一种锂皂石生物陶瓷的制备方法及其用途 [0002]随着我国人口的快速增长和老龄化，因各种创伤、骨肿瘤或关节手术等所致骨损伤的病例也随之快速增长。这些骨损伤的修复是临床面临的巨大难题，成为影响患者治疗质量的关键因素。在临床实践中，自体骨移植是骨缺损治疗的最为成熟的技术和标准，但自体骨移植需要手术取骨，而可供骨组织有限，同时还存在取骨部位疼痛、感染等并发症。随着技术的进步，虽然同种异体骨移植可以解决上述不足，但是也存在慢性炎症和免疫排斥反应等问题。寻找理想的骨修复材料已经成为该领域的重点研究方向。 [0003]锂皂石(硅酸镁锂Laponite，LAP)是一种含镁、锂、硅的粘土矿物。自上世纪60年代初期英国的LAP0RTE工业公司成功合成LAP后，人工合成LAP得到了迅速发展。人工合成的LAP是片状的纳米级粉体，在水环境中能很快膨胀形成凝胶，并具有较好的分散性、悬浮性和增稠性。由于它在生理环境下，可被降解为无毒物，因而在生物医药等领域得到了广泛应用。我们的前期研究工作(Shige Wang, Rita Castro, Xiao An, Chenlei Song,Yu Luo, Mingwu Shen, Helena Tomas, Meifang Zhu and Xiangyang Sh1.Electrospunlaponite-doped poly (lactic~co-glycolic acid) nanofibers for osteogenicdifferentiat1n of human mesenchymal stem cells.Journal of MaterialsChemistry.2012, 22: 23357 -23367.)证明掺杂了 LAP 的聚乳酸-羟基乙酸(PLGA) /LAP纤维不仅具有较好的机械性能、表面亲水性能以及蛋白质吸附性能，并可以诱导人间充质干细胞(Human mesenchymal stem cells, hMSC)向成骨方向分化。而hMSC是一种具有免疫调控、自我复制潜能的细胞，可作为骨损伤修复的理想种子细胞用于骨组织损伤修复研究中。因此,将LAP纳米材料通过压片-高温烧结的方法器件化,得到的LAP生物陶瓷在骨组织工程领域具有巨大的潜在应用价值。 [0004]但是截止目前，尚没有文献报道通过压片法将LAP纳米材料器件化，制备LAP生物陶瓷用于骨组织损伤修复研究的报道。
[0005]本发明的目的是提供一种用于骨损伤修复的锂皂石生物陶瓷，工艺简单，产品易得，所用LAP成本低，制备的LAP生物陶瓷具有良好的血液相容性、生物相容性和骨组织修复能力。
[0006]为了达到上述目的，本发明提供了一种锂皂石生物陶瓷的制备方法，其中，该方法包含:步骤1，将人工合成锂皂石粉末压片，得到锂皂石片；步骤2，将所得的锂皂石片烧结制得锂皂石生物陶瓷；所述的烧结，其烧结温度为600-800 °C，烧结时间为2-6 h。
[0007]上述的锂皂石生物陶瓷的制备方法，其中，步骤I所述的锂皂石粉末压片，每片锂皂石片的人工合成锂皂石粉末用量为0.3-0.6g。
[0008]上述的锂皂石生物陶瓷的制备方法，其中，步骤I所述的锂皂石粉末压片，其压片压力为8-15 MPa。
[0009]上述的锂皂石生物陶瓷的制备方法，其中，步骤I所述的锂皂石粉末压片，是在模具中通过单轴压制法压片。单轴压制法是指沿着一个轴向施力压制粉末的方法。
[0010]上述的锂皂石生物陶瓷的制备方法，其中，步骤2所述的烧结，其烧结时升温到所述烧结温度的过程中其升温速度为2-15 0C /min。
[0011]上述的锂皂石生物陶瓷的制备方法，其中，步骤2所述的烧结，在马弗炉中进行。
[0012]上述的锂皂石生物陶瓷的制备方法，其中，所述的方法还包含对所制得的锂皂石生物陶瓷使用扫描电子显微镜(SEM), X-射线衍射(XRD)、接触角测试和蛋白吸附测试等表征手段进行测试，以验证该制备方法的可行性。
[0013]上述的锂皂石生物陶瓷的制备方法,其中，所述的方法还包含对材料的血液相容性、体内骨损伤修复和生物安全性等特性进行了试验和评价。
[0014]本发明还提供了一种通过上述的锂皂石生物陶瓷的制备方法制备的锂皂石生物陶瓷的用途，其中，所述的锂皂石生物陶瓷的用途，包含制备用于骨损伤修复中的组织工程支架。
[0015]本发明提供的锂皂石生物陶瓷的制备方法及其用途具有以下优点: (I)操作简便易行，工艺简单，产品易得，原材料LAP成本低，可用于工业生产，且具有良好的生物相容性。
[0016](2)制备的LAP生物陶瓷具有良好的血液相容性,生物相容性和骨组织修复能力，在组织工程支架特别是骨组织损伤修复领域具有广阔的应用前景。




[0017]图1a为LAP片的SEM图。
[0018]图1b为不同烧结条件下得到的LAP生物陶瓷中样品2的SEM图。
[0019]图1c为不同烧结条件下得到的LAP生物陶瓷中样品3的SEM图。
[0020]图1d为不同烧结条件下得到的LAP生物陶瓷中样品5的SEM图。
[0021]图1e为不同烧结条件下得到的LAP生物陶瓷中样品4的SEM图。
[0022]图2为LAP片和不同烧结条件下得到的LAP生物陶瓷的XRD图谱。
[0023]图3a为猪血红细胞与LAP生物陶瓷孵育2小时后的溶血率示意图。
[0024]图3b为猪血红细胞与LAP生物陶瓷孵育2小时后的离心后上清液照片。
[0025]图4a为本发明涉及的LAP生物陶瓷在模拟体液中浸泡前的表面形貌图。
[0026]图4b为本发明涉及的LAP生物陶瓷在模拟体液中浸泡前的EDS图谱。
[0027]图4c为本发明涉及的LAP生物陶瓷在模拟体液中浸泡7天后的表面形貌图。
[0028]图4d为本发明涉及的LAP生物陶瓷在模拟体液中浸泡7天后的EDS图谱。
[0029]图5a为本发明涉及的LAP生物陶瓷和TCP对FBS (胎牛血清蛋白)吸附的测试结果O
[0030]图5b为本发明涉及的LAP生物陶瓷对FBS吸附的SEM图。
[0031 ]图5c为TCP对FBS吸附的SEM图。
[0032]图6a为rMSCs细胞在TCP和LAP生物陶瓷上生长的代谢活性示意图。
[0033]图6b为rMSCs细胞在LAP生物陶瓷上生长14天后的形貌图。
[0034]图6c为rMSCs细胞在LAP生物陶瓷上生长14天后不同放大倍数下的形貌图。
[0035]图7a为rMSCs细胞在TCP和LAP生物陶瓷上生长的代谢活性及其在LAP生物陶瓷上生长14天后ALP的活性的茜素红染图片。
[0036]图7b为骨缺损不做任何植入的对照组24周愈合的宏观照片。
[0037]图7c为骨缺损不做任何植入的对照组24周愈合的X-射线照片。
[0038]图7d为本发明涉及的LAP生物陶瓷片的骨缺损植入的宏观照片。
[0039]图7e为本发明涉及的LAP生物陶瓷片的骨缺损植入后24周愈合的宏观照片。
[0040]图7f为本发明涉及的LAP生物陶瓷片的骨缺损植入后24周愈合的X-射线照片。
[0041]图8a为本发明涉及的LAP生物陶瓷腹腔注射入大鼠体内后大鼠的体温变化图。
[0042]图Sb为皮下注射实验组和对照组的大鼠皮肤在刚注射后的照片(1-6为阴性对照，7-9为LAP生物陶瓷实验组，10-12为阳性对照组)。
[0043]图Sc为皮下注射实验组和对照组的大鼠皮肤在注射I天后的照片。
[0044]图8d为本发明涉及的LAP生物陶瓷腹腔注射入大鼠体内后大鼠的体重变化图。
[0045]图Se为皮下注射实验组和对照组的大鼠皮肤在注射2天后的照片。
[0046]图8f为皮下注射实验组和对照组的大鼠皮肤在注射3天后的照片。


[0047]以下结合附图对本发明的作进一步地说明。
[0048]本发明提供的锂皂石生物陶瓷的制备方法，包含:
步骤1，将人工合成锂皂石粉末压片，得到锂皂石片；每片锂皂石片的人工合成锂皂石粉末用量为0.3-0.6g ;压片压力为8-15 MPa ;该压片过程是在模具中通过单轴压制法压片(单轴压制法是指沿着一个轴向施力压制粉末的方法)。
[0049]步骤2，将所得的锂皂石片烧结制得锂皂石生物陶瓷；烧结温度为600-800 °C，烧结时间为2-6 h。该烧结过程在马弗炉中进行。烧结时升温到该烧结温度的过程中，其升温速度为 2-15 V /minο
[0050]本发明提供的锂皂石生物陶瓷的制备方法，还包含对所制得的锂皂石生物陶瓷使用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、接触角测试和蛋白吸附测试等表征手段进行测试，以验证该制备方法的可行性。以及对材料的血液相容性、体内骨损伤修复和生物安全性等特性进行了试验和评价。
[0051]具体测试结果如下:
Cl)扫描电子显微镜(SEM)的测试结果
SEM观察显示(如图1所示)，本发明制备的LAP片(图1a)表面规整，平滑。而在不同烧结条件下得到的LAP生物陶瓷并没有显著改变其形貌。样品3 (图1c)中出现的裂痕可能是由于烧结时间不足而引起的表面断裂。样品5 (图1d)中有规则的小孔出现，这一表面粗糙的形貌特征更有利于干细胞的粘附与生长。
[0052](2) X射线多晶体衍射(XRD)的测试结果
图2所示为LAP片和LAP生物陶瓷的XRD图片。从图2可以看出，在较低的烧结温度下(600 0C), LAP所有的特征峰都没有发生变化，表明在此烧结前后没有发生结晶相转化。而在较高的烧结温度(800 °C)，一些新的衍射峰出现在图谱中，他们分别归属于云母钠和顽火辉石的特征峰。这表明部分LAP在此温度下发生了结晶相转变，生成的LAP生物陶瓷含有LAP，云母钠和顽火辉石等晶体组分。
[0053](3) LAP生物陶瓷的血液相容性
良好的血液相容性对材料的体内应用来说是至关重要的。因此本发明通过溶血实验评价LAP生物陶瓷的血液相容性。图3展示了 LAP片和LAP生物陶瓷以及对照试验纯水和磷酸盐缓冲液(PBS)的溶血试验结果。从3b可以看出LAP片和LAP生物陶瓷与阴性对照组PBS类似，均未发生溶血现象，上清液为无色。通过对上清液的吸光光谱测试来进一步定量评价材料的溶血性见图3a。从图中可以看出，除了 LAP片溶血率为8%，其他材料的溶血率均小于5%，说明制备的LAP生物陶瓷具有很好的血液相容性，可以进一步用于骨组织损伤修复研究。
[0054](4)羟基磷灰石在LAP生物陶瓷上的形成
羟基磷灰石在组织和生物材料之间的界面形成，生长和维护起着重要作用，因此本方明研究了 LAP生物陶瓷在模拟体液中，其表面形成羟基磷灰石的能力。图4a和4c展示了在模拟体液中浸泡7天前后的LAP生物陶瓷的表面形貌。从图中可以看出，与浸泡前相比，浸泡7天后可以明显观察到羟基磷灰石在LAP生物陶瓷表面的颗粒状矿化。EDS(X射线能谱仪)测试(图4b和4d)也表明浸泡后的生物陶瓷中含有新的元素Ca和P，且他们的比例(1.57)和羟基磷灰石中这两种元素的比例相似。这进一步表明LAP表面矿化羟基磷灰石的形成。
[0055](5) LAP生物陶瓷对蛋白的吸附性能
为了进一步验证LAP生物陶瓷在组织工程领域具有更好的应用潜能，本发明还研究了蛋白在LAP生物陶瓷表面的吸附性能。如图5a所示，在培养24小时之后，LAP生物陶瓷比TCP (磷酸三钙生物陶瓷)具有更高的蛋白吸附能力。同时SEM图片(图5b和5c)也表明固态的蛋白粘附在LAP生物陶瓷和TCP表面。这一结果表明LAP生物陶瓷具有较好的蛋白吸附性能，在组织工程领域具有更好的应用潜能。
[0056](6) LAP生物陶瓷的生物相容性评价
间充质干细胞(rMSCs)的成骨分化和增殖在骨组织修复在起着重要作用，因此我们进一步研究了该LAP生物陶瓷对rMSCs细胞的相容性。如图6a所示，刃天青细胞活力试验表明LAP生物陶瓷和TCP有着相似的促进rMSCs细胞生成的能力，培养3天后rMSCs细胞即开始进入对数生长期。这表明LAP生物陶瓷有着较好的rMSCs细胞相容性。同时，通过SEM观察了 LAP生物陶瓷上rMSCs细胞形貌，如图6b和6c所示，rMSCs细胞在LAP生物陶瓷表面生出了细胞伪足，很好地构建了三位支架网络。这表明LAP生物陶瓷可以促进细胞的粘附和生长，具有很好的细胞相容性，更有用于生物支架的潜力。
[0057](7) LAP生物陶瓷诱导成骨分化评价
为了检验碱性磷酸酶(ALP)活性，首先将细胞裂解液加入到孔板中获得细胞裂解液。然后，将ALP底物和裂解细胞液在37 0C下避光孵育，Ih后加入NaOH终止水解。ALP底物与NaOH混合作为空白对照。结果如图7a所示，培养14天后，生长在LAP生物陶瓷上的rMSCs细胞比生长在TCP对照板上的细胞具有显著高的ALP活力(P < 0.05)。通过茜素红染色进一步定性验证了 rMSCs细胞的成骨分化。如图7a中插图所示，只有LAP生物陶瓷上生长的rMSCs细胞被染为红色，表面有钙沉积现象发生，从而证明LAP生物陶瓷可以诱导rMSCs细胞的成骨分化。
[0058](8) LAP生物陶瓷体内促进骨损伤修复评价
分别在成熟雄性猪左上肢和右上肢骨干中制作一个1.0 cm X 0.2 Cm的骨缺损。在左上肢缺损中植入LAP生物陶瓷片，右上肢不做任何植入。最后利用X-射线获植入24周后左右上肢的骨组织图片。如图7b和7e所不,24周后，对照(图7b右上肢)和实验组(图7e左上肢)的骨缺损都有一定的愈合。除了如图7e箭头所示的LAP生物陶瓷的残余外，其与周围骨组织没有明显的区别，表明该材料可以很好的和骨组织融合，辅助骨缺损的修复，促进骨再生。
[0059]骨缺损的修复情况进一步用X-射线进行分析，如图7c和7f所示，箭头所指的为骨缺损修复部位，实验组的骨光学密度明显高于对照组，表明LAP有促进新生骨形成的能力。
[0060](9) LAP生物陶瓷体内安全性评价
将LAP生物陶瓷提取液通过0.22 μπι滤膜过滤除菌，注射入Sprague-Dawe Iy (SD)大鼠腹腔。对照组大鼠注射相同剂量的生理盐水。在注射后一周内观察其体温，体重变化以及成活率评价其急性全身毒性作用。实验结果如图8a和8d所示，实验组和对照组大鼠的体重和体温变化并没有显著区别，同时也没有大鼠死亡的情况发生，表明所制备的LAP生物陶瓷片萃取液并没有毒性作用。另外取雌性SD大鼠，将其背部毛发除去，然后注入12个斑点的样品(1-6为生理盐水作为阴性对照，7-9为LAP生物陶瓷提取液，10-12为乙醇作为阳性对照)，观察其肌肉刺激性。实验结果如图8b，8c, Se和8f所示，实验组皮肤没有明显的红斑，水肿和坏死情况发生(斑点7-9，图8b，8c, 8e和8f)，这一结果和阴性对照组(斑点1-6，图8b, 8c, 8e和8f)相似。然而阳性对照组(斑点10-12，图8b, 8c, 8e和8f)出现了皮肤损伤现象。这表明LAP生物陶瓷没有体内肌肉皮肤刺激性反应，具有很好的生物安全性。
[0061]本发明还提供了一种通过上述的锂皂石生物陶瓷的制备方法制备的锂皂石生物陶瓷的用途，其包含制备用于骨损伤修复中的组织工程支架。
[0062]实施例1
取0.45 g LAP粉末，放在直径为14 mm的模具中，通过单轴向压制法在10 MPa压力下压片，得到LAP片。将4片LAP片分别放置在马弗炉中按照表1所示条件进行烧结制得LAP生物陶瓷，记为样品2~5。
[0063]烧结前后样品的直径用千分尺测量，计算所得直径收缩率如表1所示。所有样品的密度利用阿基米德原理测量，并除以原始LAP粉末得到相对密度变化(如表1)。所有样品的亲水性通过接触角测定，将I μ L蒸馏水滴在样品表面，然后用接触角测量仪测量，结果见表1。本发明制备的LAP片的表明形貌变化由SEM观察，如图1所示，烧结前的LAP片即样品1，参见图la，其表面规整，平滑。而在不同烧结条件下得到的LAP生物陶瓷并没有显著改变其形貌。样品3中出现的裂痕可能是由于烧结时间不足而引起的表面断裂，同时样品4中有规则的小孔出现，这个表面粗糙的形貌特征更有利于干细胞的粘附与生长。
[0064]表1.LAP片和LAP生物陶瓷的物理化学参数。