多孔磷酸钙生物陶瓷制备工艺浅析

科技 2024-11-13 10:35 山东

人体骨骼中形成的多孔结构，促进了骨骼形成与生长代谢中所需要化学物质之间的交流，并能很好地适应外界应力的改变。因此，制备模拟骨组织多孔结构的高生物活性复合陶瓷，对临床人体骨骼形成缺失处进行修补，是组织工程中必须做到的。由于多孔磷酸钙生物陶瓷是一类特性优异的人体硬组织修补材料，在植入人体后，利用它具有生物降解的特性，能逐渐维持新陈代谢以至于最后与人体骨骼融合为一体。因此，多孔磷酸钙生物陶瓷作为人骨修复材料、骨组织工程支撑材料以及药用载体的应用也会逐渐普及。

磷酸钙生物陶瓷

磷酸钙陶瓷是一类具有不同钙磷比的生物活性陶瓷材料，目前研究得较多也相对较理想的磷酸钙材料主要有3种：羟基磷灰石、磷酸三钙、羟基磷灰石/磷酸三钙复合而成的双相磷酸钙。此外，还包括磷酸四钙等。

羟基磷灰石是骨骼和牙齿的重要组成部分，例如在人体骨骼中羟基磷灰石的质量含量为65%，在人的牙齿釉质中羟基磷灰石的质量含量则在95%以上。

磷酸三钙又名正磷酸钙，有高温型的α相和低温型的β相两种晶型。由于β-磷酸三钙是一种可缓慢降解的磷酸钙陶瓷，其优良的生物相容性、骨传导性和可吸收性能使其广泛应用于骨科和牙科种植材料领域。

双相磷酸钙生物陶瓷作为骨修复材料同时具有羟基磷灰石的高强度、高生物活性、稳定性以及磷酸三钙的吸收降解性能。双相磷酸钙陶瓷由于在降解速度和成骨性能方面上比单一的钙磷陶瓷性能要好，因而备受人们的关注。

多孔磷酸钙生物陶瓷的制备

在将生物医学骨材料应用于临床试验阶段前，先制备成各种不同结构的骨材料，而这种骨材料必须具备相应的三维多孔结构，是骨诱导的前提。孔隙率要求在60%以下，孔隙尺寸最好在200~400μm，并且孔隙通透性良好，同时孔室中存在着大量的微孔，而孔壁上大量的微孔也是材料诱导成骨的重要条件。

制备多孔生物陶瓷的方法需要能够严格控制孔隙率、孔形貌、孔连通和孔径大小等参数，同时成型工艺技术也是在研究多孔磷酸钙生物陶瓷时需要深入研究的基础技术之一。目前，制造多孔磷酸钙生物陶瓷的主要工艺有水热法和天然骨煅烧法、有机泡沫浸渍法、气体发泡法、加入成孔剂法、模板法等。

（1）水热法和天然骨煅烧法

水热法制备多孔磷酸钙生物陶瓷通常以珊瑚礁为原料，把珊瑚中的碳酸根置换成磷酸根，进而得到保留了珊瑚多孔骨架特征的轻基磷灰石（羟基磷灰石）。天然骨煅烧法还可以得到多孔羟基磷灰石陶瓷。

（2）有机泡沫浸渍法

有机泡沫浸渍法是将聚氨酯有机泡沫体放在预先混合好的浆体上，并反复多次排出气体，使浆体完全浸渍于有机泡沫体，继而将剩余的浆体去除，并通过反复滚压，将浆体均匀地涂覆于有机泡沫体的表面上，再进行高温干燥、烧结，最终可以得到一个三维贯通的多孔陶瓷结构。

（3）气体发泡法

该工艺技术主要是在陶瓷成分中先加入有机化合物或无机化合物，再利用化工反应等形成气体挥发而形成气孔，晾干后再制作为多孔复合陶瓷体。气体发泡法的主要工序，是利用气体发泡剂在热过程中的溶解、燃烧以及挥发而形成空气，实现成孔的目的。

（4）添加造孔剂法

添加造孔剂法是在支架前驱体或坯体中添加造孔剂，然后通过煅烧或者浸泡法将造孔剂除去而制备出多孔支架的方法。该方法的关键在于造孔剂种类、用量、大小的选择上，造孔剂的多少、形状、大小及分布决定着孔隙率的大小、孔隙的形貌、孔径大小及其分布。优点是可以制备出复杂形状和形貌的多孔支架，缺点是孔连通性低和易产生闭孔。造孔剂根据排除方式的不同，可以分为加热分解造孔剂和浸泡溶出造孔剂。

（5）模板法

模板法就是利用前驱体或者多孔模板来制备多孔支架的方法，其原理就是利用可燃尽的多孔载体（例如有机泡沫）来吸附料浆，干燥后在高温下烧掉载体材料而形成孔隙结构。模板法的一个关键之处是如何将浆料中的材料粘附到有机泡沫上，已经开发出例如调整泡沫壁大小、提高浆料固载量、离心法等将材料挂到泡沫上。

（6）冷冻干燥法

冷冻干燥法的原理就是将支架在低温下冻结到共晶点以下，使支架中的水分变成固态的冰，然后在适当的真空条件下，缓慢升温，使冰直接升华为水蒸气，从而得到多孔支架。冷冻干燥的多孔支架在升华过程中，物理结构和化学机构几乎不变，支架能够保持原有的固体结构和形态。在升华过程中，固体冰晶升华为水蒸气后在支架中留下孔隙，形成海绵状多孔结构。真空干燥时在低温和真空条件下进行，生物材料的热变形小，可以最大程度地保证支架的生物活性。

（7）三维设计快速成型技术（RP）

RP是一门引入了离散堆积原理的数字化成型工艺技术，能够生产任何复杂形态的三维空间实物材料。在这里，喷射和挤出成型工艺技术更加适用于各种材料的相对环保要求严格、物质成分繁杂的骨组织工程复合材料的生产成形。RP可以实现在传统工艺中所无法实现的200~500μm级别的高度可控孔隙结构，还可以实现孔洞内部的充分流通。但这种工艺技术尚需要很长的时日才能真正应用于临床。

（8）挤出成型法

挤出成型法是陶瓷制备过程中一种广泛使用的成型工艺技术，其产品范围从建筑砖到高性能的催化剂载体，都可通过这种挤出成型法工艺技术来制造。挤出成型法可用来制备具有中空结构和蜂窝结构的陶瓷制品。用挤出成型法制备蜂窝状生物陶瓷，目前为止在生物材料制备领域还尚未见到相关报道。

小结

磷酸钙生物陶瓷的孔结构（包括实体、直通孔、三维连通孔和多级孔）对磷酸钙支架的理化性能、体外降解性能和细胞生物学性能的影响很大，可通过调整合成方法和造孔剂，改善其性能。尽管多孔磷酸钙陶瓷在骨植入方面展现出许多潜能，但是从临床效果来看，仍存在着许多不足，需要研究者们进一步解决。对此，加强对多孔磷酸钙生物陶瓷制备工艺的优化及研究，加强气孔尺寸、分布形状等方面的可控性，可为磷酸钙生物陶瓷用于骨缺损修复等提供更广泛的支持。

参考来源：

1、彭小英，吴俊宏等.浅谈多孔磷酸钙生物陶瓷制备的研究进展

2、冯胜雷.结合挤出成型法和造孔剂法制备蜂窝状多孔磷酸钙生物陶瓷及其结构与性能

3、张灏，陈峰等.磷酸钙生物陶瓷在骨及软骨组织工程中的应用

4、李忠杰，李邵波.磷酸钙人工骨修复骨缺损的研究进展

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