基于多孔陶瓷成型技术的无机复合型人工骨的制备研究

摘 要：生物陶瓷人工骨具有优良的生物相空性能和临床应用价值。文章结合钙硅磷生物陶瓷骨材料项目，从原料配比与多孔体制备、无机复合人工骨掉渣和抗压强度低问题的解决，动物实验样品制备及表征测试等方面分析了无机复合型人工骨的制备要点，以期能够为后续含硅元素的生物陶瓷人工骨的开发提供参考。

关键词：多孔陶瓷;无机复合型人工骨;制备

一、 引言

多孔生物陶瓷材料为生物医疗领域常见的人工合成材料，相较于其他材料而言，多孔生物陶瓷材料本身具有耐磨性较高、材料结构性能稳定、分子键合力较强、化学稳定性较高的特点，其能够在高腐蚀、高温环境下应用。陶瓷中含有大量人体硬组织所需的无机物质，将其植入人体之后，可以高效与人体组织结合在一起，患者出现排异反应的概率较低，并且多孔生物陶瓷可以在水溶液中溶解，能够对人体体液缓慢吸收，为新骨生长提供丰富的磷、钙等物质，有效促进新骨生长，临床应用价值较高。钙硅磷生物陶瓷骨材料项目采用多孔陶瓷成型技术，以磷酸钙人工骨为基础开展制备工作，采用挤出成型方式，以提高无机复合型人工骨的可降解性能和刺激成骨性能，提升患者的细胞活力，加快患者细胞分化的速度，保证骨缺损修复能达到预期效果。文章结合该项目，分析无机复合型人工骨的制备要点，以期为类似项目的开发提供参考。

二、 项目概况

钙硅磷生物陶瓷骨修复材料项目为目前国内首家开发含硅元素的生物陶瓷人工骨，投资总额为1200万元，目标是基于目前临床使用的磷酸钙人工骨为研究基础，并结合中国科学院硅酸盐研究所提供的“多孔陶瓷成型技术”方案而推出的全新一代具有刺激成骨性能，可降解性能，成血管性能于一体的钙-硅-磷生物陶瓷人工骨。硅酸盐陶瓷通过释放Si等离子产物提升细胞活性，促进细胞分化，在组织液的调控下，组织界面与材料会产生一系列的化学反应，最终形成类骨磷灰过渡层，保证骨组织与材料能够形成化学键合，以达到提升无机复合型人工骨的修复效果。该项目对于无机复合型人工骨的制备经过工艺优化和验证后，最终得到的无机复合型人工骨满足产品注册检验要求。该产品本身具有抗压性好、空隙率高、结构稳定、通孔性较为要优越、生物活性较好的特性，现已得到临床专家、上海硅酸盐研究所专家的认可和肯定，具有较高的市场竞争力和潜力。

三、  多孔陶瓷成型技术

多孔陶瓷形成技术制备无机复合型人工骨过程中，制备人员要严格控制陶瓷粉末细度，制备无机复合型人工骨之前，应采用符合项目要求的筛子过滤陶瓷粉末，以保证原材的细度。该项目制备无机复合型人工骨时，采用的制备方式为固相粉末成型方式。首先，预压成型。制备人员需要将陶瓷粉末颗粒融入模具中，陶瓷粉末颗粒中含有成型剂，通过模具系统将陶瓷粉末预压成为无机复合型人工骨，充分运用模具间相对运动向陶瓷骨料施加压力，使陶瓷骨料能够形成致密的胚体，压制过程中采用的设备为压机，要求喂料均匀，采用定量式喂料方式，严格控制压制时间、压力大小、压制放置，保证胚体质量;其次，破裂模腔内部的无机复合型人工骨胚，使得骨胚出现缝隙，将助剂均匀撒布在骨胚上，保证助剂能够撒入至缝隙中;再次，采用全压强压制陶瓷，采用的设备为压机，保证有无机复合型人工骨胚能够再次成型;最后，脱膜、出胚，制备人员将成型的胚体从模具型腔内脱出，采用下膜上升、模腔固定的方式顶出成型胚体，并且采用下膜固定、模腔下行的方式脱膜，并将顶出的成型胚体放至胚台面上，采用专用推出装置。同时多孔陶瓷成型技术制备无机复合型人工骨期间，陶瓷粉末会出现脆性变形和塑性变形，将内部空气排出，体积会缩小，陶瓷胚料会形成符合该项目要求的胚体，相较于其他无机复合型人工骨制备方式而言，多孔陶瓷成型技术能够提升无机复合型人工骨的表面质量。

四、 基于多孔陶瓷成型技术的无机复合型人工骨的制备要点

（一）原料、配比、多孔体制备

1. 原料

制备无机复合型人工骨过程中，需做好产品纯度控制工作，严格控制原材料来源、后续处理、制备工艺参数的高纯度和批次稳定性。该项目采用多孔陶瓷成型技术配比无机复合型人工骨时，采用原料为某无机原料A、某无机原料B，运用商业化采购渠道，保证某无机原料A原料完全符合YY/T0683-2008标准，某无机原料B符合医用级别原料。

2. 配比

制备复合相材料时，制备人员要充分考虑到多相配比、两相配比的确定。该项目制备无机复合型人工骨过程中，项目合作单位硅酸盐研究所生物材料与组织工程研究中心对某无机原料A和某无机原料B具有深度的研究背景和技术参考，这为产品配比的确定奠定了基础。通过研究不同配比复合向材料对生物学性能与物化性能造成的影响，最终确定可靠的配比范围，在实际实验的基础上确定最终的产品原料配比。

3. 多孔体制备

该项目无机复合型人工骨制备过程中，要重视多孔体制备工作，明确多孔结构的孔道尺寸、空隙率、分布、材料整体力学强度、形状、连通性等参数，并做好优化和控制工作。另外，该项目人工骨多孔结构采用造孔的方式达到调控的目的，运用烧结工艺和多孔结构控制多孔体的力学强度。制备多孔体时，既要保证多孔体能达到力学性能指标要求，又要保障多孔体能达到一定空隙率，优化烧结工艺、调节助剂的添加量，以平衡多孔体的力学性能和空隙率。

（二）抗压强度低和掉渣问题的解决

根据该项目无机复合型人工骨初定制备方法，开展实验制备验证后，虽然，得到无机复合型人工骨的空隙率较高、外观良好、孔结构一样的样品，但是，这些样品存在严重掉渣和抗压强度较低的现象。其原因与配方中添加高分子原料量较少有着直接关系。高分子材料较少导致无机复合型人工骨原料配置时，出现高分子溶液黏度较低情况，使得无机颗粒无法均匀混合在一起，黏结力低于规定标准，混料不均匀时就开展烧结工作，固态混料分子间缺乏吸引力，导致粉末体无法产生颗粒黏结，即使经过物质迁移，粉末的强度也无法上升，甚至部分粉末还会出现再结晶和致密化问题，最终致使样品出现掉渣现象。

为了解决该项目样品掉渣和抗压强度低的情况，我们通过提高混料中的高分子原料添加量，保證混料中的无机颗粒能够均匀混合在一起，保证样品没有出现掉渣现象，抗压强度得到有效提高。

（三）表征测试

该项目进行表征测试时，采用材料分析测试技术，测试实验初步样品，采用X射线衍射光谱、红外光谱测试验证烧结后的复合样品，分析复合样品的结晶度和无机相情况。查找材料行业的相关专业资料，确定无机复合型人工骨特征峰位置所对应的基团种类，验证样品是否满足预期，根据分析结果调整无机复合型人工骨制备工艺，保证无机复合型人工骨样品性能符合项目要求。

（四）动物实验

该项目制订动物实验方案时，运用了概率统计知识。项目在上海第六人民医院将两种不同种类的无机复合型人工骨样品植入至实验兔的腿中，并对实验进行了记录和协助，严格按照动物实验方案时间节点拍摄CT，实验人员按照实验方案分析和统计动物实验结果，并总结实验数据，得到准确的动物实验结果。

五、  结语

综上所述，项目制备无机复合型人工骨过程中，以多孔陶瓷成型技术为基础，严格控制原料来源、配比，重视多孔体制备工作;提升混料中的高分子原料的添加量，以提高无机复合型人工骨的抗压强度，避免出现掉渣问题;做好表征测试工作，确定特征峰位置对应的基团种类;并通过动物实验进行验证，得到符合项目要求的无机复合型人工骨，进一步促进我国生物医疗行业发展。

参考文献：

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[4]陈若梦.陶瓷—金属复合人工骨仿生结构设计基础研究[D].新疆乌鲁木齐：新疆大学，2013.

作者简介：王陈，扬子江药业集团广州海瑞药业有限公司。