一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法与流程

本发明属于骨修复医用材料领域，具体涉及一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法。

背景技术：

生物玻璃是一种硅酸盐类的异质骨移植材料，能与骨组织形成骨性键合，并促进新骨形成。当生物玻璃植入骨缺损部位，在生物玻璃与体液之间会发生迅速的离子交换反应，在生物玻璃表面形成含碳酸根的羟基磷灰石层，通过该类骨羟基磷灰石层使材料与骨形成牢固的化学键合。与生物惰性陶瓷相比，生物玻璃具有独特的生物相容性、成骨作用和骨传导作用，但是其机械强度低，脆性大，在一定程度上限制其应用领域。

生物玻璃陶瓷复合材料是由生物陶瓷和生物玻璃所制备而成的复合材料，可以通过调节材料的组成和配比来获得性能更优的生物材料，越来越受关注。常见的生物玻璃陶瓷复合材料多为由生物玻璃和羟基磷灰石所组成。

但现有钙镁硅生物活性玻璃陶瓷生物活性不足，降解速率过快，材料降解后的位置被大量无承重能力的肉芽组织填充，易引起二次骨折。

此外，现有钙镁硅生物活性玻璃陶瓷材料在体内、体外降解时引起ph值快速升高，导致周围微环境ph变化，不利于周围组织和细胞的生长。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷及其制备方法，本发明的复合材料具有良好的力学性能、生物活性以及新骨诱导能力。

本发明采用的技术方案是：

一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的制备方法，

该制备方法包括以下步骤：

步骤s1：制备zn-aw前驱体粉；

步骤s101：将正硅酸乙酯和磷酸三乙酯溶于无水乙醇溶液中，并使之充分混合；

步骤s102：mg(no3)2、ca(no3)2、nh4hf2和zn(no3)2溶解于水中得到无机溶液，将无机溶液缓慢滴加至步骤s101制备的有机溶液中，并加入hno3调节混合溶液ph值为1.0-1.5，搅拌直至形成稳定的溶胶，室温下陈化24h，放入液氮速冷后转入真空冷冻干燥机中,在-40℃下，经充分冷冻干燥得到含锌干凝胶粉末；

步骤s103：将步骤s102制得的含锌干凝胶粉末经800℃煅烧，球磨过200目筛后得到前驱体粉末；

步骤s2：制备锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷；

步骤s201：在步骤s1制备的zn-aw前驱体粉中加入5%的聚乙烯醇溶液和蛋白质发泡剂，经高速机械搅拌得到浆料，将浆料注入模具中并经液氮速冷后转入真空冷冻干燥机充分冻干成型；

步骤s202：成型后的材料经1200℃烧结保温2h得到锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷。

优选的，在上述步骤s101中，正硅酸乙酯和磷酸三乙酯的摩尔比为2.3～2.8：1。

优选的，正硅酸乙酯和磷酸三乙酯的摩尔比为2.5:1。

优选的，在上述步骤s102中，mg(no3)2、ca(no3)2、nh4hf2和zn(no3)2的摩尔比为0～7.2：50.3：0.2：0～7.2。

优选的，其特征在于，mg(no3)2、ca(no3)2、nh4hf2和zn(no3)2的摩尔比为3.6：50.3：0.2：3.6。

优选的，在上述步骤s201中，zn-aw前驱体粉、聚乙烯醇和蛋白质发泡剂的质量比为45～60：40～50：8～12。

优选的，zn-aw前驱体粉、聚乙烯醇和蛋白质发泡剂的质量比为50：40：10。

一种掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷由上述所述的制备方法获得。该掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的孔隙率在75%-83%，平均孔径为200-500μm，抗压强度为30.5mpa，满足非承重骨部位的强度要求。

上述的掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷作为修复材料在非承力部位骨缺损、骨损伤的修复中应用，还可作为组织工程骨支架材料。

本发明的有益效果：本发明以zn(no3)2作为锌源，在原料阶段就让zn元素参与反应体系，利于zn元素在体系中均匀分布。多孔生物活性玻璃陶瓷中适量锌元素的加入不仅有利于提高多孔生物活性玻璃陶瓷材料的力学强度而且在材料植入体内后，其中的zn元素将会持续而缓慢的释放到周围体液中并进而对成骨细胞相关蛋白的表达起到有利的作用，并最终诱导和促进新骨的形成，加速骨缺损/损伤部位的重建过程。

本发明的多孔生物活性玻璃陶瓷材料还可以以涂层材料的形式与医用金属植入物等进行复合，可以起到改善金属植入物与植入处骨组织之间力学连接的作用。

本发明的多孔生物活性玻璃陶瓷作为骨修复材料具有良好的力学性能、生物活性以及新骨诱导能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明采用溶胶-凝胶法制备zn-aw前驱体粉的流程图；

图2为本发明制备制备多孔zn-aw骨修复材料的流程图；

图3为不同锌含量样品的xrd谱图；

图4为不同掺锌浓度样品的抗压强度，aw为掺zn前的样品；

图5为掺锌前的样品（a）和掺锌后（b）的样品与mg-63细胞共培养3天后的sem照片；

图6为动物体内植入实验图；

图7为掺锌样品经动物体内植入8周后的组织学观察图，（a）为he染色，（b）为masson三色染色；

图8为掺锌前（a）和掺锌后（b）的样品植入动物体内8周后的i型胶原免疫组化染色图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

步骤s1：制备zn-aw前驱体粉（如图1所示）

按照摩尔比为2.5:1称取正硅酸乙酯（teos）和磷酸三乙酯（tep）溶于无水乙醇溶液中（teos与无水乙醇的摩尔比为6:7），并使之充分混合；

按照摩尔比为1.8：50.3：0.2：1.8称取mg(no3)2、ca(no3)2、nh4hf2和zn(no3)2，并溶解于水中（水和ca(no3)2的摩尔比例为6:1）得到无机溶液，将无机溶液缓慢滴加至上述的有机溶液中，并加入hno3调节混合溶液ph值为1.0，搅拌直至形成稳定的溶胶，室温下陈化24h，放入液氮中速冷后转入真空冷冻干燥机中，在-40℃下，经充分冷冻干燥得到含锌干凝胶粉末。干凝胶粉末经800℃煅烧，球磨过200目筛后得到前驱体粉末。

步骤s2：制备锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷（如图2所示）

前驱体粉末中加入5%的聚乙烯醇（pva）溶液和蛋白质发泡剂（质量比为：50:40:10），经高速机械搅拌得到浆料，将浆料注入模具中并经液氮速冷后转入真空冷冻干燥机充分冻干成型，成型后的材料经1200℃烧结保温2h得到锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷医用骨修复材料。

掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的孔隙率在75%-80%，平均孔径为360μm，拥有良好的贯通性，是细胞迁移和组织长入适宜的孔径。平均抗压强度在42.0mpa。

实施例2

步骤s1：制备zn-aw前驱体粉

按照摩尔比为2.5:1称取正硅酸乙酯（teos）和磷酸三乙酯（tep）溶于乙醇溶液中（teos与无水乙醇的摩尔比为6:7），并使之充分混合；

按照摩尔比为3.6：50.3：0.2：3.6称取mg(no3)2、ca(no3)2、nh4hf2和zn(no3)2，并溶解于水中（水和ca(no3)2的摩尔比例为6:1）得到无机溶液，将无机溶液缓慢滴加至上述的有机溶液中，并加入hno3调节混合溶液ph值为1.3，搅拌直至形成稳定的溶胶，室温下陈化24h，放入液氮速冷后转入真空冷冻干燥机中，在-40℃下，经充分冷冻干燥得到含锌干凝胶粉末。干凝胶粉末经800℃煅烧，球磨过200目筛后得到前驱体粉末。

步骤s2：制备锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷

前驱体粉末中加入5%的聚乙烯醇（pva）溶液和蛋白质发泡剂（质量比为：50:40:10），经高速机械搅拌得到浆料，将浆料注入模具中并经液氮速冷后转入真空冷冻干燥机充分冻干成型，成型后的材料经1200℃烧结保温2h得到锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷医用骨修复材料。

掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的孔隙率为80%，平均孔径为400μm，拥有良好的贯通性，是细胞迁移和组织长入适宜的孔径。平均抗压强度为30.5mpa。满足非承重骨部位的强度要求。

实施例3

步骤s1：制备zn-aw前驱体粉

按照摩尔比为2.5:1称取正硅酸乙酯（teos）和磷酸三乙酯（tep）溶于乙醇溶液中（teos与无水乙醇的摩尔比为6:7），并使之充分混合；

按照摩尔比为7.2：50.3：0.2：7.2称取mg(no3)2、ca(no3)2、nh4hf2和zn(no3)2，并溶解于水中（水和ca(no3)2的摩尔比例为6:1）得到无机溶液，将无机溶液缓慢滴加至上述的有机溶液中，并加入hno3调节混合溶液ph值为1.3，搅拌直至形成稳定的溶胶，室温下陈化24h，放入液氮速冷后转入真空冷冻干燥机中，在-40℃下，经充分冷冻干燥得到含锌干凝胶粉末。干凝胶粉末经800℃煅烧，球磨过200目筛后得到前驱体粉末。

步骤s2：制备锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷

前驱体粉末中加入5%的聚乙烯醇（pva）溶液和蛋白质发泡剂（质量比为：50:38:12），经高速机械搅拌得到浆料，将浆料注入模具中并经液氮速冷后转入真空冷冻干燥机充分冻干成型，成型后的材料经1200℃烧结保温2h得到锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷医用骨修复材料。

掺杂锌元素的多孔生物活性玻璃陶瓷的孔隙率在80%-83%，平均孔径为390μm，拥有良好的贯通性，是细胞迁移和组织长入适宜的孔径。平均抗压强度为13.5mpa。

不同锌含量样品的xrd谱图如图3所示，结果表明：zn元素的加入使得多孔生物活性玻璃陶瓷复合材料的主晶相发生改变，当zn元素含量达到一定水平的时候（摩尔百分比达到1.8%）材料的主晶相转变为锌黄长石相，结晶度提高。

不同掺锌浓度样品的抗压强度如图4所示，材料中少量锌元素的掺入可以显著提高材料的抗压强度（1.8%zn和3.6%zn的抗压强度分别为未掺杂材料的310%和225%）。更多zn元素（如7.2%zn）的掺入则会导致材料中玻璃相大量增加，反而不利于强度提高。按制备工艺制备直径为(20±2)mm，高度为(20±2)mm的柱状试样，将试样上下表面打磨平整并清洗，确保试样上下表面平行度小于0.01mm/cm，每组试样不少于5个。

将各组试样装载于万能材料力学测试机上，以200n/s的速度施加负荷，直至试样破坏（以试样高度发生10%的变化为试样破坏点）。

结果表明：多孔生物活性玻璃陶瓷复合材料的抗压强度得到明显的提高。

锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷特性分析

掺锌前的多孔生物活性玻璃陶瓷（a）与mg-63细胞共培养3天和掺锌后多孔生物活性玻璃陶瓷（b）与mg-63细胞共培养3天后的sem照片如图5所示，结果表明，与细胞共培养3天后各组材料表明均有细胞粘附和铺展，然而细胞的生长状况并不相同。未掺锌材料表面生长的细胞密度要明显低于掺锌组，且细胞密度和铺展情况不如掺锌组材料，显示细胞的生长和增殖受到了一定程度的抑制。掺锌材料的表面已基本被细胞覆盖，细胞多呈梭形并完全铺展，仅有非常少的材料表面仍然裸露在外，且能观察到细胞分泌的细胞外基质，显示细胞增殖迅速、处于非常活跃的状态。掺锌后多孔生物活性玻璃陶瓷更加利于细胞增殖、生长。

以新西兰大白兔为实验对象，研究锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶瓷的骨诱导修复能力。

动物模型建立：6月龄新西兰成年大白兔雌性和雄性相同数量，体重2.5-2.8kg，将新西兰大白兔后腿上的兔毛剔除掉，在股骨髁处钻孔，人为制造一个圆柱形骨缺损，将准备好的锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶修复材料植入此骨缺损处，进行缝合，动物饲养（如图6所示）。

植入8周后观察组织结构（如图7所示），（a）为he染色，（b）为masson三色染色，nb=新生骨组织，m=材料碎片，结果表明：植入8周后，锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶修复材料出现降解，锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶修复材料周围未见纤维包裹，显示锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶修复材料具有良好的组织相容性。锌钙镁硅多孔生物活性玻璃陶修复材料内部未见肉芽组织而有大量新骨形成并填充材料降解后所留下的空隙，显示掺zn的多孔生物活性玻璃陶修复材料能够匹配新骨生成。

材料植入动物体内8周后的i型胶原免疫组化染色图片如图8所示，掺锌前（a）和掺锌后（b），nb=新生骨组织，m=材料碎片，ft=纤维细胞和纤维组织。结果表明：植入8周后，没有掺锌材料的内部出现明显的降解，大量不具有结构强度的肉芽组织和纤维组织填充材料降解后所留下的空间（图中ft）。而zn-aw材料在降解后留下的空间则被新生的骨基质所填充，说明zn元素的掺入使原来的材料具有了更优秀的原位骨诱导能力。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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