖的孔道结构，能提供利于成骨分化的生物活性成分，能提供利于骨缺损再生修复和功能重建的力学性能和支撑作用。一般而言，单纯采用溶胶凝胶-高温烧结制备的多孔陶瓷支架，不仅脆性大、力学性能较差，且其实壁孔结构与天然骨细胞外基质的纤维网状结构差异较大。本发明利用溶胶凝胶结合静电纺丝和高温处理制备的陶瓷纤维三维多孔支架结构，仿生天然骨细胞外基质的微观形貌，其细胞相容性显著提高，为细胞粘附、增殖和分化提供了更适宜的微环境。在不破坏陶瓷纤维支架微结构前提下，通过进一步在陶瓷纤维表面均匀涂覆可降解的生物医用高分子材料，可以显著改善陶瓷多孔支架的脆性，提高陶瓷多孔支架的力学性能，并调控支架的生物相容性和细胞亲和性。

本发明所制备的涂覆生物医用高分子的有机无机陶瓷纤维复合多孔支架，其力学性能、降解速率、成骨生物活性，由无机陶瓷纤维本身的化学组成和结晶结构，以及所选用生物医用高分子的化学组成和分子量决定。不同的前驱体种类，决定了陶瓷纤维的组成可以是硅酸钙、生物活性玻璃、磷酸钙、钛酸钡纤维等中的一类；不同的前驱体组成和投料比，决定了陶瓷纤维的具体化学组成，以磷酸钙陶瓷纤维为例，可以是羟基磷灰石纤维、β-磷酸三钙纤维或它们的复相纤维；选用不同的掺杂离子及改变掺杂离子的投料比，如镁离子掺杂磷酸钙纤维、锶离子掺杂硅酸钙纤维、镁锶离子共掺杂生物活性玻璃纤维等，都可以采用相似方法制备；改变高温处理的温度和时间，还可以调控陶瓷纤维呈现无定形、结晶性、玻璃陶瓷等；所涂覆生物医用高分子的种类，如合成的脂肪族聚酯材料、天然来源的蛋白质和多糖高分子，它们或亲水或疏水，它们或降解快或降解慢，它们或刚性或柔性，由此可显著影响陶瓷纤维支架的力学、降解和生物学性能。因此，本发明的有机无机陶瓷纤维多孔支架具有多重可设计性，在实际应用中，可根据不同骨缺损修复的时间和功能重建需要，选择具有恰当涂覆层的合适陶瓷纤维支架，主要利用陶瓷纤维的组成和离子释放来调节其促成骨活性，利用陶瓷纤维的组成和结晶性以及涂覆高分子的种类来调控其降解性能，通过改变涂覆高分子的种类、分子量和涂覆层厚度等因素优化陶瓷纤维支架的力学性能等手段，以达到最佳的骨缺损修复效果。

本发明所制备的涂覆生物医用高分子的有机无机陶瓷纤维复合多孔支架，由于其力学性能改善使支架更易加工成型，针对目标骨缺损填充需求，可以利用模具一次成型或后切削成型为所需的立体支架，也可以通过粉碎、筛分成小颗粒，填充到非承重部位骨缺损处用于骨引导再生修复。

本发明所制备的有机无机复合三维陶瓷纤维多孔支架骨修复材料，通过生物活性陶瓷纤维材料和涂覆生物医用高分子材料的优化配比，不仅具有良好生物相容性，而且不同于现有占位性修复的陶瓷类骨填充修复材料，其所具有的降解性能可调节性，能更好地满足骨缺损部位对修复材料的要求。

以下结合具体实施方式对本发明的内容进行详细说明，但本发明并不限于以下这些实例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明：

图1：由初纺纤维膜均质粉碎悬浮溶液冷冻干燥得到的三维纤维支架形貌图。

图2：经1000℃高温烧结处理和后续明胶溶液浸渍涂覆得到的有机无机硅酸钙陶瓷纤维支架形貌图。

图3：涂覆不同生物医用高分子磷酸钙陶瓷纤维支架的压缩应力-应变曲线对比

具体实施方式：

下面结合具体实例，进一步阐述本发明。

实施例1

(1)将7.56g四水合硝酸钙加入到15ml乙醇超声溶解2h，加入800μl1mol/l的稀盐酸溶液和15.14ml的正硅酸四乙酯，37℃水浴搅拌陈化3天得到溶胶-凝胶溶液。

(2)将1g聚乙烯醇溶于9g乙醇中配制浓度为10wt.％的澄清透明溶液，将其与步骤(1)所制备的溶胶-凝胶溶液等质量混合，37℃水浴磁力搅拌过夜。

(3)利用静电纺丝工艺将步骤(2)中获得的前驱体溶液纺丝得到纤维膜，纺丝参数为：电压22kv，接收距离为15cm，流速为0.6ml/h，环境的湿度控制在20±5o，温度为35±2℃。

(4)将0.2g步骤(3)获得的纤维膜剪成1*1cm²大小的碎片，悬浮于20ml去离子水中，用均质机以15000rpm的速率高速剪切20min，得到分散均匀的纤维悬浮溶液。

(5)将步骤(4)得到的纤维悬浮溶液转移至聚四氟乙烯模具，随后将模具置于4℃预冷1h，-20℃冷冻24h后真空冷冻干燥48h，得到由初纺纤维搭接形成的硅酸钙三维支架，为多孔材料。

(6)将步骤(5)得到三维纤维支架放入管式炉，空气气氛下，于1000℃烧结6h，得到三维硅酸钙陶瓷纤维多孔支架，可降解不会导致占位修复，降解溶出的各种促进骨沉积的离子，硅离子能够激发骨组织与血管的生长，利于骨修复进程的进行。

(7)40℃加热搅拌下，将0.5g明胶溶于10ml去离子水，再加入0.45g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(edc)和0.108gn-羟基琥珀酰亚胺(nhs)，室温搅拌至完全溶解。

(8)将步骤(6)制备的三维硅酸钙陶瓷纤维多孔支架，完全浸没于步骤(7)所配置的明胶溶液中，采用浸渍-离心-再浸渍的涂覆工艺循环操作三次后，置于-20℃下冷冻12h，然后冷冻干燥，得到明胶涂覆的三维硅酸钙陶瓷纤维多孔支架。其中，离心操作的参数设置为：转速2000rpm，离心时间2min。

实施例2

(1)将10ml磷酸三乙酯以摩尔比1:3:3的比例与去离子水和无水乙醇进行混合，在80℃下水解28h后，冷却至室温，作为磷源。

(2)称量7.56g的四水合硝酸钙加入15ml乙醇中，超声溶解2h，作为钙源。

(3)将15.14ml正硅酸四乙酯加入到步骤(2)中的钙源，37℃水浴搅拌12h至澄清透明。

(4)将步骤(3)中的溶液滴加到步骤(1)制备的磷源溶液中，控制投料钙磷摩尔比为1.3。待滴加完成后，继续搅拌3h，然后将溶胶置于37℃水浴中，磁力搅拌3天进行充分的陈化。

(5)将充分陈化后的凝胶与水和5wt.％助纺剂聚乙烯吡咯烷酮水溶液按照质量比为5:1进行混合，在37℃的水浴中，磁力搅拌12h得到透明澄清的纺丝液。使用静电纺丝设备进行纺丝，纺丝过程中，直流高压电设置为20kv，针头与接收装置的距离为15cm，流速0.8ml/h，环境的湿度控制在20±5°，温度为30±2℃。

(6)将0.2g步骤(5)获得的纤维膜剪成1*1cm²大小的碎片，悬浮于20ml去离子水中，用均质机以15000rpm的速率高速剪切20min，得到分散均匀的纤维悬浮溶液。

(7)将步骤(6)得到的纤维悬浮溶液转移至聚四氟乙烯模具，随后将模具置于4℃预冷1h，-20℃冷冻24h后真空冷冻干燥48h，得到由初纺纤维搭接形成的三维支架。

(8)将步骤(6)得到三维纤维支架放入管式炉，空气气氛下，于800℃烧结3h，得到三维生物活性玻璃陶瓷纤维多孔支架；生物活性玻璃能与骨组织界面之间形成稳固的化学键结合,最终形成类似骨中无机矿物的低结晶度碳酸羟基磷灰石层，诱导骨修复与骨再生。

(9)将0.4g分子量为10万的左旋聚乳酸(plla)溶于10ml二氧六环中配成4％的plla溶液，室温搅拌至完全溶解。

(10)将步骤(8)制备的三维生物活性玻璃陶瓷纤维多孔支架，完全浸没于步骤(9)所配置的plla溶液中，采用浸渍-离心-再浸渍的涂覆工艺循环操作三次后，置于-20℃下冷冻12h，然后冷冻干燥，得到plla涂覆的三维生物活性玻璃陶瓷纤维多孔支架。其中，离心操作的参数设置为：转速2000rpm，离心时间2min。

实施例3

(1)将10ml磷酸三乙酯以摩尔比1:3:3的比例与去离子水和无水乙醇进行混合，在80℃下水解28h后，冷却至室温，作为磷源。

(2)称量6.80g的四水合硝酸钙0.82g六水合硝酸镁加入15ml乙醇中，超声2h使其充分溶解。

(3)将步骤(2)的溶液滴加到步骤(1)制备的磷源溶液中，控制投料钙磷比为1.3。滴加完成后，继续搅拌3h，然后将溶胶置于37℃水浴中，磁力搅拌3天进行充分的陈化。

(4)将充分陈化后的凝胶与5wt.％助纺剂，即聚乙烯醇缩丁醛醛溶液按照质量比为5:1进行混合，在37℃的水浴中，磁力搅拌24h得到透明澄清的纺丝液。使用静电纺丝设备进行纺丝，纺丝过程中，直流高压电设置为22kv，针头与接收装置的距离为20cm，流速0.6ml/h环境的湿度控制在20±5°，温度为30±2℃。

(5)将0.2g步骤(4)获得的纤维膜剪成1*1cm²大小的碎片，悬浮于20ml去离子水中，用均质机以15000rpm的速率高速剪切20min，得到分散均匀的纤维悬浮溶液。

(6)将步骤(5)得到的纤维悬浮溶液转移至聚四氟乙烯模具，随后将模具置于4℃预冷1h，-20℃冷冻24h后真空冷冻干燥48h，得到由初纺纤维搭接形成的三维支架。

(7)将步骤(6)得到三维纤维支架放入管式炉，空气气氛下，于1200℃烧结3h，得到三维含镁掺杂的磷酸钙陶瓷纤维多孔支架，磷酸钙的组成与人体骨骼羟基磷灰石的成分最为接近。

(8)室温搅拌下，将0.6g脱乙酰度为55％的壳聚糖溶于30ml去离子水中，搅拌至完全溶解。

(9)将步骤(7)制备的三维镁掺杂磷酸钙陶瓷纤维多孔支架，完全浸没于步骤(7)所配置的壳聚糖溶液中，采用浸渍-取出-离心-再浸渍的涂覆工艺循环操作三次后，置于-20℃下冷冻12h，然后冷冻干燥，得到壳聚糖涂覆的三维掺镁磷酸钙陶瓷纤维多孔支架。

实施例4

(1)将6.05g四水合硝酸钙、0.82g六水合硝酸镁和0.95g六水合硝酸锌混合加入到15ml乙醇超声溶解2h，加入800μl盐酸溶液和15.14ml的正硅酸四乙酯，37℃水浴搅拌陈化3d得到溶胶-凝胶溶液。

(2)将1g聚乙烯醇缩丁醛溶于9g乙醇中配制浓度为10wt.％的澄清透明溶液，将其与步骤(1)所制备的溶胶-凝胶溶液等质量混合，37℃搅拌过夜。

(3)利用静电纺丝工艺将步骤(2)中获得的前驱体溶液纺丝得到纤维膜，纺丝参数为：电压22kv，接收距离为15cm，流速为0.6ml/h。

(4)将0.2g步骤(3)获得的纤维膜剪成1*1cm²大小的碎片，悬浮于20ml去离子水中，用均质机以15000rpm的速率高速剪切20min，得到分散均匀的纤维悬浮溶液。

(5)将步骤(4)得到的纤维悬浮溶液转移至聚四氟乙烯模具，随后将模具置于4℃预冷1h，-20℃冷冻24h后真空冷冻干燥48h，得到由初纺纤维搭接形成的三维支架。

(6)将步骤(5)得到三维纤维支架放入管式炉，空气气氛下，于1000℃烧结6h，得到三维锌、镁共掺杂的硅酸钙陶瓷纤维多孔支架，金属离子的掺杂，更大程度上模拟人体骨骼的组成。

(7)将0.2g分子量为10万的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(plga)溶于10ml二氧六环中，室温搅拌至完全溶解。

(8)将步骤(6)制备的三维硅酸钙陶瓷纤维多孔支架，完全浸没于步骤(7)所配置的plga溶液中，采用浸渍-离心-再浸渍的涂覆工艺循环操作五次后，置于-20℃下冷冻12h，然后冷冻干燥，得到plga涂覆的三维锌镁共掺杂的硅酸钙陶瓷纤维多孔支架。其中，离心操作的参数设置为：转速1500rpm，离心时间2min。

实施例5

(1)将1.86g乙酸钡加入到5.6ml乙酸中，搅拌4h，再加入2.5ml钛酸四丁酯和1.5ml乙酰丙酮，37℃水浴搅拌12h得到溶胶-凝胶溶液。

(2)将1g聚乙烯醇溶于9g乙醇中配制浓度为10wt.％的澄清透明溶液，将其与步骤(1)所制备的溶胶-凝胶溶液等质量混合，室温搅拌过夜。

(3)利用静电纺丝工艺将步骤(2)中获得的前驱体溶液纺丝得到纤维膜，纺丝参数为：电压18kv，接收距离为15cm，流速为1ml/h。

(4)将0.2g步骤(3)获得的纤维膜剪成1*1cm²大小的碎片，悬浮于20ml去离子水中，用均质机以15000rpm的速率高速剪切20min，得到分散均匀的纤维悬浮溶液。

(5)将步骤(4)得到的纤维悬浮溶液转移至聚四氟乙烯模具，随后将模具置于4℃预冷1h，-20℃冷冻24h后真空冷冻干燥48h，得到由初纺纤维搭接形成的三维支架。

(6)将步骤(5)得到三维纤维支架放入管式炉，空气气氛下，于800℃烧结6h，得到三维钛酸钡陶瓷纤维多孔支架，钛酸钡材料具有压电性能，这对于修复骨缺损部分的生理电环境非常重要。

(7)将0.2g分子量为10万的聚己内酯(pcl)溶于10ml二氧六环，室温搅拌至完全溶解。

(8)将步骤(6)制备的三维钛酸钡陶瓷纤维多孔支架，完全浸没于步骤(7)所配置的pcl溶液中，采用浸渍-离心-再浸渍的涂覆工艺循环操作五次后，置于-20℃下冷冻12h，然后冷冻干燥，得到pcl涂覆的三维钛酸钡陶瓷纤维多孔支架。其中，离心操作的参数设置为：转速1500rpm，离心时间2min。

以上实施例均可形成孔隙率高达90％以上、抗压强度达到兆帕级别、生物可降解的骨修复材料。