柳麗敏，張 雷，楊賢燕，壯 琛，柯秀榮，楊國(guó)敬，茍中入

(1.浙江加州國(guó)際納米技術(shù)研究院，浙江大學(xué)，浙江 杭州 310058； 2.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院，浙江 瑞安 325200)

核-殼結(jié)構(gòu)硅灰石/磷酸鈣多孔陶瓷微球的制備及表征

柳麗敏1，張 雷2，楊賢燕1，壯 琛1，柯秀榮2，楊國(guó)敬2，茍中入1

(1.浙江加州國(guó)際納米技術(shù)研究院，浙江大學(xué)，浙江 杭州 310058； 2.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院，浙江 瑞安 325200)

本文研究了雙殼層型核-殼結(jié)構(gòu)β-硅灰石/β-磷酸三鈣(β-CaSiO3/β-TCP)生物活性復(fù)相陶瓷微球的制備及表征；利用添加有機(jī)微球造孔劑工藝，在內(nèi)、外殼層分別構(gòu)建出孔徑10μm左右的多孔結(jié)構(gòu)，并對(duì)其體外降解行為進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，運(yùn)用自制同軸噴頭微流控系統(tǒng)制備的生物活性復(fù)相陶瓷微球的工藝簡(jiǎn)單，微球尺寸均一，球形形態(tài)良好，經(jīng)干燥、煅燒處理后陶瓷微球發(fā)生明顯收縮，顆粒度維持在2.2±0.1mm。通過(guò)改變組分分布、燒結(jié)溫度制度以及雙殼層內(nèi)部結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)復(fù)相陶瓷體外降解的可調(diào)節(jié)性。以上研究結(jié)果表明，該方法制備的多孔雙殼層型核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)相陶瓷微球解決了組分降解速率調(diào)控問(wèn)題，以及由此堆砌顆粒形成三維網(wǎng)絡(luò)孔道演化可調(diào)可控性能，勢(shì)必將在研究骨缺損修復(fù)和微球載藥領(lǐng)域具有重要意義。

β-磷酸三鈣； β-硅酸鈣； 雙殼層核-殼結(jié)構(gòu)； 多孔結(jié)構(gòu)； 復(fù)相陶瓷微球

1 前 言

磷酸鈣類生物陶瓷材料，如羥基磷灰石(Hydroxyapatite；HA)、β-磷酸三鈣(Tricalcium phosphate；β-TCP)及其兩相復(fù)合的雙相磷酸鈣陶瓷(Biphasic calcium phosphate；BCP)材料，因其與骨骼無(wú)機(jī)礦物相的組成相似，在骨修復(fù)材料領(lǐng)域得到應(yīng)用[1-4]。大量研究證實(shí)這類材料具有良好的生物相容性及骨傳導(dǎo)性能，能夠與宿主骨形成牢固鍵合。但是，經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)處理，這類生物陶瓷的降解速率較為緩慢，生物活性較差，因而磷酸鈣人工骨陶瓷的研究和應(yīng)用尚未達(dá)到理想效果。

近些年的一系列研究表明，鈣-硅基生物活性玻璃、玻璃-陶瓷和生物陶瓷具有優(yōu)良的體內(nèi)外生物活性，在模擬人體環(huán)境中該類材料的表面能夠快速誘導(dǎo)沉積類骨羥基磷灰石[5-6]；同時(shí)溶出的鈣、硅等離子還具有促進(jìn)細(xì)胞增殖、刺激與骨再生密切相關(guān)的基因、蛋白高效表達(dá)等功效[7-8]。但是，有研究顯示，純硅灰石(β-CaSiO3)多孔陶瓷材料在動(dòng)物顱骨骨缺損內(nèi)降解過(guò)快，難以與骨損傷再生修復(fù)速率形成最佳匹配[9-10]。同時(shí)，一些研究還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)離子摻雜能改善硅灰石陶瓷的生物活性和降解性，譬如摻鎂、鍶能改變其降解速率，并提高其體外成骨細(xì)胞活性[11-13]。Zhu等[14]研究表明鍶摻雜硅灰石提高了生物活性離子釋放水平，浸泡液(SBF)的pH也有所降低，掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)摻鍶硅酸鈣誘導(dǎo)沉積羥基磷灰石能力不受影響。其次，硅灰石與β-TCP的復(fù)合材料研究也顯示，適量β-TCP不僅能適度緩解多孔陶瓷的降解速率，避免支架過(guò)快降解，同時(shí)也有利于體內(nèi)成骨效率的改善[15]。

另一方面，為滿足骨再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的要求，多孔性生物活性材料的構(gòu)建可為加快原位骨再生效率提供條件[16]。球形顆粒生物陶瓷材料因其易于塑形(既可以作為骨修復(fù)單獨(dú)制品，也可以制成微球堆積體組成三維多孔支架)、植入方便而廣泛應(yīng)用于骨缺損填充修復(fù)[17]。對(duì)于球形顆粒而言，因其具有其它不規(guī)則形狀顆粒物所沒(méi)有的良好性能，如流動(dòng)性好、堆積密度大、質(zhì)量輕和填充性能好等，勢(shì)必在原位骨再生修復(fù)領(lǐng)域獲得更大的應(yīng)用[18-19]。

據(jù)此，本文利用自制的同軸多噴頭系統(tǒng)，試圖構(gòu)建一類具有組分分布可調(diào)、內(nèi)部微結(jié)構(gòu)可控以及生物活性、降解性可階段剪裁的新型復(fù)相陶瓷微球體系，實(shí)現(xiàn)顆粒材料的無(wú)機(jī)離子釋放劑量水平和顆粒尺度階段性可調(diào)控等功能，為原位骨再生修復(fù)構(gòu)建更有利于細(xì)胞遷移、血管化發(fā)生以及新骨再生與骨重建協(xié)同匹配的新型多孔生物活性材料。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室自主搭建的生物活性陶瓷微球制備系統(tǒng)，通過(guò)一步法制備出具有雙殼層結(jié)構(gòu)的核-殼結(jié)構(gòu)多孔陶瓷微球材料，并通過(guò)改變殼層微結(jié)構(gòu)探討其離子釋放和降解速率。

2.1 材料

致孔劑選用聚苯乙烯(Polystyrene)微球，粒徑在15μm左右；海藻酸鈉(NaAlg)為分析純。

按β-Ca3(PO4)2的化學(xué)計(jì)量比分別配制相應(yīng)成分的Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4水溶液，用氨水將溶液pH調(diào)節(jié)到7.5；將鈣鹽溶液逐滴滴加到連續(xù)攪拌的磷酸鹽溶液中，維持反應(yīng)體系的pH值為7.5，滴加完成后繼續(xù)攪拌24 h，然后過(guò)濾，用去離子水和乙醇分別洗滌三次，80℃干燥，850℃煅燒2 h，得β-TCP粉體。

為了獲得摻Sr硅灰石粉體，本文按Ca0.95Sr0.05SiO3的化學(xué)計(jì)量比分別配制相應(yīng)成分的Ca(NO3)2、Sr(NO3)2混合水溶液和Na2SiO3水溶液；用稀氨水調(diào)節(jié)Ca(NO3)2、Sr(NO3)2溶液的pH值到10.0，并將其逐滴滴加到連續(xù)攪拌的Na2SiO3溶液中，滴加完成后繼續(xù)攪拌24 h，用去離子水和乙醇分別洗滌三次，80℃干燥，850℃煅燒2h，得到摻鍶硅灰石粉體[20]。

2.2 核-殼結(jié)構(gòu)多孔生物活性陶瓷微球的制備

稱取適量海藻酸鈉溶解于去離子水中，形成海藻酸鈉水溶膠；稱取適量陶瓷粉體(β-CaSiO3或β-TCP)，多孔殼層按照質(zhì)量比β-TCP∶PS致孔劑=1∶1；邊攪拌邊將上述三份粉體緩慢加入海藻酸鈉水溶膠中，經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢?1h)，制得粉體微粒均勻分散在海藻酸鈉水溶膠中的漿料。

多層化核-殼結(jié)構(gòu)多孔生物陶瓷微球的制備設(shè)備如圖1(a)所示，主要包括多通道注射泵和同軸多層噴頭。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同成分組成的海藻酸鈉-陶瓷粉體漿料分裝在各通道入口，經(jīng)過(guò)導(dǎo)管與同軸多層噴頭相連，并通過(guò)各自流道在末端匯集，形成具有核-殼結(jié)構(gòu)的液滴。隨著液滴增大并不能克服其重力，漿料液滴滴入到Ca(NO3)2接收液中，通過(guò)海藻酸根與鈣離子的交聯(lián)作用迅速交聯(lián)、硬化。最終所制微球的各層漿料組成分別為Ca0.95Sr0.05Si@CaP@CaP-PS(外殼層造孔微球)、Ca0.95Sr0.05Si@CaP-PS@CaP(內(nèi)殼層造孔微球)。收集到的陶瓷漿料微球經(jīng)固化1～2 h后取出，用去離子水洗滌三次， 60℃干燥處理。

圖1 (a)微球制備裝置示意圖，(b)多孔雙殼結(jié)構(gòu)的核-殼復(fù)相陶瓷微球內(nèi)部微結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 (a) Schematic illustration of experimental device, (b) Schematic illustration of porous double-shell ceramic microspheres

為了探討燒結(jié)溫度制度對(duì)復(fù)相陶瓷微球的影響，本文采取了兩種燒結(jié)方案：一步燒結(jié)法：將干燥后微球直接升溫至1120℃，并保溫3h，然后隨爐冷卻；兩步燒結(jié)法：先將微球升至1120℃并保溫30min，然后迅速降溫(10min)至1060℃，并保溫3h，然后隨爐冷卻。兩步燒結(jié)法的原理是將試樣首先加熱到一個(gè)較高的溫度，使體系獲得一個(gè)足以發(fā)生晶界擴(kuò)散的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，然后迅速降溫至某一較低溫度繼續(xù)保溫，抑制晶界遷移，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。

2.3 樣品表征

利用數(shù)碼相機(jī)和游標(biāo)卡尺對(duì)微球樣品進(jìn)行外觀和粒徑分析，采用掃描電子顯微鏡(SEM)表征其表面、斷面的形貌和微結(jié)構(gòu)，采用X射線衍射(XRD)分析測(cè)試微球樣品煅燒后的物相組成。

2.4 體外降解實(shí)驗(yàn)

稱取0.45g陶瓷微球分別置于15mL Tris- HCl緩沖液(0.1mol/l，pH=5.2)中，放入37℃恒溫箱。在預(yù)定時(shí)間間隔后取1.0mL上清液，再加入等體積新鮮緩沖液，偏酸性pH緩沖溶液是為了模擬活躍破骨細(xì)胞引起的局部酸化環(huán)境并促使骨吸收；采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OMS)測(cè)試上清液中Ca、P、Si和Sr的濃度。

浸泡8周后取出微球，用去離子水和乙醇分別洗滌3次，再置于120℃條件下干燥24h，然后稱量，根據(jù)浸泡前后的質(zhì)量計(jì)算失重率(%)，計(jì)算公式如下：失重率=(浸泡前質(zhì)量-浸泡后質(zhì)量)/浸泡前質(zhì)量×100%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 外觀和粒徑分析

圖2是所制備復(fù)相陶瓷微球Ca0.95Sr0.05Si@CaP@CaP-PS、Ca0.95Sr0.05Si@CaP-PS@CaP在干燥前后和煅燒前后的光學(xué)照片?？梢钥闯觯緦?shí)驗(yàn)制備的微球尺寸均一、形態(tài)維持良好。結(jié)合圖3所示粒徑分析結(jié)果，可知所制備的微球Ca0.95Sr0.05Si@CaP@CaP-PS和Ca0.95Sr0.05Si@CaP-PS@CaP干燥前直徑為3.5～4.0mm，且內(nèi)殼層造孔的微球直徑比外殼層造孔的微球直徑略小。經(jīng)60℃干燥處理后，顆粒直徑發(fā)生顯著收縮，但是仍舊維持良好的球形形態(tài)。經(jīng)煅燒處理，顆粒的微球形態(tài)穩(wěn)定，且一步燒結(jié)法煅燒的微球收縮率比兩步燒結(jié)法收縮率略大，最終所得的復(fù)相陶瓷微球Ca0.95Sr0.05Si@CaP@ CaP-PS和Ca0.95Sr0.05Si@CaP-PS@CaP的直徑在2.1～2.3mm之間。

圖2 陶瓷漿料微球干燥與煅燒前、后的外觀照片F(xiàn)ig.2 Outward appearance of the bioceramic microspheres before and after drying and sintering

圖3 微球干燥與煅燒前、后的收縮率Fig.3 Shrinkage of the double-shell bioceramic microspheres before and after drying or sintering, respectively

3.2 多層化核-殼結(jié)構(gòu)多孔生物活性陶瓷微球成分分析

圖4為兩種燒結(jié)制度所得產(chǎn)物的XRD圖譜，可見(jiàn)兩種燒結(jié)制度所獲陶瓷微球Ca0.95Sr0.05Si@ CaP@CaP-PS和Ca0.95Sr0.05Si@ CaP-PS@CaP產(chǎn)物的物相成分相同，表明燒結(jié)溫度制度對(duì)材料物相沒(méi)有影響。同時(shí)，XRD圖譜中不僅可以檢測(cè)到β-TCP和β-CaSiO3相，還存在HA的衍射峰，說(shuō)明β-TCP相在煅燒過(guò)程中發(fā)生相轉(zhuǎn)化，形成HA-TCP雙相陶瓷。分析其原因，可能是由于海藻酸根與接收液中鈣離子螯合，在煅燒過(guò)程中鈣離子與β-TCP發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而形成HA-TCP雙相陶瓷，因而與常規(guī)的僅僅由HA高溫煅燒發(fā)生相轉(zhuǎn)化的情況不同。

圖4 采用一步燒結(jié)法(a)和兩步燒結(jié)法(b)制備的復(fù)相陶瓷微球X-射線衍射圖譜Fig.4 XRD patterns of the double-shell bioceramic microspheres sintered by (a) one-step and (b) two-step methods, respectively

3.3 多層化核-殼結(jié)構(gòu)多孔生物活性陶瓷微球形貌與微結(jié)構(gòu)分析

圖5是多孔生物陶瓷微球表面形貌SEM照片，比較可知，內(nèi)外殼層具有孔道的兩種微球表面形貌差異明顯。外殼層被造孔的微球表面存在球形孔結(jié)構(gòu)，孔徑在10μm左右，這一尺度略小于PS致孔劑形狀尺寸，說(shuō)明燒結(jié)過(guò)程發(fā)生收縮；從圖3(A2、C2)可知，孔隙內(nèi)壁與外緣形貌類似，說(shuō)明PS致孔劑無(wú)殘留。內(nèi)部造孔微球表面光滑，結(jié)構(gòu)致密，晶粒相互融合，晶界清晰可見(jiàn)。

圖5 外殼層造孔(A0～A2，C0～C2)和內(nèi)殼層造孔(B0～B2，D0～D2)陶瓷微球燒結(jié)后的表面形貌Fig.5 SEM images of the surface microstructures of l bioceramic microspheres with external (A0～A2, C0～C2) or interior (B0～B2, D0～D2) porous shell

圖6為多層化核-殼結(jié)構(gòu)多孔生物陶瓷微球的斷面形貌SEM照片，從低倍SEM圖可以看出微球明顯呈雙殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼層與外殼層之間因多孔結(jié)構(gòu)的存在可看出明顯分界，核層與內(nèi)殼層之間因陶瓷相不同導(dǎo)致的收縮率不同而產(chǎn)生空隙。從高倍SEM圖可看出雙殼層復(fù)相陶瓷微球核層均由微米級(jí)顆粒燒結(jié)而成，結(jié)構(gòu)較為致密，并在相應(yīng)殼層出現(xiàn)球形孔結(jié)構(gòu)，表明利用該同軸噴頭制備的微球是雙殼層化的核-殼結(jié)構(gòu)，并且多孔層的部位可以調(diào)整和控制。比較兩種燒結(jié)制度所得結(jié)果進(jìn)一步可知，兩步燒結(jié)法所得產(chǎn)物的晶粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)更致密，表明兩步燒結(jié)法達(dá)到了細(xì)化晶粒的效果，這勢(shì)必有利于改善多層化核-殼結(jié)構(gòu)多孔生物陶瓷微球的力學(xué)性能。

3.4 多層化核-殼結(jié)構(gòu)多孔生物活性陶瓷微球體外降解行為分析

為明確兩種不同結(jié)構(gòu)的多層化核-殼結(jié)構(gòu)多孔生物陶瓷微球的降解行為和生物活性離子釋放特征，圖7(a)所示的是復(fù)相陶瓷微球在Tris-HCl溶液中降解28d后的失重率。結(jié)果顯示，多孔性外殼層微球28 d內(nèi)失重率在2%～3%之間，而多孔性內(nèi)殼層微球失重率高于4%，表明多孔性結(jié)構(gòu)特征能顯著改變陶瓷微球的降解性。

進(jìn)一步對(duì)兩種復(fù)相陶瓷微球Ca0.95Sr0.05Si@ CaP@CaP-PS和Ca0.95Sr0.05Si@CaP-PS@CaP在Tris-HCl中浸泡28d的無(wú)機(jī)離子釋放規(guī)律進(jìn)行了表征。從圖8(a)可見(jiàn)，來(lái)源于硅灰石核層Sr的濃度隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸升高，且離子釋放的水平與殼層孔道分布區(qū)域密切相關(guān)，多孔性外殼層的微球高于多孔性內(nèi)殼層微球，表明多孔結(jié)構(gòu)處于最外殼層比處于內(nèi)殼層更有利于核心層的降解。Ca、Si的濃度變化規(guī)律在降解前期(24h)與Sr的濃度變化規(guī)律基本一致，后期則比較紊亂(圖8b,c)。再看P濃度變化規(guī)律(圖8d)，可知最初4h，P濃度升高，在此之后P濃度不升反降，7d之后基本維持平衡，且整個(gè)過(guò)程中，多孔性外殼層的復(fù)相陶瓷微球中P離子釋放水平均低于多孔性內(nèi)殼層的復(fù)相陶瓷微球。

結(jié)合上述復(fù)相陶瓷微球的失重率和Ca、P的濃度水平和變化規(guī)律，在本實(shí)驗(yàn)的弱酸性條件下(模擬體內(nèi)破骨細(xì)胞活躍區(qū)微環(huán)境條件)，殼層的TCP會(huì)發(fā)生較快溶解并釋放Ca、P離子，由此推測(cè)該類復(fù)相陶瓷降

圖6 復(fù)相陶瓷微球燒結(jié)后的斷面形貌。外殼層被造孔的微球(A0～A5，C0～C5)；內(nèi)殼層被造孔微球(B0～B5，D0～D5)Fig.6 SEM images of the fracture microstructures of double-shell bioceramic spheres with external (A0～A5，C0～C5) or interior (B0～B5，D0～D5) porous shell

圖7 陶瓷微球在pH5.2的Tris-HCl溶液中浸泡28d后的失重率Fig.7 weight loss (%) of in the Tris-HCl buffer with initial pH 5.2 during soaking the bioceramic spheres

解過(guò)程中可能因出現(xiàn)有酸性鈣磷酸鹽析出或沉積，從而導(dǎo)致P離子濃度呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，后期降解速率與沉積速率達(dá)到平衡，P離子濃度也達(dá)到平衡。

4 實(shí)驗(yàn)討論

骨損傷修復(fù)材料的生物活性和降解性是影響骨再生修復(fù)效率的重要因素。HA和β-TCP等磷酸鈣類陶瓷材料因具有與骨礦物質(zhì)類似的鈣-磷酸鹽組成，而受到廣泛關(guān)注。大量研究證實(shí)磷酸鈣類陶瓷材料具有良好的生物相容性及骨傳導(dǎo)性能。微球型骨缺損填充材料因其外形規(guī)則、易于塑型的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。臨床上，顆粒型骨修復(fù)材料主要用于非承重骨缺損填充，其堆砌形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞長(zhǎng)入[21-22]。Lal和Sun借助計(jì)算機(jī)輔助模擬計(jì)算了等徑微球緊密堆積體系的孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而精確計(jì)算微球顆粒尺度從400到600μm增長(zhǎng)帶來(lái)的孔隙率和孔尺度變化[23]。理論上，等徑球堆積的最大堆積密度為71.4%，并且孔分布呈周期性和均一性。很顯然，本文制備的微球顆粒度達(dá)到2mm以上，四個(gè)微球形成最緊密堆積的三角錐結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔道尺度超過(guò)500μm，滿足原位骨再生對(duì)支架材料孔尺度的基本需求。眾所周知，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)常規(guī)磷酸鈣微球陶瓷材料經(jīng)高溫煅燒后，降解較為緩慢，生物活性較差。一些研究證實(shí)植入體內(nèi)的磷酸鈣微球僅僅傳導(dǎo)骨組織在微球間隙內(nèi)生長(zhǎng)，難以與各種病理性骨損傷修復(fù)速率相匹配[24]。本文利用自制微球制備系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)一步制備雙殼層型核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)相陶瓷微球材料，該制備工藝極為簡(jiǎn)便，制備出的微球尺寸均一，經(jīng)干燥、煅燒處理后微球發(fā)生一定收縮，最終尺寸在2.1～2.3mm之間，由此緊密堆積形成的多孔網(wǎng)絡(luò)勢(shì)必非常有利于成骨相關(guān)細(xì)胞遷移和血管化發(fā)生，以及新生骨長(zhǎng)入。

作為骨缺損填充材料的生物活性陶瓷微球，內(nèi)部結(jié)構(gòu)諸如孔隙大小、孔隙內(nèi)部連通性等都至關(guān)重要[25]。Gonda Y等[26]的研究證明，微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于陶瓷材料的成骨性能有顯著影響。理論上，具有多孔結(jié)構(gòu)的微球材料相比致密微球材料，與體液接觸面積大，離子溶出速度加快，同時(shí)微孔結(jié)構(gòu)有利于吞噬細(xì)胞吸附，加速陶瓷材料降解。另一方面，植入體內(nèi)的微球逐漸降解，微球尺度降低，微球之間的間隙越小，必然會(huì)限制成骨相關(guān)細(xì)胞向微球內(nèi)部遷移、微球間隙內(nèi)血管化和新骨再生。本研究制備的雙殼層型核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)相陶瓷微球材料還利用添加致孔劑造孔方案，在不同的殼層漿料中添加PS微球致孔劑，經(jīng)燒結(jié)后致孔劑揮發(fā)從而形成空腔，并最終形成10μm左右、分布較為均勻的球形孔，在多層化復(fù)相微球的不同殼層分別實(shí)現(xiàn)了多孔結(jié)構(gòu)。近些年的研究表明，硅酸鈣陶瓷具有良好的骨誘導(dǎo)性和降解性，在模擬體液中能夠快速誘導(dǎo)沉積羥基磷灰石，而鍶作為人體骨代謝必需的微量元素之一，具有促進(jìn)成骨新骨生成、抑制骨再吸收的雙重功效[27]。其次，鍶還被證明具有調(diào)節(jié)骨質(zhì)密度和強(qiáng)度，抑制骨質(zhì)疏松等生物學(xué)效應(yīng)，并且在介導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化方面也顯示其特異性生物學(xué)潛力[28-29]。因此，在該微球材料降解后期，微球之間間隙減小，但是硅酸鈣材料優(yōu)異的降解性和生物活性有利于微球材料的進(jìn)一步降解吸收，實(shí)現(xiàn)與骨損傷速率相匹配。本研究的體外離子釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種殼層結(jié)構(gòu)的復(fù)相陶瓷微球在降解過(guò)程中處于核層的Sr離子表現(xiàn)出明顯差異，多孔性內(nèi)殼層陶瓷微球內(nèi)核層Sr離子釋放水平低于多孔性外殼層微球。失重變化則與之相反，可能的原因是外殼層的多孔結(jié)構(gòu)增大了表面積，而釋放的Ca、P離子達(dá)到某酸性磷酸鈣的過(guò)飽和水平，從而發(fā)生沉積效應(yīng)。

圖8 陶瓷微球在pH 5.2的Tris-HCl溶液中的Sr(a)、Ca(b)、Si(c)、P(d)離子濃度變化Fig.8 Changes in Sr(a),Ca(b),Si(c) and P(d) concentrations in the Tris-HCl buffer with initial pH 5.2 during soaking the ceramic spheres

5 結(jié) 論

本文利用自制陶瓷微球制備系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一步制備多層化復(fù)相陶瓷微球Ca0.95Sr0.05Si@CaP@CaP-PS和Ca0.95Sr0.05Si@CaP-PS@CaP，結(jié)合添加致孔劑造孔工藝，實(shí)現(xiàn)了不同殼層中微觀結(jié)構(gòu)的可調(diào)可控，該方法制備的微球尺度均一，球形度良好，殼、核層的結(jié)構(gòu)完整，界面清晰；體外降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多孔孔道所處位置不同對(duì)微球降解性有顯著影響，核層的Sr離子釋放水平與不同殼層的多孔性特征密切相關(guān)。該方法制備的多孔雙殼結(jié)構(gòu)的復(fù)相陶瓷微球的組分及微結(jié)構(gòu)均可調(diào)可控，勢(shì)必將在骨缺損修復(fù)研究和微球載藥領(lǐng)域具有重要應(yīng)用意義。

[1] Dorozhkin SV, Epple M. Biological and medical significance of calcium phosphates[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2002, 41 (17):3130～3146.

[2] Salinas AJ, Esbrit P, Vallet-Regí M. A tissue engineering approach based on the use of bioceramics for bone repair[J]. Biomaterial Science, 2013, 1(1):40～51.

[3] Rodriguez JP, Garat S, Gajardo H, Pino AM, Seitz G. Abnormal osteogenesis in osteoporotic patients is reflected by altered mesenchymal stem cells dynamics[J]. Journal of Cellular Biochemistry, 1999, 75(3):414～423.

[4] Manjubala I, Sastry TP, Kumar RVS. Bone in-growth induced by biphasic calcium phosphate ceramic in femoral defect of dogs[J]. Journal of Biomaterials Applications, 2005, 19(4):341～360.

[5] Wu C, Jiang C. A review of bioactive silicate ceramics[J]. Biomedical Materials, 2013, 8(3):032001～0320013.

[6] Quarto R, Mastrogiacomo M, Cancedda R, et al. Repair of Large Bone Defects with the Use of Autologous Bone Marrow Stromal Cells[J]. New England Journal of Medicine, 2001, 344(5):385～386.

[7] Aza PND, Guitian F, Aza SD. Bioactivity of wollastonite ceramics: In vitro evaluation[J]. Scripta Metallurgica Et Materialia, 1994, 31(8):1001～1005.

[8] Siriphannon P, Hayashi S, et al. Preparation and sintering of CaSiO3from coprecipitated powder using NaOH as precipitant and its apatite formation in simulated body fluid solution[J]. Journal of Materials Research, 1999, 14(2):529～536.

[9] Xu S, Lin K, Wang Z, et al. Reconstruction of calvarial defect of rabbits using porous calcium silicate bioactive ceramics[J]. Biomaterials, 2008, 29(17): 2588～2596.

[10] Lin K, Liu Y, Huang H, et al. Degradation and silicon excretion of the calcium silicate bioactive ceramics during bone regeneration using rabbit femur defect model[J]. Journal of Materials Science Materials in Medicine, 2015, 26(6):1～8.

[11] 李至成, 陳曉怡, 楊賢燕, 茍中入. 采用兩步pH調(diào)節(jié)仿生水溶膠介質(zhì)法合成磷酸鈣微球[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013, 31(4):550～556.

[12] 王彥偉, 蔡舒, 彭珍珍, 姚康德. 微球堆積法制備多孔磷酸鈣生物材料[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 23(3), 235～238.

[13] 張立巖, 金掌, 甘維, 等. 鍶鋅共摻雜磷酸八鈣微球制備及骨修復(fù)性能研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2016, 34(1):900～905.

[14] Zhu Y, Min Z, Xing H, Zhang J, Tao C. Substitutions of strontium in mesoporous calcium silicate and their physicochemical and biological properties[J]. Acta Biomaterialia, 2013, 9(5):6723～6731.

[15] Xu S, Lin K, Wang Z, et al. Reconstruction of calvarial defect of rabbits using porous calcium silicate bioactive ceramics[J]. Biomaterials, 2008, 29: 2588～2596.

[16] Jones AC, Arns CH, Hutmacher DW, et al. The correlation of pore morphology, interconnectivity and physical properties of 3D ceramic scaffolds with bone ingrowth[J]. Biomaterials, 2009, 30(7):1440～1451.

[17] Hossain KZ, Patel U, Ahmed I. Development of microspheres for biomedical applications: a review[J]. Progress in Biomaterials, 2015, 4(1):1～19.

[18] 李波, 徐文峰, 廖曉玲. 磷酸鈣微球骨修復(fù)材料研究進(jìn)展[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào), 2014, 29(10):1009～1017.

[19] Ribeiro CC, Barrias CC, Barbosa MA. Preparation and characterisation of calcium-phosphate porous microspheres with a uniform size for biomedical applications[J]. Journal of Materials Science Materials In Medicine, 2006, 17(5):455～463.

[20] Lin K, Xia L, Li H, et al. Enhanced osteoporotic bone regeneration by strontium-substituted calcium silicate bioactive ceramics[J]. Biomaterials, 2013, 34(46): 10028～10042.

[21] Silva GA, Coutinho OP, Ducheyne P, Reis RL. Materials in particulate form for tissue engineering. 2. Applications in bone[J]. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, 2007, 1(2): 97～109.

[22] Silva GA, Ducheyne P, Reis RL. Materials in particulate form for tissue engineering. 1. Basic concepts[J]. Journal of Tissue Engineering & Regenerative Medicine, 2007, 1(1):4～24.

[23] Lal P, Sun W. Computer modeling approach for microsphere- packed bone scaffold[J]. Computer-Aided Design, 2004, 36(5):487～497.

[24] Tadic D, Epple M. A thorough physicochemical characterisation of 14 calcium phosphate-based bone substitution materials in comparison to natural bone[J]. Biomaterials, 2004, 25(6): 987～994.

[25] Jin QM, Takita H, Kohgo T, et al. Effects of geometry of hydroxyapatite as a cell substratum in BMP- induced ectopic bone formation[J]. Journal of Biomedical Materials Research, 2000, 52(4):841～851.

[26] Kawamura H, Ito A, Miyakawa S, et al. Stimulatory effect of zinc on bone formation around zinc-releasing calcium phosphate ceramics implanted rabbits femora[J]. Journal of Biomedical Material Research, 2000, 50(2):184～190.

[27] Gary AF, Will S, Susmita B. Effects of SiO2, SrO, MgO, and ZnO dopants in tricalcium phosphates on osteoblastic Runx2 expression[J]. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2013, 102(7): 2417～2426.

[28] Yang F, Yang D, Tu J, Zheng Q, Cai L, Wang L. Strontium enhances osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells and in vivo bone formation by activating Wnt/Catenin signaling[J]. Stem Cells. 2011, 29(2): 981～988.

[29] Nielsen FH. Importance of making dietary recommendations for elements designated as nutritionally beneficial, pharma-cologically beneficial, or conditionally essential[J]. Journal of Trace Elements Expert Medicine, 2000, 13(6):113～122.

Preparation and Characterization of Core-shell-structured Wollastonite/Calcium Phosphate Porous Bioceramic Spheres

LIU Limin2， ZHANG Lei2， YANG Xianyan1, ZHUANG Chen1， KE Xiurong2， YANG Guojing2， GOU Zhongru1

(1.Zhejiang-California International NanoSystems Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2.The 3rdaffiliated Hospital of Wenzhou Medical University, Rui’an 325200, China)

The regeneration and repair of pathological bone defect is still a great challenge in clinic. Here we demonstrated how a versatile andexible one-step process can generate multilayer bioceramic microspheres with tunable core or shell composition and shell microstructures. The sphere-forming equipment, as a laboratory scale apparatus, is composed of multi-channel injection pump, coaxially aligned multilayer capillaries, and collection container, to help with the formation of bioceramic microspheres beyond homogenous hybrid. We chose β-tricalcium phosphate (CaP) and β-phase wollastonite (CaSi) to demonstrate the effectiveness of this method in fabricating the bioceramic microspheres with the tunableness mentioned above. The choosing was based on that these materials exhibit excellent bioactivity, and show either slower or faster biodegradation rate than the new bone regeneration rate in vivo. When organic microbeads (～15μm) are pre-mixed into the shell bioceramic slurry, the tailorable porous structures can be introduced into different shell layers after sintering, and thus the permeability is potentially maximized for rapid exchange of guest molecules into and inorganic ions out of the microspheres. This new strategy can be used to fabricate a variety of multilayer porous bioceramic microspheres for applications in tissue engineering and drug delivery, ect..

β-tricalcium phosphate； β-phase wollastonite； double-shell microspheres； porous microstructure； bioceramic composites

1673-2812(2017)01-0019-07

2015-12-25；

2016-01-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51372218)和浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY15H180006)

柳麗敏(1990-)，碩士研究生。研究方向：生物材料。

茍中入(1975-)，副研究員，碩士生導(dǎo)師。研究方向：生物材料。E-mail: zhrgou@zju.edu.cn。

P578.92； TQ126.3

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.005