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CN109133907A - 一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨及其制备方法 - Google Patents

一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨及其制备方法 Download PDF

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CN109133907A
CN109133907A CN201810937009.3A CN201810937009A CN109133907A CN 109133907 A CN109133907 A CN 109133907A CN 201810937009 A CN201810937009 A CN 201810937009A CN 109133907 A CN109133907 A CN 109133907A
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hydroxyapatite crystal
powder
solution
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曾庆丰
于树印
常文辰
刘宁
薛航
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Mai Hai New Material Technology (guan) Co Ltd
Original Assignee
Mai Hai New Material Technology (guan) Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨及其制备方法，该人工骨采用羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β‑磷酸三钙作为原料，对骨细胞生长有诱导作用，促进骨细胞的生长和愈合；通过控制羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β‑磷酸三钙三者的比例，提高了人工骨的强度；人工骨的制备方法为3D打印技术，一方面3D打印技术可针对骨缺损的形状为患者量身定做支架外形，摆脱传统模具制造需先制模、制模后尺寸限制，模具成本高的缺陷；另一方面，该方法通过3D建模能够精细控制支架的孔径、孔隙率以及连通性，开放的多孔结构和互连网络对于供给细胞营养、增殖分化和组织血管形成至关重要。

Description

一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨及其制备方法
【技术领域】
本发明属于医药技术领域，具体涉及一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨及其制备方法。
【背景技术】
大段骨缺损的修复一直是困扰骨科医生的难题，目前修复策略包括自体骨、异体骨和人工合成替代物等。目前看来，来源有限、存在感染、并发症、免疫排斥风险等因素限制了对自体骨和异种骨的研究开发与临床应用，而骨组织工程的迅速发展给大段骨缺损的修复提供了一种较为可行的方法。骨组织工程支架通常是多孔结构，拥有良好的生物相容性和可降解性，可为细胞生长和功能发挥提供机械支持以及物理和生化刺激。采用传统方法(如模具制造)制备人工骨支架的内部结构往往是不可人为控制的，即难以制备出多孔结构；另一方面，现在所用人骨支架多为钛合金，钛合金虽然抗压强度高，但是因其材质与人骨组成差异较大，导致骨细胞难以在钛合金周围进行生长，随着人体使用时间的延长需进行更换。
在此基础上，双相磷酸钙(BCP)通常用作骨科手术填充材料，具有良好的生物相容性和可降解性，其含有两种成分：羟基磷灰石(HA)和β-磷酸三钙(β-TCP)。与HA相比，β-TCP最大的优点在于更易在体内降解，其降解速度比HA高10～20倍，但HA比β-TCP亲水性更强。BCP结合HA和β-TCP的优点，具有两种材料的混合特性。然而双相磷酸钙属于无机非金属材料，其多孔支架(孔隙率约60％)呈脆性，机械强度较低，抗压强度仅与松质骨(约2～20MPa)相当，在体液环境中更是小于1MPa；且断裂韧性通常小于1MPa﹒m1/2(天然骨为2～12MPa﹒m1 /2)，限制了其临床应用。
近年来已有大量关于提高双相钙磷人工骨支架机械强度的研究报道。除了改变制备BCP的配方(HA/β-TCP比例)、降低起始原料的颗粒尺寸和降低BCP中孔隙率(不利于骨细胞传导与营养物质供给)等方法外，添加增强剂是改善BCP支架机械强度最常用的方法之一。如添加石墨烯【CN102569749B、CN103656752B】、石墨烯/碳纳米管【CN103145411B】、聚乳酸纤维【CN104001210B】、碳化硅/氮化硅晶须等，结果表明短切纤维或晶须的加入同时提高了BCP的抗压强度、断裂韧性、弹性模量和刚度。但这些增强剂普遍存在一定的细胞毒性，缺乏优良的生物相容性，在人体内不会降解，植入后残留在机体会对人产生不利的影响，若再次通过手术取出，则增加了患者的感染几率、二次手术痛苦和经济负担。因此，寻找一种新的增强效果好、能在体内降解且生物相容性好(无细胞毒性)的增强剂成为增强BCP人工骨支架的关键。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨及其制备方法，该发明将羟基磷灰石晶须加入至双相钙磷中，通过控制羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙三者的比例，提高了人工骨的强度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨，所述人工骨由羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙组成；以质量份数计，羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙的比例为X：(60-X)：40，X取5～20。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述羟基磷灰石晶须通过水热法合成。
优选的，所述人工骨通过3D打印制备；羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙均为纳米级粉体。
一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨制备方法，包括以下步骤：
(1)制备用于3D打印的人工骨膏体；其中，人工骨膏体由羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙组成；以质量份数计，羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙的比例为X：(60-X)：40，X取5～20；
(2)根据设计模型，3D打印人工骨支架；
(3)将打印出的人工骨支架冷冻干燥。
优选的，步骤(1)具体包括以下步骤：
(1-1)混合粉体：按照比例混合羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙；羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙的粉体均为纳米级粉体；混合后破碎，制得复合粉体E；
(1-2)配制粘合剂：将聚乙烯醇粉末溶于去离子水中，配成聚乙烯醇胶体；
(1-3)制备人工骨膏体：按照质量比为1:1.7混合复合粉体E和聚乙烯醇胶体，搅拌均匀后将混合物超声分散，制得均匀浆体，将浆体脱泡后制得用于3D打印的人工骨膏体。
优选的，步骤(1-1)的羟基磷灰石晶须通过水热法制备，包括以下步骤：
(a)等体积混合(NH4)2HPO4溶液和CaCl2溶液，混合时将(NH4)2HPO4溶液滴加到CaCl2溶液中，滴加过程同时搅拌CaCl2溶液，混合后搅拌均匀，制得混合溶液A；
(b)将尿素加入混合溶液A中，搅拌均匀，制得混合溶液B；
(c)将HCl溶液滴加至混合溶液B中，至溶液呈无色透明后继续搅拌1h，制得混合溶液C；
(d)混合溶液C水热反应后随炉冷却，制得过程产物D；
(e)抽滤过程产物D，将抽滤后的产物洗涤后干燥，研磨干燥产物，制得羟基磷灰石晶须。
优选的，步骤(a)中，(NH4)2HPO4溶液浓度为0.5mol/L，CaCl2溶液浓度为0.2mol/L；步骤(b)中，尿素与混合溶液A的比例为(80～100)g：1L；步骤(c)中混合溶液C的pH值为3～4；步骤(d)中，水热反应升温速率为2～3℃/min，反应温度为120～150℃，反应时间为24～48h；步骤(e)中，干燥温度为70℃，干燥时间为8h。
优选的，步骤(1-2)中，聚乙烯醇胶体浓度为0.12g/mL；步骤(1-3)中，超声分散1h。
优选的，步骤(2)中，通过PCLab软件打印人工骨支架，人工骨支架为带孔洞的圆柱体支架。
优选的，步骤(2)中，打印速度为10～15mm/s，支架层厚度为200μm，平均孔径为400μm，孔隙率50～70％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨，该人工骨采用羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙作为原料制备的人工骨，对骨细胞生长有诱导作用，促进骨细胞生长和愈合；羟基磷灰石晶须作为双相人工骨的增强相，与基体双相钙磷陶瓷为同源材料，无细胞毒性，生物相容性好，可降解；多孔双相钙磷陶瓷(HA/β-TCP)支架的力学强度较低，而晶须和非晶须相比，晶须有高比强度、高比模量、较好蠕变阻力与高温性能，晶须与其它材料复合，依靠晶须的桥接、裂纹偏转和拔出效应来吸收能量，消除裂纹尖端集中的应力，通过负荷传递使应力作用于晶须，从而降低周围的基体材料所受的应力，达到增强生物材料韧性的目的，能有效地改善人工骨材料的机械力学性能；本发明还限制了三者的比例关系，充分利用了羟基磷灰石晶须的特性，羟基磷灰石晶须加入过少，无法充分提升人工骨的抗压强度；加入过多，易使人工骨陶瓷产生泡沫化现象。
进一步的，本发明中的羟基磷灰石晶须由水热法制备合成，水热法合成的羟基磷灰石晶须所得晶须分散性好，粒度均匀，形貌一致性高，宏观缺陷少，长径比高。
进一步的，本发明的人工骨通过3D打印技术制备，相对于传统模具制造，通过3D打印制造人工骨能够避免传统模具的烧结环节，一方面实验发现烧结会降低制备出人工骨的抗压强度，另一方面，本发明中的原材料均为纳米级原材料，通过3D打印技术直接制备出的人工骨微观结构晶粒细小，为纳米级别，生物可降解性好；当通过模具制造时，晶粒经过烧结后为微米级别，晶粒增大，强度降低；同时烧结还使得制备出人工骨微量收缩，增加了精准控制人工骨尺寸的难度。
本发明还公开了一种包含羟基磷灰石晶须的双相钙磷人工骨的制备方法，该方法利用3D打印技术制备，一方面3D打印技术可针对骨缺损的形状为患者量身定做支架外形，摆脱传统模具制造需先制模、制模后尺寸限制，模具成本高的缺陷；另一方面，该方法通过3D建模能够精细控制支架的孔径、孔隙率以及连通性，开放的多孔结构和互连网络对于供给细胞营养、增殖分化和组织血管形成至关重要；因该人工骨的成分与人骨本身的成分相近，使得骨细胞极易在多孔结构中沉积，增长，且该人工骨能在体内降解且生物相容性好(无细胞毒性)，减少患者在使用后期因不同材质磨损而更换的人工骨成本。
【附图说明】
图1为本发明的3D打印人工骨支架实施流程图；
图2为本发明的羟基磷灰石晶须XRD图谱；
图3为本发明的羟基磷灰石晶须SEM照片；
图4为本发明的3D打印羟基磷灰石晶须强韧化人工骨支架。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
本发明公开了一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨，所述人工骨由羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙组成；以质量份数计，羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙的比例为X：(60-X)：40，X取5～20。羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙均为纳米级材料，该人工骨的制备方法包括以下步骤：
步骤A、合成高长径比羟基磷灰石晶须
参见图1，采用水热法制备羟基磷灰石晶须，所得羟基磷灰石晶须不但具有优异的生物相容性、生物活性和良好力学性能，而且操作安全简单，晶须的长径比稳定，产量高；本发明的制备流程具体包括以下步骤：
A1、分别配置0.5mol/L的CaCl2溶液和0.2mol/L的(NH4)2HPO4溶液，在室温下静置2h；
A2、量取相同体积的CaCl2溶液和(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到CaCl2溶液中，滴加过程中不断搅拌，滴加完毕后，继续搅拌2h，得到混合溶液A；
A3、称取尿素，加入到步骤A2所得混合溶液A中，继续搅拌1h，使尿素充分溶解，得到混合溶液B；
A4、配置0.2mol/L的HCl溶液，缓慢滴加到步骤A3所得混合溶液B中，直至溶液的白色沉淀消失，溶液呈无色透明，并继续搅拌1h，得到混合溶液C，混合溶液C的pH为3～4；
A5、将步骤A4所得混合溶液C转移到反应釜中，密封后将反应釜放入烘箱中，升温速率为2～3℃/min，升温至120～150℃，保温24～48h，反应结束后，随箱冷却，制得过程产物D；
A6、取出反应釜，对步骤A5合成的过程产物D进行抽滤，使用去离子水洗涤3次，然后用无水乙醇洗涤2次，放入烘箱中，70℃干燥8h，研磨后得到羟基磷灰石晶须。
步骤B、制备用于3D打印的羟基磷灰石晶须/双相磷酸钙膏体组织
用于3D打印人工骨支架所用羟基磷灰石晶须/双相磷酸钙膏体采用的原料包括：羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体、β-TCP粉体以及聚乙烯醇粉末，羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体、β-TCP均为纳米级别；所述的聚乙烯醇粉末醇溶解度高于99％。
B1、称量：按照X:(60-X):40，X＝5～20的比例称取HA晶须、HA粉体和β-TCP粉体，将其置于破碎机中，设置转速28000r/min，破碎0.25h，得到复合材料原料粉体；
B2、配置粘合剂：将聚乙烯醇粉末溶于去离子水中，配成0.12g/mL的聚乙烯醇胶体；
B3、混合：将步骤B1中复合材料原料粉体与步骤B2得到的聚乙烯醇胶体按照质量比为1:1.7进行混合，得到羟基磷灰石晶须增强的双相磷酸钙/聚乙烯醇膏体组织；
B4、搅拌：将步骤B3所得膏体组织搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声分散1h，得到均匀的浆料；
B5、脱泡：将步骤B4获得的均匀浆料装载至真空脱泡机中脱泡，制得用于3D打印的羟基磷灰石晶须/双相磷酸钙膏体组织。
步骤C、3D打印晶须增韧人工骨支架
C1、建立支架模型：根据实际所需骨的尺寸进行支架尺寸设计，用作骨缺损部位替换物，生成所需模型的STereo Lithography(STL)文件；
C2、设置打印参数：将步骤C1设计好的STereo Lithography(STL)文件载入3D打印机控制器PCLab软件，打印过程参数设定为：打印速度为10～15mm/s，支架层厚为200μm，平均孔径为400μm，孔隙率50～70％；
C3、将步骤B膏体组织装载至3D生物打印机料仓，开启打印机，打印机执行打印机控制器指令，打印得到人工骨多孔骨支架；
C4、将步骤C3所打印人工骨多孔骨支架置于冷冻干燥机中，降温速率为2～5℃/h，降至4℃为止，抽真空，去除材料水分。
最终得到多孔的圆柱形人工骨多孔骨支架，如图4所述。
图2为本发明制备的羟基磷灰石晶须的XRD图，其中，实线为羟基磷灰石晶须样品检测衍射峰，星号为标准卡片羟基磷灰石衍射峰。从图中可以看出，所合成试样与标准卡片匹配良好，证明试样为羟基磷灰石。图3为羟基磷灰石晶须的SEM形貌图，能够看出制备出的羟基磷灰石晶须为针形。
通过上述步骤制得包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨。为验证本发明制备人工骨的无毒性，通过环氧乙烷灭菌法对步骤C4所得人工骨多孔骨支架灭菌6h，以备后续细胞毒性检测(见表1人工骨支架样品(钴60)的OD值及细胞相对存活率表)，结合下表1可以看出，人工骨对应的细胞相对存活率为97.7％，无毒性细胞，满足人体所使用需求。
表1人工骨支架样品(钴60)的OD值及细胞相对存活率表
验证本发明制备出人工骨的抗压强度，由下述步骤验证，将步骤C4所得人工骨多孔骨支架试样(要求直径Φ10mm，高度为20mm的人工骨多孔骨)放置于力学性能测试机，加载速度为(0.5±0.05)mm/min，得到应力-应变曲线、抗压强度与断裂韧性。
本发明的强韧化机理是：
现有研究结果表明，多孔双相钙磷陶瓷(HA/β-TCP)支架的力学强度较低，晶须有高比强度、高比模量、较好蠕变阻力与高温性能；晶须强化的人工骨支架中，晶须与其它材料复合，依靠晶须的桥接、裂纹偏转和拔出效应来吸收能量，消除裂纹尖端集中的应力，通过负荷传递使应力作用于晶须，从而降低周围的基体材料所受的应力，达到增强生物材料韧性的目的，能有效地改善人工骨材料的机械力学性能。
本发明采用不同比例的羟基磷灰石晶须制备人工骨支架，具体如下：
实施例一：HA晶须：HA粉体：β-TCP配比为5:55:40
1、水热法制备HA晶须
将相同体积的0.5mol/L的CaCl2溶液和0.2mol/L的(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到CaCl2溶液中，滴加过程中不断搅拌，滴加完毕后，继续搅拌2h；加入尿素，继续搅拌1h后，得到混合溶液B；将0.2mol/L的HCl溶液，缓慢滴加到混合溶液B中，直至溶液呈无色透明，继续搅拌1h，此时混合溶液C的pH值为3；将混合溶液C进行水热反应，升温速率为2℃/min，升温至120℃，保温24h，制得过程产物D；过程产物D进行抽滤，使用去离子水洗涤3次，然后用无水乙醇洗涤2次，放入烘箱中，70℃干燥8h，研磨后得到HA晶须。
2、制备人工骨架
(1)、称量：按照5:55:40的质量比称取一定量的HA晶须、HA粉体和β-TCP粉体，将其置于破碎机中，设置转速28000r/min，破碎0.25h，得到复合材料原料粉体；
(2)、混合：将步骤(1)得到的复合材料粉体与聚乙烯醇胶体(0.12g/mL)按照质量比为1:1.7进行混合，得到晶须/双相磷酸钙/聚乙烯醇膏体组织；
(3)、搅拌：将步骤(2)得到的膏体组织搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声分散1h；
(4)、脱泡：将步骤(3)获得的均匀浆料装载至真空脱泡机中脱泡；
(5)、打印：打印直径Φ10mm，高度为20mm的圆柱形支架，打印速度为10mm/s，支架层厚为200μm，平均孔径大小为400μm，孔隙率50％；
(6)、冷冻干燥：将所打印支架置于冷冻干燥机中，按照2℃/h降温抽真空，去除材料水分；
(7)、将试样放置于力学性能测试机，加载速度为(0.5±0.05)mm/min，得到应力-应变曲线、抗压强度与断裂韧性。
实施例二：HA晶须：HA粉体：β-TCP配比为10:50:40
1、水热法制备HA晶须
将相同体积的0.5mol/L的CaCl2溶液和0.2mol/L的(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到CaCl2溶液中，滴加过程中不断搅拌，滴加完毕后，继续搅拌2h；加入尿素，继续搅拌1h后，得到混合溶液B；将0.2mol/L的HCl溶液，缓慢滴加到混合溶液B中，直至溶液呈无色透明，继续搅拌1h，此时混合溶液C的pH值为4；将混合溶液C进行水热反应，升温速率为3℃/min，升温至150℃，保温30h，制得过程产物D；过程产物D进行抽滤，使用去离子水洗涤3次，然后用无水乙醇洗涤2次，放入烘箱中，70℃干燥8h，研磨后得到HA晶须。
2、制备人工骨架
(1)、称量：按照10:50:40的质量比称取一定量的HA晶须、HA粉体和β-TCP粉体，将其置于破碎机中，设置转速28000r/min，破碎0.25h，得到复合材料原料粉体；
(2)、混合：将步骤(1)得到的复合材料粉体与聚乙烯醇胶体(0.12g/mL)按照质量比为1:1.7进行混合，得到晶须/双相磷酸钙/聚乙烯醇膏体组织；
(3)、搅拌：将步骤(2)得到的膏体组织搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声分散1h；
(4)、脱泡：将步骤(3)获得的均匀浆料装载至真空脱泡机中脱泡；
(5)、打印：打印直径Φ10mm，高度为20mm的圆柱形支架，打印速度为15mm/s，支架层厚为200μm，平均孔径大小为400μm，孔隙率60％；
(6)、冷冻干燥：将所打印支架置于冷冻干燥机中，按照5℃/h降温抽真空，去除材料水分；
(7)、将试样放置于力学性能测试机，加载速度为(0.5±0.05)mm/min，得到应力-应变曲线、抗压强度与断裂韧性。
实施例三：HA晶须：HA粉体：β-TCP配比为11:49:40
1、水热法制备HA晶须
将相同体积的0.5mol/L的CaCl2溶液和0.2mol/L的(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到CaCl2溶液中，滴加过程中不断搅拌，滴加完毕后，继续搅拌2h；加入尿素，继续搅拌1h后，得到混合溶液B；将0.2mol/L的HCl溶液，缓慢滴加到混合溶液B中，直至溶液呈无色透明，继续搅拌1h，此时混合溶液C的pH值为4；将混合溶液C进行水热反应，升温速率为3℃/min，升温至150℃，保温30h，制得过程产物D；过程产物D进行抽滤，使用去离子水洗涤3次，然后用无水乙醇洗涤2次，放入烘箱中，70℃干燥8h，研磨后得到HA晶须。
2、制备人工骨架
(1)、称量：按照11:49:40的质量比称取一定量的HA晶须、HA粉体和β-TCP粉体，将其置于破碎机中，设置转速28000r/min，破碎0.25h，得到复合材料原料粉体；
(2)、混合：将步骤(1)得到的复合材料粉体与聚乙烯醇胶体(0.12g/mL)按照质量比为1:1.7进行混合，得到晶须/双相磷酸钙/聚乙烯醇膏体组织；
(3)、搅拌：将步骤(2)得到的膏体组织搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声分散1h；
(4)、脱泡：将步骤(3)获得的均匀浆料装载至真空脱泡机中脱泡；
(5)、打印：打印直径Φ10mm，高度为20mm的圆柱形支架，打印速度为15mm/s，支架层厚为200μm，平均孔径大小为400μm，孔隙率60％；
(6)、冷冻干燥：将所打印支架置于冷冻干燥机中，按照5℃/h降温抽真空，去除材料水分；
(7)、将试样放置于力学性能测试机，加载速度为(0.5±0.05)mm/min，得到应力-应变曲线、抗压强度与断裂韧性。
实施例四：HA晶须：HA粉体：β-TCP配比为15:45:40
1、水热法制备HA晶须
将相同体积的0.5mol/L的CaCl2溶液和0.2mol/L的(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到CaCl2溶液中，滴加过程中不断搅拌，滴加完毕后，继续搅拌2h；加入尿素，继续搅拌1h后，得到混合溶液B；将0.2mol/L的HCl溶液，缓慢滴加到混合溶液B中，直至溶液呈无色透明，继续搅拌1h，此时混合溶液C的pH值为4；将混合溶液C进行水热反应，升温速率为3℃/min，升温至140℃，保温36h，制得过程产物D；过程产物D进行抽滤，使用去离子水洗涤3次，然后用无水乙醇洗涤2次，放入烘箱中，70℃干燥8h，研磨后得到HA晶须。
2、制备人工骨架
(1)、称量：按照15:45:40的质量比称取一定量的HA晶须、HA粉体和β-TCP粉体，将其置于破碎机中，设置转速28000r/min，破碎0.25h，得到复合材料原料粉体；
(2)、混合：将步骤(1)得到的复合材料粉体与聚乙烯醇胶体(0.12g/mL)按照质量比为1:1.7进行混合，得到晶须/双相磷酸钙/聚乙烯醇膏体组织；
(3)、搅拌：将步骤(2)得到的膏体组织搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声分散1h；
(4)、脱泡：将步骤(3)获得的均匀浆料装载至真空脱泡机中脱泡；
(5)、打印：打印直径Φ10mm，高度为20mm的圆柱形支架，打印速度为13mm/s，支架层厚为200μm，平均孔径大小为400μm，孔隙率70％；
(6)、冷冻干燥：将所打印支架置于冷冻干燥机中，按照3℃/h降温抽真空，去除材料水分；
(7)、将试样放置于力学性能测试机，加载速度为(0.5±0.05)mm/min，得到应力-应变曲线、抗压强度与断裂韧性。
实施例五：HA晶须：HA粉体：β-TCP配比为20:40:40
1、水热法制备HA晶须
将相同体积的0.5mol/L的CaCl2溶液和0.2mol/L的(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到CaCl2溶液中，滴加过程中不断搅拌，滴加完毕后，继续搅拌2h；加入尿素，继续搅拌1h后，得到混合溶液B；将0.2mol/L的HCl溶液，缓慢滴加到混合溶液B中，直至溶液呈无色透明，继续搅拌1h，此时混合溶液C的pH值为3；将混合溶液C进行水热反应，升温速率为2℃/min，升温至150℃，保温35h，制得过程产物D；过程产物D进行抽滤，使用去离子水洗涤3次，然后用无水乙醇洗涤2次，放入烘箱中，70℃干燥8h，研磨后得到HA晶须。
2、制备人工骨架
(1)、称量：按照20:40:40的质量比称取一定量的HA晶须、HA粉体和β-TCP粉体，将其置于破碎机中，设置转速28000r/min，破碎0.25h，得到复合材料原料粉体；
(2)、混合：将步骤(1)得到的复合材料粉体与聚乙烯醇胶体(0.12g/mL)按照质量比为1:1.7进行混合，得到晶须/双相磷酸钙/聚乙烯醇膏体组织；
(3)、搅拌：将步骤(2)得到的膏体组织搅拌均匀，置于超声波清洗器中超声分散1h；
(4)、脱泡：将步骤(3)获得的均匀浆料装载至真空脱泡机中脱泡；
(5)、打印：打印直径Φ10mm，高度为20mm的圆柱形支架，打印速度为12mm/s，支架层厚为200μm，平均孔径大小为400μm，孔隙率60％；
(6)、冷冻干燥：将所打印支架置于冷冻干燥机中，按照4℃/h降温抽真空，去除材料水分；
(7)、将试样放置于力学性能测试机，加载速度为(0.5±0.05)mm/min，得到应力-应变曲线、抗压强度与断裂韧性。
五个实施例的抗压强度测试结果如下表2所示，每一个实施例做3次实验，最终得出一个平均抗压强度，其中对照组为不包含HA晶须的双相钙磷人工骨，5％晶须为实施例一，10％晶须为实施例二，11％为实施例三、15％晶须为实施例四，20％晶须为实施例五。
表2不同晶须含量人工骨支架力学性能测试结果
从上表可以看出，本发明制备出的包含11％晶须的人工骨平均抗压强度最高为8.60％，晶须范围为5～15％之间人工骨平均抗压强度较高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨，其特征在于，所述人工骨由羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙组成；以质量份数计，羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙的比例为X：(60-X)：40，X取5～20。
2.根据权利要求1所述的一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨，其特征在于，所述羟基磷灰石晶须通过水热法合成。
3.根据权利要求1所述的一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨，其特征在于，所述人工骨通过3D打印制备；羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙均为纳米级粉体。
4.一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备用于3D打印的人工骨膏体；其中，人工骨膏体由羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙组成；以质量份数计，羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙的比例为X：(60-X)：40，X取5～20；
(2)根据设计模型，3D打印人工骨支架；
(3)将打印出的人工骨支架冷冻干燥。
5.根据权利要求4所述的一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨制备方法，其特征在于，步骤(1)具体包括以下步骤：
(1-1)混合粉体：按照比例混合羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙；羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙的粉体均为纳米级粉体；混合后破碎，制得复合粉体E；
(1-2)配制粘合剂：将聚乙烯醇粉末溶于去离子水中，配成聚乙烯醇胶体；
(1-3)制备人工骨膏体：按照质量比为1:1.7混合复合粉体E和聚乙烯醇胶体，搅拌均匀后将混合物超声分散，制得均匀浆体，将浆体脱泡后制得用于3D打印的人工骨膏体。
6.根据权利要求5所述的一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨制备方法，其特征在于，步骤(1-1)的羟基磷灰石晶须通过水热法制备，包括以下步骤：
(a)等体积混合(NH4)2HPO4溶液和CaCl2溶液，混合时将(NH4)2HPO4溶液滴加到CaCl2溶液中，滴加过程同时搅拌CaCl2溶液，混合后搅拌均匀，制得混合溶液A；
(b)将尿素加入混合溶液A中，搅拌均匀，制得混合溶液B；
(c)将HCl溶液滴加至混合溶液B中，至溶液呈无色透明后继续搅拌1h，制得混合溶液C；
(d)混合溶液C水热反应后随炉冷却，制得过程产物D；
(e)抽滤过程产物D，将抽滤后的产物洗涤后干燥，研磨干燥产物，制得羟基磷灰石晶须。
7.根据权利要求6所述的一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨制备方法，其特征在于，步骤(a)中，(NH4)2HPO4溶液浓度为0.5mol/L，CaCl2溶液浓度为0.2mol/L；步骤(b)中，尿素与混合溶液A的比例为(80～100)g：1L；步骤(c)中混合溶液C的pH值为3～4；步骤(d)中，水热反应升温速率为2～3℃/min，反应温度为120～150℃，反应时间为24～48h；步骤(e)中，干燥温度为70℃，干燥时间为8h。
8.根据权利要求5所述的一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨制备方法，其特征在于，步骤(1-2)中，聚乙烯醇胶体浓度为0.12g/mL；步骤(1-3)中，超声分散1h。
9.根据权利要求4-8任意一项所述的一种包含羟基磷灰石晶须的双相钙磷人工骨的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，通过PCLab软件打印人工骨支架，人工骨支架为带孔洞的圆柱体支架。
10.根据权利要求9所述的一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨制备方法，其特征在于，步骤(2)中，打印速度为10～15mm/s，支架层厚度为200μm，平均孔径为400μm，孔隙率50～70％。
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