[发明专利]一种多级[微米/纳米]孔结构的仿生人工骨的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于骨组织工程的仿生制造领域，特别是在制备多级孔结构的仿生人工骨时，提供了一种利用选择性激光烧结实现150-800μm梯度贯穿孔、利用混合的少量高聚物微球在烧结过程中氧化分解形成10-100μm随机球形孔、利用腐蚀工艺获得数十纳米表面不规则孔的方法，最终得到具有与自体骨类似三维多级孔结构的仿生人工骨。

技术背景

人体组织的缺失或功能障碍是威胁人类健康的重大问题，也是人类患病和死亡的最主要原因。特别是近年来随着人口老龄化，以及工业、交通、体育等事业的发展，人们对骨组织缺损的修复和替换要求日益迫切。长期以来，临床中使用的移植骨主要有自体骨和异体骨，但自体骨移植由于取材有限无法满足大段骨移植的要求和大范围骨缺损的病例，而异体骨移植由于被取代过程缓慢影响患者的功能恢复，因此人们渴望得到一种能辅助新骨再生且来源充足、愈合时间短的仿生人工骨。

理想的仿生人工骨不仅要为缺损部位提供结构支撑，更重要的是要创造一种有利于细胞粘附、增殖和功能发挥的微环境，诱导骨细胞生成，并逐渐降解吸收，最终形成新骨。这要求仿生人工骨支架具备良好的生物相容性及生物活性，并具有适合细胞生长增殖的微观多孔结构，以及与缺损部位吻合的外形和足够的力学强度等。生物活性陶瓷主要包括羟基磷灰石(HAP)、磷酸钙(TCP)和生物玻璃(BG)等，由于具有良好的生物相容性、降解性与骨传导性，与细胞表现出良好的亲和性，被认为是当今最有潜力的骨替代材料。

如何实现与天然骨相一致的三维多孔结构以创造适于细胞活动、繁衍的微环境，是人工骨支架能否发挥最优成骨效能的关键。天然骨是一种具有三维多级孔结构的材料，孔径从数十纳米到数百微米，能够满足不同组织的生长要求，其中150-800μm的孔径有利于骨组织、血管的长入，10-100μm的孔径允许毛细血管的长入，促进营养物质的交换及代谢产物的排出，纳米尺度的孔径能提供更大的比表面积和更多的活性靶点，有利于磷灰石的形核和蛋白质、成骨细胞的吸附，同时对细胞的粘附和迁移增殖具有重要的调节作用。这种三维多级孔的结构对人工骨支架的仿生制造提出了极大的挑战。

目前制备多孔结构的传统方法主要有化学发泡法、添加造孔剂法、半烧结扩孔法、有机骨架复制法、烧结微球法等。化学发泡法是将能在高温下发生化学反应产生气体的材料与陶瓷粉末混合成型，在一定温度下处理发泡产生多孔陶瓷；造孔剂法是通过在陶瓷中添加造孔剂，使其在高温下燃尽或挥发而在陶瓷中留下孔隙；半烧结扩孔法是将半烧结坯体浸泡扩孔后再二次烧结；有机骨架复制法是采用具有类似松质骨结构的孔珊瑚作为人工骨；烧结微球法是将可降解聚合物微球加入模具中，加热至玻璃化温度以上，经保温、冷却、脱模制得多孔支架；相分离/乳液冷冻干燥法是将聚合物溶液、乳液等经低温冷冻发生相分离，然后利用冷冻干燥工艺去除溶剂从而得到多孔支架。上述这些方法缺乏对孔结构(如孔径大小、空间走向和连通性等)的控制，更重要的是孔隙结构单一，无法满足不同组织的生长要求，孔隙结构与天然骨相比仍有较大差异。

综上所述，探寻一条有效的技术途径实现人工骨支架三维多级孔隙的仿生制备，以满足骨修复过程中不同细胞的生长要求，对于新骨再生并加速愈合时间具有重要的意义。

发明内容

针对现有方法对孔结构控制的不足以及结构单一的问题，本发明提出了一种利用选择性激光(光斑直径为微米尺度)烧结实现150-800μm梯度贯穿孔、利用混合的少量高聚物微球并在烧结过程中氧化分解形成10-100μm随机球形孔、利用腐蚀工艺获得数十纳米表面不规则孔的方法，最终得到具有与天然骨类似的三维多级孔结构的仿生人工骨。

本发明中具有多级孔结构的仿生人工骨的制备方法主要包括以下步骤：

(1)原料制备：在纳米生物活性陶瓷粉末中添加一定量的高聚物(聚乳酸(PLA)、聚乙酸(PGA)及其共聚物(PLGA)等)微球，通过机械混合法获得均匀混合的粉末，其中高聚物的质量分数为10-40％。

(2)生坯成型：在烧结平台上均匀的铺设一层混合粉末，粉层厚度为0.15-0.2mm，根据支架二维截面信息控制激光束有选择的扫描烧结粉末，通过层层叠加技术获得三维仿生人工骨支架生坯。

(3)清粉处理：烧结平台下降一定的高度，利用毛刷、压缩机、气枪或吸尘器等设备去除未烧结的粉末后，得到150-800μm的梯度贯穿孔。

(4)高温烧结：将清粉后的生坯置放在温控炉中再烧结，并通过精密控制炉温曲线进行高聚物的去除同时形成10-100μm的随机球形孔。