基于多孔陶瓷成型技術(shù)的無機復合型人工骨的制備研究

摘?要：生物陶瓷人工骨具有優(yōu)良的生物相空性能和臨床應用價值。文章結(jié)合鈣硅磷生物陶瓷骨材料項目，從原料配比與多孔體制備、無機復合人工骨掉渣和抗壓強度低問題的解決，動物實驗樣品制備及表征測試等方面分析了無機復合型人工骨的制備要點，以期能夠為后續(xù)含硅元素的生物陶瓷人工骨的開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：多孔陶瓷;無機復合型人工骨;制備

一、 引言

多孔生物陶瓷材料為生物醫(yī)療領(lǐng)域常見的人工合成材料，相較于其他材料而言，多孔生物陶瓷材料本身具有耐磨性較高、材料結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定、分子鍵合力較強、化學穩(wěn)定性較高的特點，其能夠在高腐蝕、高溫環(huán)境下應用。陶瓷中含有大量人體硬組織所需的無機物質(zhì)，將其植入人體之后，可以高效與人體組織結(jié)合在一起，患者出現(xiàn)排異反應的概率較低，并且多孔生物陶瓷可以在水溶液中溶解，能夠?qū)θ梭w體液緩慢吸收，為新骨生長提供豐富的磷、鈣等物質(zhì)，有效促進新骨生長，臨床應用價值較高。鈣硅磷生物陶瓷骨材料項目采用多孔陶瓷成型技術(shù)，以磷酸鈣人工骨為基礎(chǔ)開展制備工作，采用擠出成型方式，以提高無機復合型人工骨的可降解性能和刺激成骨性能，提升患者的細胞活力，加快患者細胞分化的速度，保證骨缺損修復能達到預期效果。文章結(jié)合該項目，分析無機復合型人工骨的制備要點，以期為類似項目的開發(fā)提供參考。

二、 項目概況

鈣硅磷生物陶瓷骨修復材料項目為目前國內(nèi)首家開發(fā)含硅元素的生物陶瓷人工骨，投資總額為1200萬元，目標是基于目前臨床使用的磷酸鈣人工骨為研究基礎(chǔ)，并結(jié)合中國科學院硅酸鹽研究所提供的“多孔陶瓷成型技術(shù)”方案而推出的全新一代具有刺激成骨性能，可降解性能，成血管性能于一體的鈣-硅-磷生物陶瓷人工骨。硅酸鹽陶瓷通過釋放Si等離子產(chǎn)物提升細胞活性，促進細胞分化，在組織液的調(diào)控下，組織界面與材料會產(chǎn)生一系列的化學反應，最終形成類骨磷灰過渡層，保證骨組織與材料能夠形成化學鍵合，以達到提升無機復合型人工骨的修復效果。該項目對于無機復合型人工骨的制備經(jīng)過工藝優(yōu)化和驗證后，最終得到的無機復合型人工骨滿足產(chǎn)品注冊檢驗要求。該產(chǎn)品本身具有抗壓性好、空隙率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、通孔性較為要優(yōu)越、生物活性較好的特性，現(xiàn)已得到臨床專家、上海硅酸鹽研究所專家的認可和肯定，具有較高的市場競爭力和潛力。

三、 ?多孔陶瓷成型技術(shù)

多孔陶瓷形成技術(shù)制備無機復合型人工骨過程中，制備人員要嚴格控制陶瓷粉末細度，制備無機復合型人工骨之前，應采用符合項目要求的篩子過濾陶瓷粉末，以保證原材的細度。該項目制備無機復合型人工骨時，采用的制備方式為固相粉末成型方式。首先，預壓成型。制備人員需要將陶瓷粉末顆粒融入模具中，陶瓷粉末顆粒中含有成型劑，通過模具系統(tǒng)將陶瓷粉末預壓成為無機復合型人工骨，充分運用模具間相對運動向陶瓷骨料施加壓力，使陶瓷骨料能夠形成致密的胚體，壓制過程中采用的設(shè)備為壓機，要求喂料均勻，采用定量式喂料方式，嚴格控制壓制時間、壓力大小、壓制放置，保證胚體質(zhì)量;其次，破裂模腔內(nèi)部的無機復合型人工骨胚，使得骨胚出現(xiàn)縫隙，將助劑均勻撒布在骨胚上，保證助劑能夠撒入至縫隙中;再次，采用全壓強壓制陶瓷，采用的設(shè)備為壓機，保證有無機復合型人工骨胚能夠再次成型;最后，脫膜、出胚，制備人員將成型的胚體從模具型腔內(nèi)脫出，采用下膜上升、模腔固定的方式頂出成型胚體，并且采用下膜固定、模腔下行的方式脫膜，并將頂出的成型胚體放至胚臺面上，采用專用推出裝置。同時多孔陶瓷成型技術(shù)制備無機復合型人工骨期間，陶瓷粉末會出現(xiàn)脆性變形和塑性變形，將內(nèi)部空氣排出，體積會縮小，陶瓷胚料會形成符合該項目要求的胚體，相較于其他無機復合型人工骨制備方式而言，多孔陶瓷成型技術(shù)能夠提升無機復合型人工骨的表面質(zhì)量。

四、 基于多孔陶瓷成型技術(shù)的無機復合型人工骨的制備要點

（一）原料、配比、多孔體制備

1. 原料

制備無機復合型人工骨過程中，需做好產(chǎn)品純度控制工作，嚴格控制原材料來源、后續(xù)處理、制備工藝參數(shù)的高純度和批次穩(wěn)定性。該項目采用多孔陶瓷成型技術(shù)配比無機復合型人工骨時，采用原料為某無機原料A、某無機原料B，運用商業(yè)化采購渠道，保證某無機原料A原料完全符合YY/T0683-2008標準，某無機原料B符合醫(yī)用級別原料。

2. 配比

制備復合相材料時，制備人員要充分考慮到多相配比、兩相配比的確定。該項目制備無機復合型人工骨過程中，項目合作單位硅酸鹽研究所生物材料與組織工程研究中心對某無機原料A和某無機原料B具有深度的研究背景和技術(shù)參考，這為產(chǎn)品配比的確定奠定了基礎(chǔ)。通過研究不同配比復合向材料對生物學性能與物化性能造成的影響，最終確定可靠的配比范圍，在實際實驗的基礎(chǔ)上確定最終的產(chǎn)品原料配比。

3. 多孔體制備

該項目無機復合型人工骨制備過程中，要重視多孔體制備工作，明確多孔結(jié)構(gòu)的孔道尺寸、空隙率、分布、材料整體力學強度、形狀、連通性等參數(shù)，并做好優(yōu)化和控制工作。另外，該項目人工骨多孔結(jié)構(gòu)采用造孔的方式達到調(diào)控的目的，運用燒結(jié)工藝和多孔結(jié)構(gòu)控制多孔體的力學強度。制備多孔體時，既要保證多孔體能達到力學性能指標要求，又要保障多孔體能達到一定空隙率，優(yōu)化燒結(jié)工藝、調(diào)節(jié)助劑的添加量，以平衡多孔體的力學性能和空隙率。

（二）抗壓強度低和掉渣問題的解決

根據(jù)該項目無機復合型人工骨初定制備方法，開展實驗制備驗證后，雖然，得到無機復合型人工骨的空隙率較高、外觀良好、孔結(jié)構(gòu)一樣的樣品，但是，這些樣品存在嚴重掉渣和抗壓強度較低的現(xiàn)象。其原因與配方中添加高分子原料量較少有著直接關(guān)系。高分子材料較少導致無機復合型人工骨原料配置時，出現(xiàn)高分子溶液黏度較低情況，使得無機顆粒無法均勻混合在一起，黏結(jié)力低于規(guī)定標準，混料不均勻時就開展燒結(jié)工作，固態(tài)混料分子間缺乏吸引力，導致粉末體無法產(chǎn)生顆粒黏結(jié)，即使經(jīng)過物質(zhì)遷移，粉末的強度也無法上升，甚至部分粉末還會出現(xiàn)再結(jié)晶和致密化問題，最終致使樣品出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象。

為了解決該項目樣品掉渣和抗壓強度低的情況，我們通過提高混料中的高分子原料添加量，保證混料中的無機顆粒能夠均勻混合在一起，保證樣品沒有出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象，抗壓強度得到有效提高。

（三）表征測試

該項目進行表征測試時，采用材料分析測試技術(shù)，測試實驗初步樣品，采用X射線衍射光譜、紅外光譜測試驗證燒結(jié)后的復合樣品，分析復合樣品的結(jié)晶度和無機相情況。查找材料行業(yè)的相關(guān)專業(yè)資料，確定無機復合型人工骨特征峰位置所對應的基團種類，驗證樣品是否滿足預期，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整無機復合型人工骨制備工藝，保證無機復合型人工骨樣品性能符合項目要求。

（四）動物實驗

該項目制訂動物實驗方案時，運用了概率統(tǒng)計知識。項目在上海第六人民醫(yī)院將兩種不同種類的無機復合型人工骨樣品植入至實驗兔的腿中，并對實驗進行了記錄和協(xié)助，嚴格按照動物實驗方案時間節(jié)點拍攝CT，實驗人員按照實驗方案分析和統(tǒng)計動物實驗結(jié)果，并總結(jié)實驗數(shù)據(jù)，得到準確的動物實驗結(jié)果。

五、 ?結(jié)語

綜上所述，項目制備無機復合型人工骨過程中，以多孔陶瓷成型技術(shù)為基礎(chǔ)，嚴格控制原料來源、配比，重視多孔體制備工作;提升混料中的高分子原料的添加量，以提高無機復合型人工骨的抗壓強度，避免出現(xiàn)掉渣問題;做好表征測試工作，確定特征峰位置對應的基團種類;并通過動物實驗進行驗證，得到符合項目要求的無機復合型人工骨，進一步促進我國生物醫(yī)療行業(yè)發(fā)展。

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作者簡介：王陳，揚子江藥業(yè)集團廣州海瑞藥業(yè)有限公司。