多孔貫通HA陶瓷支架的制備及性能表征.pdf

1、組織工程的核心是用具有生物活性、可生物降解的聚合物為材料在體內(nèi)或體外構(gòu)建可支持組織細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、遷移、黏附的支架。骨組織工程支架具備骨誘導(dǎo)、骨植入等功能，在骨生長(zhǎng)和再生期給予足夠的力學(xué)強(qiáng)度以維系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。支架具有多孔形態(tài)，孔隙率和連通性是其性能的重要參數(shù)，孔隙率較大支架有利于更多的骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，但本身強(qiáng)度有所降低。
　　 羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)存在于人體硬組織如骨和齒中，在骨組織替代中已取得成功應(yīng)用

2、。多孔HA其內(nèi)部結(jié)構(gòu)滿足細(xì)胞向內(nèi)部滲透、遷移、黏附和生長(zhǎng)的條件。早期研究表明，相對(duì)于細(xì)胞尺寸，細(xì)胞移植和傳遞的基本要求是支架孔隙最小孔徑至少要100μm以上，宏觀孔隙的孔徑需大于300μm。本研究重點(diǎn)在于HA多孔陶瓷制備及其對(duì)材料性能影響，研究對(duì)支架微孔形貌的有效控制方式，使支架內(nèi)連通與抗壓強(qiáng)度均衡與優(yōu)化，對(duì)成型后樣品的孔隙形貌，孔隙尺寸，孔隙分布、孔隙間連通觀測(cè)，分析和推斷成孔方法與多孔陶瓷結(jié)構(gòu)特征與其抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，用X射線衍射圖譜

3、(XRD)對(duì)樣品進(jìn)行物相分析；測(cè)試樣品的抗壓強(qiáng)度，確定可調(diào)控多孔形態(tài)特征、具有高貫通性并滿足力學(xué)特性的多孔HA陶瓷制備方法：
　　 1.甲殼素作載體制備三維多孔HA陶瓷
　　 多孔植入體要滿足骨細(xì)胞進(jìn)入，最小孔徑一般要在200μm以上。有資料表明孔隙連通在骨傳導(dǎo)過(guò)程中所起的作用超過(guò)了孔隙本身。實(shí)驗(yàn)初期使用甲殼素做粘結(jié)劑，載入HA料漿，篩選出適宜的甲殼素使用濃度和成孔方式和成孔物質(zhì)，選定水溶性蔗糖作為制孔劑，制備孔隙率和孔

4、徑可控的HA陶瓷，表征孔隙的形態(tài)、大小及分布，使用XRD技術(shù)分析樣品結(jié)晶結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分；為增強(qiáng)多孔陶瓷內(nèi)的孔道連通，對(duì)半燒結(jié)陶瓷體進(jìn)行酸蝕刻擴(kuò)孔。采用不同LiCl含量，制備HA陶瓷樣品，研究添加助劑改善多孔HA陶瓷抗壓強(qiáng)度的可行性，實(shí)驗(yàn)表明摻雜后的HA陶瓷耐酸蝕能力增強(qiáng)，HA陶瓷致密度提高，微氣孔減少，摻雜的HA陶瓷顯微硬度有所提高，X射線衍射分析驗(yàn)證LiCl的少量引入沒有導(dǎo)致HA的分解。實(shí)驗(yàn)采用二甲基乙酰胺/氯化鋰(DMAc/LiCl

5、)和聚乙烯醇兩種陶瓷配漿體系，成管芯體吸附HA料漿，采用初坯芯體抽離或燒結(jié)過(guò)程燃燒揮發(fā)制備HA陶瓷管，獲得具有期望形貌特征的HA陶瓷管。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究多孔HA陶瓷孔隙間連通的增強(qiáng)方法，確定HA陶瓷成孔與孔隙間貫通的調(diào)控方法。
　　 2.纖維織入構(gòu)建高貫通多孔生物陶瓷
　　 對(duì)纖維紗線采用高分子膠液表面涂層，保持表面紋路，并以此作陶瓷體內(nèi)隧道的支撐體；選擇聚乙烯醇/羥基磷灰石粉(PVA/HA)作為陶瓷料漿，與纖維紗線同步織

6、入模具形成陶瓷初坯，紗線在坯體內(nèi)呈定向排列；根據(jù)紗線預(yù)處理、纖維成分和坯體組分確定燒結(jié)工藝；觀察表明陶瓷體內(nèi)孔道直通，孔道內(nèi)表面形成細(xì)微條紋，有一定的粗糙度，孔道分布均勻，孔隙率、孔隙尺寸和分布均滿足多孔生物陶瓷的綜合要求。
　　 3.HA纖維的制備及其多孔陶瓷的自充填
　　 初期研究借助于蠶絲纖維理化性質(zhì)，使HA漿料粘附于蠶絲纖維上后并固化，燒結(jié)制備出HA陶瓷短纖維。采用DMAc/LiCl/Chitin/HA溶膠-凝膠

7、體系批量制備HA纖維，纖維直徑、纖維形貌特征主要受HA粉粒尺寸、凝固浴溫度及流速、相對(duì)于紡絲液的絲流流向、燒結(jié)工藝中恒溫區(qū)的選擇以及燒結(jié)溫度的影響，實(shí)驗(yàn)獲得了直徑在100-150μm、連續(xù)長(zhǎng)度的HA陶瓷纖維。研究進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種由HA粉體和HA短纖維制成多孔HA陶瓷的方法，通過(guò)改變添加的制孔劑和纖維的數(shù)量，可制備氣孔率在60％-80％的三維支架。
　　 4.多孔HA陶瓷抗壓強(qiáng)度的影響因素分析
　　 對(duì)采用的各種方法批量制

8、作的HA多孔陶瓷的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試與分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：多孔陶瓷經(jīng)酸蝕刻后，抗壓能力減??；同一氣孔率范圍內(nèi)，樣品抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)隨氣孔率增大而增大；制備低氣孔率(＜70％)多孔陶瓷時(shí)，定向纖維織入法獲得的孔隙率、孔徑及分布、孔隙分布實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，當(dāng)氣孔率＞70％后，精密控制纖維紗線排列密度能保證支架結(jié)構(gòu)的均衡；制備高孔隙率多孔HA陶瓷體物料顆粒宜應(yīng)采用10μm以下粒徑，適當(dāng)提高燒結(jié)溫度能提高多孔陶瓷整體強(qiáng)度；纖維自增強(qiáng)型多孔陶瓷在一定氣孔率