微孔结构可调的多功能性义眼座及制备方法
阅读说明：本技术 微孔结构可调的多功能性义眼座及制备方法 (Multifunctional artificial eye seat with adjustable microporous structure and preparation method thereof ) 是由 叶娟 苟中入 王静怡 戴喜哲 杨贤燕 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微孔结构可调的多功能性义眼座及制备方法。是由未掺杂或者经异质离子掺杂的锌黄长石生物陶瓷为主要成分的多孔材料；微孔尺度从外向内形成梯度孔分布,微孔间相互贯通,为曲面孔单元格结构,具有多个半径范围且微孔孔径逐渐增大形成梯度结构；将正硅酸四乙酯、去离子水、硝酸混合,搅拌水解后将硝酸钙和锌加入搅拌为凝胶状态,陈化、干燥、煅烧、球磨得超细锌黄长石粉体；加入液态光敏打印树脂成浆料,搅拌混匀三维打印,去除残余浆料,干燥烧结得到产物。本发明义眼座在体内长期保持生物学稳定,可抗菌、调控炎症反应促进血管生成；结构精准可调节,极有利于促进血管组织快速长入孔道网络；制备工艺简便,显著降低术后并发症。(The invention discloses a multifunctional artificial eye seat with an adjustable microporous structure and a preparation method thereof. Is a porous material which takes zinc melilite biological ceramic which is not doped or is doped by heterogeneous ions as a main component; the scale of the micropores forms gradient pore distribution from outside to inside, the micropores are communicated with each other, have a curved surface pore unit lattice structure, have a plurality of radius ranges, and gradually increase the pore diameter of the micropores to form a gradient structure; tetraethyl orthosilicate, deionized water and nitric acid are mixed, calcium nitrate and zinc are added and stirred into a gel state after stirring and hydrolysis, and the superfine akermanite powder is obtained after aging, drying, calcining and ball milling; adding liquid photosensitive printing resin to form slurry, uniformly stirring and mixing to perform three-dimensional printing, removing residual slurry, drying and sintering to obtain the product. The artificial eye holder can keep biological stability in vivo for a long time, and can resist bacteria, regulate and control inflammatory reaction and promote angiogenesis; the structure is accurate and adjustable, and the rapid growth of vascular tissues into a pore network is greatly facilitated; the preparation process is simple and convenient, and the postoperative complications are obviously reduced.)
技术领域
本发明涉及生物材料及医用植入物
技术领域
的一种义眼座及其制备方法，具体的说，涉及一种兼具抗菌、促血管化、微孔结构可调且长期稳定的义眼座及其制备方法。背景技术
眼球摘除术常用于治疗由严重眼外伤、眼内炎、眼内肿瘤、绝对期青光眼等造成的不可逆的眼球损毁。眼球摘除后常需要联合义眼座植入手术来弥补眼眶容积的缺失，同时修复容貌。多孔义眼座为血管及软组织的生长提供支撑和引导，充分血管化后，眶内稳定性更高，脱出风险降低，术后感染概率也大大降低。因此，多孔义眼座已逐步替代非多孔义眼座。目前，临床使用最为广泛的多孔型义眼座包括：多孔羟基磷灰石(HA)义眼座和多孔聚乙烯(Medpor)义眼座。前者采用海洋珊瑚相转化并经加工而成，虽然具有良好的生物相容性，但脆性较高，并且因粗糙表面与周围软组织的摩擦损害，会导致晚期义眼座暴露的风险。同时，该义眼座的微孔结构由珊瑚固有孔形态形成，无法调节改变，且珊瑚资源过度开发对海洋生态会造成潜在危害，并导致相关产品价格昂贵。多孔聚乙烯义眼座由合成的高密度聚乙烯粉末组成，与羟基磷灰石相比具有一定优势，如表面光滑、价格便宜、更易植入眼眶内等，但其生物相容性较差，血管化不足，也导致暴露风险增加。此外，上述两种材料均不具备抗菌及杀菌的性能，预防感染的方法仅通过将义眼座在植入前浸泡在抗生素液体中。
发明内容
为克服背景技术中现有义眼座材料微结构和化学组成不利于快速血管化的问题及为加强对各种并发症、副反应的防控，本发明的目的在于提供一种微孔结构可调的，且兼具感染防控、炎症调控并高效促血管化的多功能性义眼座及其制备方法。
本发明采用的技术方案是：
一、一种微孔结构可调的多功能性义眼座：
所述的义眼座是由锌黄长石生物陶瓷或者经异质离子掺杂的锌黄长石生物陶瓷为主要成分的多孔材料。
所述义眼座以锌黄长石生物陶瓷材料或经异质离子掺杂的锌黄长石生物陶瓷材料为主要成分制备而成。
所述的义眼座为微孔结构，是通过陶瓷浆料数字光处理3D打印和烧结处理制备而成。
具体是针对通过计算机辅助设计的三维结构模型，用以陶瓷粉体-树脂浆料光固化三维打印技术制备而成。
所述的义眼座的外表层微孔尺度为600～800μm，内部微孔尺度为200～600μm，微孔尺度从外向内形成梯度孔分布，并且微孔之间相互贯通，总孔隙率为50％～85％。
所述义眼座内部的微孔结构是在三维空间内三个独立方向上均呈曲面，其面上的任一点平均曲率均为0的微孔结构，形成曲面孔单元格结构，并在距义眼座的中心1/4半径、1/4～1/2半径、1/2～3/4半径、以及大于3/4半径的每个半径范围内分别各自布置孔径相同的微孔，四个半径范围内微孔的孔径尺度逐渐增大形成梯度结构。
所述义眼座的形态可以为球形或椭球形。
所述义眼座为多孔性结构，孔道形态没有严格显示，微孔尺度从表层向内部逐渐减小，形成梯度孔分布特征，并且孔隙率也没有严格限制，优选的孔隙率为55％～80％。
所述义眼座具有良好的结构稳定性，材料几乎不降解，可以作为长期充填物为眼眶软组织提供支撑，并为眼片活动提供传动力。
二、微孔结构可调的多功能性义眼座的制备方法，制备方法包括以下步骤：
1)将正硅酸四乙酯、去离子水、硝酸按照摩尔比为1:8:0.16混合，在持续搅拌水解30分钟后，将硝酸钙、硝酸锌依次加入混合溶液中，并让硝酸钙、硝酸锌、正硅酸乙酯三者的摩尔比为2:1:2，继续搅拌3～5小时至溶液转化为凝胶状态，在60℃下陈化18～24小时后，然后在120℃下干燥36～60小时，再在1250℃下煅烧2～4小时得到锌黄长石粉体，将锌黄长石粉体在乙醇介质中球磨4～6小时，获得颗粒度在10μm以下的超细锌黄长石粉体；
2)称取上述步骤1)所得的超细锌黄长石粉体加入液态光敏打印树脂中，树脂与超细锌黄长石粉体的质量比为1:(1.5～2.5)，通过机械搅拌充分混匀形成打印浆料，再采用数字光处理三维打印工艺按预先设计的三维结构模型进行打印，所述的义眼座的内部微孔结构为曲面孔单元格结构，待打印模型完成，将打印物超声清洗并去除残余的未经光固化的浆料，在60℃下干燥1～4小时，然后在1200～1300℃烧结2～4小时，从而得到微孔结构可调的多功能性义眼座。
所述义眼座内部的微孔结构是在三维空间内三个独立方向上均呈曲面，其面上的任一点平均曲率均为0的微孔结构，形成曲面孔单元格结构，并在距义眼座的中心1/4半径、1/4～1/2半径、1/2～3/4半径、以及大于3/4半径的每个半径范围内分别各自布置孔径相同的微孔，四个半径范围内微孔的孔径尺度逐渐增大形成梯度结构。
所述步骤1)中，合成锌黄长石时，在添加硝酸钙、硝酸锌的同时也添加硝酸镁或者硝酸铜，并控制镁或者铜的摩尔数是硝酸钙中的钙摩尔数的0.1％～10％，从而得到镁或者铜掺杂的锌黄长石粉体，用于制备掺杂含镁或者铜的锌黄长石义眼座这样能够进一步促进血管化，促进调控炎症反应，改善多孔结构的稳定性和多功能性，有效避免术后感染、暴露、结构坍塌等问题。
所述步骤2)中，义眼座模型内部微孔的形态和尺度没有严格限制，可以是球形孔、四方孔、六方孔或者蜂窝孔或者上述不同形态的组合。
所述的义眼座的外形没有严格限制，可以是球形或椭球形，或者是卵圆形，义眼座的外形尺度为14～26mm。
所述的义眼座在高效传导血管化内生长时，通过表面接触抑菌实现长效抗感染功能，并且有效调节创伤内的炎症反应，降低炎症反应时间，在眼球病变或者意外受损摘除术后进行植入充填，恢复眼表美学功能。
本发明公开的多孔生物陶瓷义眼座，结合了先进的多孔结构设计和制造多功能性的义眼座，并实现原材料化学组成广泛可调，内部微孔结构精准可控，进而实现持续的感染防控、炎症调控以及高效促进血管化等功能协同能力。
本发明的义眼座采用计算机辅助设计及数字光处理3D打印锌黄长石生物陶瓷制备而成，锌黄长石义眼座在体内长期保持生物学稳定，孔道表面缓慢释放出的无机离子组合物产生抗菌效应并调控炎症反应，同时还促进血管生成；该义眼座内部微孔结构精准可调节并且由外到内孔道尺度可呈梯度变化，极有利于促进血管组织快速长入孔道网络。
本发明锌黄长石具有极为优良的生物相容性和生物稳定性，尤其是锌离子的缓慢溶出使得锌黄长石表面具有抗菌性能，能够给义眼座带来更多优异性能。此外，通过低剂量异质离子掺杂，如镁离子、铜离子掺杂等，赋予了锌黄长石更进一步的生物学功能。本发明将数字光处理三维打印与功能性生物陶瓷材料相结合，制备出具有理想微结构且生物学性能稳定的多功能义眼座。
本发明的优点及有益效果是：
1)经高温煅烧的锌黄长石生物陶瓷具有极高的生物稳定性和表面接触抗菌性，可以为眼眶提供长期稳定的支撑作用，并持久防控感染风险。
2)可以通过掺杂、添加第二相等手段改善多孔结构的稳定性和多功能性，有效避免术后感染、暴露、结构坍塌等问题，并且可进一步促进血管化，促进调控炎症反应。
3)运用计算机辅助设计进行构建义眼座的内部微孔结构，并运用陶瓷-树脂光固化三维打印技术工艺制造，极大地满足了高效血管化对眼座最佳微结构的匹配性。
4)基于数字光处理的陶瓷-树脂光固化三维打印技术能够批量化制造各种形态和结构的义眼座，并且不需要对内部结构和外观形态进行二次加工，制备方法简便，成本低廉，生产效率高。
本发明的义眼座制备工艺简便，尺寸可以与临床需求完全匹配，可以显著降低术后并发症，具有良好的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1梯度微孔结构义眼座的设计模式图，A.孔径尺度梯度变化的IWP曲面孔单元格结构，B.义眼座的不同半径范围。
图2为本发明实施例1梯度微孔结构义眼座成品的外观形态及micro-CT扫描截面图。
图3为本发明义眼座材料锌黄长石的XRD物相分析结果图。
图4为本发明义眼座材料锌黄长石的体外降解实验结果图。
图5为本发明义眼座材料锌黄长石的杀菌实验结果图。
图6为共聚焦显微镜下本发明锌黄长石义眼座与血管内皮细胞共培养的细胞形态图。
图7为本发明实施例1动物实验手术过程及手术1月后效果评价结果图。
图8为本发明实施例1植入1月后经组织学切片及HE染色微孔结构内的血管形态图。
图9为本发明实施例2义眼座微孔结构设计所采用的Gyroid曲面孔单元格结构。
表1为本发明实施例3掺铜锌黄长石粉体与纯锌黄长石粉体的ICP元素分析结果。
图10为本发明实施例3掺铜锌黄长石与纯锌黄长石的杀菌性能对比图。
图11为本发明实施例3掺铜锌黄长石与纯锌黄长石对内皮细胞增殖活性影响的差异结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
1)将正硅酸四乙酯、去离子水、硝酸按照摩尔比为1:8:0.16混合，在持续搅拌水解30分钟后，将硝酸钙、硝酸锌试剂依次加入混合溶液中，并让硝酸钙、硝酸锌、正硅酸乙酯三者的摩尔比为2:1:2，继续搅拌3小时至溶液转化为凝胶状态，然后在60℃和120℃依次陈化和干燥18小时和36小时，再在1250℃下煅烧3小时，将得到的锌黄长石粉体在乙醇介质中球磨6小时，获得颗粒度在10μm以下的超细粉体。
2)称取上述步骤1)所得的超细锌黄长石粉体加入液态光敏打印树脂中，树脂与粉体的质量比为1:2，通过机械搅拌充分混匀，再采用数字光处理三维打印工艺按预先设计的三维结构模型进行打印，其中义眼座的内部微孔结构为IWP曲面孔单元格结构，并在距中心0～2.0mm、2.0～4.0mm半径范围、4.0～6.0mm半径范围内、以及大于6.0mm的外表层分别以40％IWP(孔径400μm)、60％IWP(孔径600μm)、70％IWP(孔径700μm)、80％IWP(孔径800μm)形成孔尺度逐渐增大的梯度结构(如图1)；一旦打印模型完成，将打印物超声清洗并去除残余的未经光固化浆料，然后在60℃干燥2小时和1250℃烧结2小时，从而得到梯度微孔结构的义眼座(如图2)。
本实施例多孔义眼座材料通过XRD物相分析，表现为锌黄长石特征峰，如图3所示。
本实施例多孔义眼座材料经体外降解实验测试，在模拟体液中浸泡6周后，仅有1.1±0.3％的质量损失，如图4所示。
本实施例多孔义眼座材料经杀菌实验测试，对革兰阳性金黄色葡萄球菌及革兰阴性大肠杆菌均有一定的杀菌效果，如图5所示。
本实施例多孔义眼座与静脉内皮细胞共培养，经荧光染色后在共聚焦显微镜下观察，如图6所示，可见内皮细胞在材料表面粘附、增殖，并可迁移至多孔结构内部，形成致密的内皮细胞层，快速完成材料表面内皮细胞化。
上述实验结果示该锌黄长石多孔义眼座具有极高的生物学稳定性，一定的抗菌性能，同时具有良好的生物相容性，可支持血管内皮细胞粘附增殖，实现材料的快速内皮化，兼具抗菌及促血管化的能力。
动物实验：
本实验选用清洁级雄性新西兰兔，重量2.5-3.0Kg，由浙江大学动物实验中心提供，所有动物实验操作均遵守浙江大学动物实验伦理规定。采用戊巴比妥钠30mg/Kg耳缘静脉注射麻醉，常规消毒铺巾，手术摘除实验兔一侧眼球，植入本发明实施例1义眼座(图7A，图7B)，将直肌十字交叉缝合包裹于义眼座前部，再分层缝合结膜下及结膜组织。术后每天清理局部伤口，术后1月观察结膜囊修复情况，并将实验动物安乐死后取出眼眶植入的义眼座，观察眶内组织增生及义眼座血管化情况。
实验结果示，本发明多孔结构义眼座结构稳定，植入1月后可维持良好的多孔结构，实验动物眼窝形态饱满，结膜囊软组织愈合良好，在未使用抗生素的情况下未出现局部感染的情况(图7C)。通过血管造影，可见义眼座周围广泛的血管组织生长，未出现纤维组织包裹及明显的炎症反应，提示义眼座较高的血管化效率(图7D)。将植入1月的义眼座取出，经组织学切片及HE染色，在镜下观察孔结构内的组织形态，可见义眼座外层大孔(图8A)及内层小孔(图8B)内均出现典型的血管结构，提示义眼座植入1月后纤维血管化充分。
实施例2：
制备方法同实施例1，区别在于：步骤2)设计义眼座的内部微孔结构为Gyroid曲面孔单元格结构(图9)，并在距中心0～2.0mm、2.0～4.0mm范围内、4.0～6.0mm范围内、以及大于6.0mm的外表层分别以40％Gyroid(孔径200μm)、60％Gyroid(孔径300μm)、70％Gyroid(孔径500μm)、80％Gyroid(孔径600μm)形成孔尺度逐渐增大的梯度结构。
实施例3
制备方法同实施例1，区别在于：步骤1)将正硅酸四乙酯、去离子水、硝酸按照摩尔比为1:8:0.16混合，在持续搅拌水解30分钟后，将硝酸钙、硝酸铜、硝酸锌试剂依次加入混合溶液中，并让硝酸钙、硝酸铜、硝酸锌、正硅酸乙酯三者的摩尔比为1.95:0.05:1:2，继续搅拌5小时至溶液转化为凝胶状态，然后在60℃和120℃依次陈化和干燥24小时和60小时，再在1250℃下煅烧3小时，将得到的掺铜锌黄长石粉体在乙醇介质中球磨6小时，获得颗粒度在10μm以下的超细粉体。
本实施例掺铜锌黄长石粉体通过ICP元素分析，粉体内铜元素含量为1.11ppm，与钙元素含量的摩尔比为1.95:0.0468，与理论值相符合(表1)。
表1
对本实施例掺铜锌黄长石与纯锌黄长石材料的杀菌性能进行比较，与金黄色葡萄球菌共培养24小时后，掺铜锌黄长石杀菌效果显著优于纯锌黄长石，如图10所示。
对本实施例掺铜锌黄长石与纯锌黄长石材料的促血管化性能进行比较，将材料与静脉内皮细胞共培养，并通过cck-8试剂盒检测细胞活性，掺铜锌黄长石可显著提高内皮细胞的增殖活性，如图11所示。