複合三維多孔骨組織工程支架材料及其製備方法和應用的製作方法

2023-09-23 01:47:20

專利名稱：複合三維多孔骨組織工程支架材料及其製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物醫學材料，特別是仿生型複合三維多孔骨組織工程支架材料的製備方法。
本發明還涉及所述方法製備的材料。
本發明還涉及所述材料的應用。
背景技術：
組織工程為受損的骨組織修復提供了一種新興途徑，以羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)為代表的鈣磷酸鹽陶瓷因與骨的無機相化學成分相近而被廣泛用於骨替代材料，不足之處在於由於其脆性和較低的抗彎曲強度而難以在承重部位使用，煅燒後陶瓷結晶度較高很難為機體降解，產生的應力遮擋對骨癒合及塑形很不利。因此，目前常用的以羥基磷灰石為代表的生物陶瓷只能簡單模仿天然骨基質的無機成分，極大的限制了它在臨床的應用。
I型膠原是天然骨基質的主要有機成分，經過適當提取處理的膠原具有良好的生物相容性和生物降解性，早在二十世紀50年代就開始使用，其後被廣泛用作軟組織替代物和藥物緩釋系統。膠原作為骨移植替代物有著固有的缺陷力學強度低，不能較好滿足骨修復材料需具備的強度要求，且臨床可操作性較差。
近年來複合材料的研究得到重視，已有合成鈣磷陶瓷/膠原複合體的研究報導。目前大多數的磷酸鈣/膠原複合物實際上是兩者的機械混合物，通常是將燒結的HA或其他陶瓷研磨後與膠原溶液混勻製成，其不足之處在於陶瓷和膠原基體之間無法形成緊密的鍵合，陶瓷顆粒只能鬆散的分部於膠原框架內，並不能解決生物陶瓷所存在的問題。另外，傳統羥基磷灰石等鈣磷陶瓷成形過程中通常需要經過高溫和高壓的作用，壓制、燒結成形進一步破壞了鈣磷陶瓷的降解性能。複合材料中的膠原在高溫高壓等劇烈的條件下也會失去其固有的生物學結構及功能。

發明內容
本發明克服了現有技術的不足，提供了一種仿生型複合三維多孔骨組織工程支架材料，該材料用作骨替代材料，修復受損的骨組織。
本發明的目的還在於提供了上述仿生型複合三維多孔骨組織工程支架材料的製備方法及其應用。
本發明的複合三維多孔骨組織工程支架材料的製備方法包括如下步驟(1)混合將CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體、I型膠原蛋白、透明質酸、磷脂醯絲氨酸混合，攪拌均勻，製得混合液；(2)交聯在上述混合液中加入緩衝劑，調節pH值為5～6，再加入交聯劑3～6mg/ml進行交聯處理；(3)將經步驟(2)交聯處理後得到的混合液於-60～80℃下冷凍10～20小時，用0.1mol/l的Na2HPO4溶液浸泡1～3小時，再用去離子水清洗30～50分鐘，清洗後經脫水，真空乾燥；上述各組分的重量份用量如下CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體50～80I型膠原蛋白 10～35透明質酸 2～8磷脂醯絲氨酸 2～8所述CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體中CaO佔36％～16％重量、P2O5佔4％重量、SiO260％～80％重量。
優選方案如下步驟(2)中，緩衝劑是乙撐磺酸(MES)或者醋酸，交聯劑為1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亞胺(EDC)、N-羥基琥珀醯亞胺(NHS)或戊二醛。
步驟(1)中，所述CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體可由下述步驟製備得到(1)製備微乳液在環己烷中加入辛烷基酚基聚氧乙烯醚(TritonX-100)、助表面活性劑及濃度為12.5％重量的氫氧化銨水溶液或濃度為0.6M的硝酸鈣水溶液，配製氫氧化銨溶液的微乳液和硝酸鈣溶液的微乳液；氫氧化銨溶液的微乳液中，各組分摩爾比為環己烷∶TritonX-100∶助表面活性劑∶氫氧化銨水溶液＝30∶1∶5～10∶0.5～1.5；硝酸鈣溶液的微乳液中，各組分摩爾比為環己烷∶TritonX-100∶助表面活性劑∶硝酸鈣水溶液＝30∶1∶5～10∶0.5～1.5，所述助表面活性劑為正丁醇、正戊醇、正己醇、正辛醇中的一種或一種以上混合物；(2)水解步驟(1)得到的氫氧化銨溶液的微乳液中加入正矽酸乙脂(TEOS)和磷酸三乙脂(TEP)發生水解反應，水解反應時間為30～60分鐘，各組分重量比為正矽酸乙脂(TEOS)∶磷酸三乙脂(TEP)∶氫氧化銨溶液的微乳液＝9～13∶1∶50～100；(4)陳化將上述混合液在室溫下放置3-4天；(5)脫膜在上述混合液中加入濃度為70％-80％重量的丙酮溶液，發生絮凝，分離出絮凝膠體，用濃度為70％-80％重量的丙酮溶液或無水乙醇清洗3-4次；(6)乾燥將上述絮凝膠體真空乾燥後，在600℃-700℃溫度下熱處理2-3小時。
本發明製備的複合三維多孔骨組織工程支架材料孔徑為200μm～500μm，孔隙率為80％～90％。
本發明製備的複合三維多孔骨組織工程支架材料可應用與製備用於修復受損的骨組織的骨替代材料。
本發明的仿生型複合三維多孔骨組織工程支架材料使用的膠原蛋白、透明質酸是天然骨組織的主要有機成分，磷脂醯絲氨酸是細胞膜的一種組分，具有調製礦化的作用，生物玻璃是高活性的納米粉體，因此本發明的材料具有良好的骨結合力和細胞親和性，可促使植入體在短期內與骨組織形成牢固的生物結合，能夠用在醫療領域中作為骨替代材料修復受損的骨組織，具有很高的生物活性和生物相容性。
本發明與現有技術相比，具有如下優點
(1)本發明的材料成分與結構更接近於天然骨組織，具有更高的生物活性和生物相容性。
(2)本發明使用的膠原蛋白、透明質酸是天然骨組織的主要有機成分，磷脂醯絲氨酸是細胞膜的一種組分，具有調製礦化的作用，生物玻璃是高活性的納米粉體，因此本發明的材料具有良好的骨結合力和細胞親和性，可促使植入體在短期內與骨組織形成牢固的生物結合。
(3)本發明採用仿生方法，利用冷凍乾燥技術，避免了高溫高壓對材料性能的破壞，並節約了成本。
(4)本發明可以通過調節支架材料各成分的含量及工藝參數，改變支架材料的結構及力學強度。


圖1是實施例1製備的複合三維多孔骨組織工程支架材料的掃描電鏡圖；圖2是實施實例2製備的複合三維多孔骨組織工程支架材料的掃描電鏡圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施方式
對本發明作進一步說明，本發明並不限於此。
實施例1(一)製備CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體(1)製備微乳液有機模板在環己烷中加入辛烷基酚基聚氧乙烯醚(TritonX-100)、助表面活性劑及氫氧化銨水溶液(濃度12.5％)或硝酸鈣水溶液(濃度0.6M)，配製氫氧化銨溶液的微乳液和硝酸鈣溶液的微乳液；(2)水解加入正矽酸乙脂(TEOS)和磷酸三乙脂(TEP)到氫氧化銨溶液的微乳液中，發生水解反應，水解反應時間為30～60分鐘，正矽酸乙脂(TEOS)∶磷酸三乙脂(TEP)∶氫氧化銨水溶液的重量比為9∶1∶50；(3)混合將步驟(1)配置的硝酸鈣溶液的微乳液按體積比1∶1加入到步驟(2)得到的微乳液中，攪拌60分鐘，得到混合液；(4)陳化將上述混合液在室溫下放置3天；
(5)脫膜在上述混合液中加入80％(濃度)的丙酮溶液，發生絮凝，分離出絮凝膠體，用80％(濃度)的丙酮溶液或無水乙醇清洗3次；(6)乾燥將上述絮凝膠體真空乾燥後，在600℃溫度下熱處理3小時。
步驟(1)中，所述硝酸鈣溶液的微乳液中各組分摩爾比範圍為環己烷∶TritonX-100∶助表面活性劑∶硝酸鈣水溶液(mol比)＝30∶1∶6∶0.75，所述氫氧化銨溶液的微乳液中各組分摩爾比範圍為環己烷∶TritonX-100∶助表面活性劑∶氫氧化銨水溶液(mol比)＝30∶1∶6∶0.75。所述助表面活性劑正己醇。
(二)製備仿生型複合三維多孔骨組織工程支架材料將CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體45～55g，I型膠原蛋白35～40g，透明質酸4～6g，磷脂醯絲氨酸4～6g混合，攪拌均勻後加入緩衝劑乙撐磺酸(MES)，調節pH值為5～6，以3～6mg/ml的1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亞胺(EDC)為交聯劑進行交聯處理，交聯處理後於-60℃冷凍機中冷凍20h，然後冷凍乾燥至完全脫水。用0.1mol/l的Na2HPO4浸泡1h，再用去離子水反覆衝洗30min。清洗後用酒精反覆脫水，再在真空狀態下乾燥，獲得直徑為6mm，長15mm的圓柱狀塊體。孔徑範圍為185～235μm，孔隙率範圍為86～89％，其形態如圖1所示。
實施例2(一)製備CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體(1)製備微乳液有機模板在環己烷中加入辛烷基酚基聚氧乙烯醚(TritonX-100)、助表面活性劑及氫氧化銨水溶液(濃度12.5％)或硝酸鈣水溶液(濃度0.6M)，配製氫氧化銨溶液的微乳液和硝酸鈣溶液的微乳液；(2)水解加入正矽酸乙脂(TEOS)和磷酸三乙脂(TEP)到氫氧化銨溶液的微乳液中，發生水解反應，水解反應時間為30分鐘，正矽酸乙脂(TEOS)∶磷酸三乙脂(TEP)∶氫氧化銨水溶液的重量比為13∶1∶100；(3)混合將步驟(1)配置的硝酸鈣溶液的微乳液按體積比1∶1加入到步驟(2)得到的微乳液中，攪拌80分鐘，得到混合液；(4)陳化將上述混合液在室溫下放置4天；(5)脫膜在上述混合液中加入75％(濃度)的丙酮溶液，發生絮凝，分離出絮凝膠體，用75％(濃度)的丙酮溶液或無水乙醇清洗4次；(6)乾燥將上述絮凝膠體真空乾燥後，在700℃溫度下熱處理2小時。
步驟(1)中，所述硝酸鈣溶液的微乳液中各組分摩爾比範圍為環己烷∶TritonX-100∶助表面活性劑∶硝酸鈣水溶液(mol比)＝30∶1∶9∶1.25，所述氫氧化銨溶液的微乳液中各組分摩爾比範圍為環己烷∶TritonX-100∶助表面活性劑∶氫氧化銨水溶液(mol比)＝30∶1∶9∶1.25。所述助表面活性劑為正己醇、正辛醇的混合物(摩爾比1∶1)，其形態如圖2所示。
(二)製備仿生型複合三維多孔骨組織工程支架材料將CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體55～65g，I型膠原蛋白25～30g，透明質酸2～4g，磷脂醯絲氨酸2～4g混合，攪拌均勻後加入緩衝劑醋酸，調節pH值為5～6，以3～6mg/ml的N-羥基琥珀醯亞胺(NHS)為交聯劑進行交聯處理，交聯處理後於-80℃冷凍機中冷凍10h，然後冷凍乾燥至完全脫水。用0.1mol/l的Na2HPO4浸泡1h，再用去離子水反覆衝洗30min。清洗後用酒精反覆脫水，再在真空狀態下乾燥，獲得直徑為5mm，長20mm的圓柱狀塊體。孔徑範圍為165～205μm，孔隙率範圍為84～87％。
實施例3(一)製備CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體(1)製備微乳液有機模板在環己烷中加入辛烷基酚基聚氧乙烯醚(TritonX-100)、助表面活性劑及氫氧化銨水溶液(濃度12.5％)或硝酸鈣水溶液(濃度0.6M)，配製氫氧化銨溶液的微乳液和硝酸鈣溶液的微乳液；(2)水解加入正矽酸乙脂(TEOS)和磷酸三乙脂(TEP)到氫氧化銨溶液的微乳液中，發生水解反應，水解反應時間為30～60分鐘，正矽酸乙脂(TEOS)∶磷酸三乙脂(TEP)∶氫氧化銨水溶液的重量比為9∶1∶50；(3)混合將步驟(1)配置的硝酸鈣溶液的微乳液按體積比1∶1加入到步驟(2)得到的微乳液中，攪拌60分鐘，得到混合液；(4)陳化將上述混合液在室溫下放置3天；(5)脫膜在上述混合液中加入70％(濃度)的丙酮溶液，發生絮凝，分離出絮凝膠體，用70％(濃度)的丙酮溶液或無水乙醇清洗4次；(6)乾燥將上述絮凝膠體真空乾燥後，在600℃溫度下熱處理3小時。
步驟(1)中，所述硝酸鈣溶液的微乳液中各組分摩爾比範圍為環己烷∶TritonX-100∶助表面活性劑∶硝酸鈣水溶液(mol比)＝30∶1∶6∶1.5，所述氫氧化銨溶液的微乳液中各組分摩爾比範圍為環己烷∶TritonX-100∶助表面活性劑∶氫氧化銨水溶液(mol比)＝30∶1∶6∶1.5。所述助表面活性劑為正戊醇。
(二)製備仿生型複合三維多孔骨組織工程支架材料將CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體55～65g，I型膠原蛋白25～30g，透明質酸2～4g，磷脂醯絲氨酸2～4g混合，攪拌均勻後加入緩衝劑醋酸，調節pH值為5～6，以3～6mg/ml的戊二醛為交聯劑進行交聯處理，交聯處理後於-80℃冷凍機中冷凍10h，然後冷凍乾燥至完全脫水。用0.1mol/l的Na2HPO4浸泡1h，再用去離子水反覆衝洗30min。清洗後用酒精反覆脫水，再在真空狀態下乾燥，獲得直徑為5mm，長20mm的圓柱狀塊體。孔徑範圍為165～205μm，孔隙率範圍為84～87％。
權利要求
1.一種複合三維多孔骨組織工程支架材料的製備方法，其特徵在於包括如下步驟(1)混合將CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體、I型膠原蛋白、透明質酸、磷脂醯絲氨酸混合，攪拌均勻，製得混合液；(2)交聯在上述混合液中加入緩衝劑，調節pH值為5～6，再加入交聯劑3～6mg/ml進行交聯處理；(3)將經步驟(2)交聯處理後得到的混合液於-60～80℃下冷凍10～20小時，用0.1mol/l的Na2HPO4溶液浸泡1～3小時，再用去離子水清洗30～50分鐘，清洗後經脫水，真空乾燥；上述各組分的重量份用量如下CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體50～80I型膠原蛋白 10～35透明質酸 2～8磷脂醯絲氨酸 2～8所述CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體中CaO佔36％～16％重量、P2O5佔4％重量、SiO260％～80％重量。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於步驟(2)中，緩衝劑是乙撐磺酸(MES)或者醋酸，交聯劑為1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亞胺(EDC)、N-羥基琥珀醯亞胺(NHS)或戊二醛。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於步驟(1)中，所述CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃納米粉體由下述步驟製備得到(1)製備微乳液在環己烷中加入辛烷基酚基聚氧乙烯醚(TritonX-100)、助表面活性劑及濃度為12.5％重量的氫氧化銨水溶液或濃度為0.6M的硝酸鈣水溶液，配製氫氧化銨溶液的微乳液和硝酸鈣溶液的微乳液；氫氧化銨溶液的微乳液中，各組分摩爾比為環己烷∶TritonX-100∶助表面活性劑∶氫氧化銨水溶液＝30∶1∶5～10∶0.5～1.5；硝酸鈣溶液的微乳液中，各組分摩爾比為環己烷∶TritonX-100∶助表面活性劑∶硝酸鈣水溶液＝30∶1∶5～10∶0.5～1.5，所述助表面活性劑為正丁醇、正戊醇、正己醇、正辛醇中的一種或一種以上混合物；(2)水解步驟(1)得到的氫氧化銨溶液的微乳液中加入正矽酸乙脂(TEOS)和磷酸三乙脂(TEP)發生水解反應，水解反應時間為30～60分鐘，各組分重量比為正矽酸乙脂(TEOS)∶磷酸三乙脂(TEP)∶氫氧化銨溶液的微乳液＝9～13∶1∶50～100；(3)混合按體積比1∶1將步驟(1)得到的硝酸鈣溶液的微乳液加入到步驟(2)得到的水解液中，攪拌60-80分鐘，得到混合液；(4)陳化將上述混合液在室溫下放置3-4天；(5)脫膜在上述混合液中加入濃度為70％-80％重量的丙酮溶液，發生絮凝，分離出絮凝膠體，用濃度為70％-80％重量的丙酮溶液或無水乙醇清洗3-4次；(6)乾燥將上述絮凝膠體真空乾燥後，在600℃-700℃溫度下熱處理2-3小時。
4.權利要求1-3之一所述方法製備的複合三維多孔骨組織工程支架材料，其特徵在於所述材料孔徑為200μm～500μm，孔隙率為80％～90％。
5.權利要求1-3之一所述的材料在製備用於修復受損的骨組織的骨替代材料中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種仿生型複合三維多孔骨組織工程支架材料，其孔徑為200μm～500μm，孔隙率為80％以上，含有CaO－P
文檔編號A61L27/56GK1836740SQ20061003510
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月21日 優先權日2006年4月21日
發明者王迎軍, 陳曉峰, 趙娜如, 楊春蓉 申請人:華南理工大學