[发明专利]个性化磷酸钙仿生骨组织支架及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种个性化磷酸钙仿生骨组织支架及其制备方法和应用，个性化磷酸钙仿生骨组织支架包括中心通道层和以中心通道层为中心呈放射状排布的外围结构，外围结构包括依次层叠排布的板层片，板层片之间具有间隙；间隙率为65～70％，间隙呈板层状。个性化磷酸钙仿生骨组织支架的结构解决了以往外部致密内部多孔结构中出现营养物质难以由外向内输送而导致成骨不完全的问题，可保证细胞及新生血管长入支架内部深处，使得成骨更加完全；支架中心的大孔可以渗入可降解聚合物材料，可整体提高支架的机械性能；通过个性化模具制得外形匹配的骨修复支架，从而使支架在结构和功能上有具有更大的优势。

技术领域

本发明涉及生物医用材料技术领域，具体来说，涉及一种个性化磷酸钙仿生骨组织支架及其制备方法和应用。

背景技术

骨修复支架材料应有良好的可塑性、生物相容性、骨传导性、生物活性和可降解性，具有高孔隙率且连通的多孔结构和足够力学强度等特性。但现有的骨修复材料，如钛及钛合金、不锈钢和钴铬合金等金属植入材料虽可个性化的根据骨缺损形态设计形态并且具有良好的力学强度，但其缺乏生物活性，不降解；磷酸钙陶瓷具有生物活性，体内能降解，但其力学强度低；高分子材料在体内可降解，但其力学强度低、缺乏活性。多孔结构是骨长入支架的结构基础，支架降解与新骨形成的速度之间的适配性是骨修复成功的关键，根据原缺损骨外形成骨完成骨替代是骨缺损修复的最终目的。因而，设计和制备新型骨修复支架材料必需考虑多孔结构、支架降解和支架力学强度稳定之间的适配性、支架外形的个性化设计与制造。自然骨的结构特点是可适应局部应力与应变要求，呈规则排列的板层结构。基于此，本发明拟从结构仿生入手，研发一种个性化的仿生型可控降解的骨修复支架材料。

磷酸钙具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导甚至骨诱导作用。不同的磷酸钙基生物材料，其生物活性、降解速率等表现出不同，羟基磷灰石(HA)在溶液中稳定，降解性低；磷酸三钙(β-TCP)在溶液中溶解度较大,可降解；HA/β-TCP双相磷酸钙陶瓷(BCP)，具有介于HA与β-TCP之间的可控降解性能，其骨诱导性优于单纯的HA与β-TCP。高β-TCP含量的BCP有利于新生血管组织长入支架。孔隙规律排列影响支架的力学强度，孔隙呈平行排列的多孔材料，其力学强度明显高于无序的多孔材料。多孔BCP的降解速率与HA和β-TCP的比例、结构因素(孔隙率、孔径等)和体内环境(pH、酶、细胞等)等因素相关，HA含量越大，BCP的降解速率越慢；BCP在酸性环境中降解快，而在碱性环境中相对稳定；不同的多孔结构导致磷酸钙的降解性不同，高孔隙率BCP陶瓷的降解速率快，使植入体周围微环境中钙磷离子浓度发生改变，进而直接影响到成骨和破骨细胞的功能。因而，调控多孔BCP的组成、孔隙率、孔径、孔形和孔隙排列方向等因素，能实现多孔BCP的生物活性、力学强度和降解速率可控，为新型高孔隙率和高强度多孔BCP制备提供了策略。

理想的组织工程支架应具有较高的孔隙率和相互连通的结构，促使细胞粘附、生长和新组织生成，并有利于养分和新陈代谢产物的运输，最终支架可以被细胞和细胞外基质所替代。高孔隙率多孔磷酸钙修复材料是目前研究的热点，传统的造孔方法有造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡反应法、溶胶～凝胶法等,然而传统方法制备的多孔磷酸钙陶瓷支架的孔隙特征为无序的多孔材料，孔隙度和孔径不可控，多孔材料的力学强度低，细胞及血管只能部分长入支架，限制了临床应用。冰模板法在多孔陶瓷制备方面优势明显，通过调节工艺参数，有效地调控材料的孔隙度、孔径和孔隙方向，形成一种有序的、层板状排列的、相互连通的多孔结构，为细胞的均匀分布和生长提供足够的空间，有利于细胞及血管长入支架材料内部，同时也有利于营养物质和代谢产物的扩散交换。中国发明专利《梯度多孔生物陶瓷支架的制备方法》(专利号2009100241469)公开了一种以冰为模板制造一种梯度多孔磷酸钙陶瓷，通过制造三维壳体、浇筑生物陶瓷浆料、冷冻干燥和烧结等步骤制备出了外部相对致密、内部具有定向排布的层板状多孔结构的多孔生物陶瓷支架。这种方法所制备的支架材料虽然内部具有有序的层板状多孔结构，但是该支架因外周结构致密而导致细胞及血管难以进入支架内部，从而影响支架内成骨。

发明内容