帶生物活性表層結構的組織工程材料及其製備方法

2023-06-19 13:10:51 1

專利名稱：帶生物活性表層結構的組織工程材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種醫療用的組織工程材料，特別是在聚醯胺類材料基體的表面部 位，被覆有含納米磷灰石多孔活性表層結構的組織工程材料。
背景技術：
聚醯胺是一類重要的工程和醫學塑料，具有良好的加工性能，能通過不同加工方 式製備出各種形式的產品，例如可通過電紡絲製備聚醯胺纖維，通過吹塑製備聚醯胺膜材 料，通過注塑及模壓成型製備實心體或者多孔結構材料等，以適應工程及醫學上的各種需 要。同時由於其高強度及良好的生物相容性，聚醯胺作為縫線、人工皮膚等已被用於臨床。聚醯胺分子結構中含有大量的極性醯胺基團(-C0-NH-)，分子間能形成氫鍵，與構 成骨的有機質膠原纖維結構相似。此外，聚醯胺大分子主鏈末端含有氨基和羧基，具有一定 的反應活性，能與無機材料產生作用。本發明人在公開號CN1544099A(ZL 200310111033. 5) 等文獻中已提出了一系列納米磷灰石/聚醯胺複合生物材料，作為具有仿生物活性的骨修 復替代材料，相關產品已經在臨床上廣泛應用。在納米磷灰石/聚醯胺複合生物材料中，納米磷灰石均勻地分散在聚醯胺有機連 續相中，並與有機基體以氫鍵結合，其機理可參考張翔等人「n-HA/PA66複合材料中兩相間 作用機理研究」(《功能材料》[J]. 2005,6(36) :896-899)。聚醯胺是一種穩定性能很高的 聚合物，在體內很少降解，使分散在聚醯胺有機相中的納米磷灰石在骨誘導及參與骨重建 的作用就受到了一定的限制。因此在骨修復臨床應用中，有必要開發一種這樣的產品，其本 體材料能提供必需的力學支撐，其表面富含磷灰石，與骨組織形成骨性鍵合，最終二者共同 完成骨修復和功能重建。目前，用於形成磷灰石表層的方法有很多，常見的如等離子噴塗，王迎軍等在「梯 度結構磷灰石生物活性塗層的性能」(《材料研究學報》[J]. 2006，20(1) 69-72)中報導了 用全自動淨能量控制的等離子噴塗技術，在金屬基體表面製備出成分和結構連續梯度變化 的生物活性塗層。但是等離子噴塗設備昂貴且能耗較大，噴塗時產生的高溫等苛刻條件對 基體材料有一定的要求，不適用於高分子基體材料，而由於基體與塗層熱膨脹係數差異也 容易導致相分離。電化學沉積也是一種較常見的製備磷灰石塗層的方法，具有反應條件溫 和，能在複雜外型的表面進行沉積等優點，但此種方法只適用於導電材料，無法應用在聚醯 胺等絕緣性高分子基體領域。

發明內容
針對上述情況，本發明在前期研究的基礎上，提出一種帶生物活性表層結構的組 織工程材料，特別是在純聚醯胺基體材料的被覆有富含納米磷灰石多孔活性表層結構的組 織工程材料，並還將進一步提供一種該組織工程材料的製備方法。本發明帶生物活性表層結構的組織工程材料，是以聚醯胺類材料為基體，並在該 聚醯胺類材料基體的表面被覆有厚度為50 500 μ m的含納米磷灰石多孔活性表層結構，
3且納米磷灰石含量由裡及表遞增的含納米磷灰石多孔活性表層結構，其表面孔隙的孔徑為 0. 5 50 μ m，特別是優選使孔隙的平均孔徑為5 μ m。該三維狀態的孔隙結構將有利於製品 植入後與骨組織形成牢固的生物嵌合。上述的聚醯胺類材料基體，可以為目前以預成型方式得到的各種聚醯胺材料，如 經電紡，吹塑成型，注塑成型，擠出成型，模壓成型等加工方式所得到的纖維，膜，塊材，多孔 支架等形式的材料。所說的聚醯胺類材料，可以包括目前在醫療領域中可作為組織工程材 料中已有報導和/或使用的聚醯胺66，聚醯胺6，聚醯胺1010，聚醯胺11，聚醯胺10，聚醯胺 12，聚醯胺1212和芳香族聚醯胺在內的各種聚醯胺，包括改性或共混聚醯胺，以及以纖維、 無機填料等方式增強的聚醯胺類複合材料。本發明上述形式帶生物活性表層結構的組織工程材料的一種典型製備方法，可以 用質量比為0. 25 4 1的聚醯胺成分和納米磷灰石，與比蒸發速度為150 1000且沸 點低於所說聚醯胺類材料基體熔點和藥學中可以接受的聚醯胺材料有機良溶劑共同配製 成複合漿料，將所說的聚醯胺類材料基體浸入複合漿料中進行溶蝕反應，至形成所需厚度 的含有納米磷灰石表層結構後取出，揮發除去表層結構中的有機溶劑形成原位孔隙，得到 在聚醯胺類材料基體表面被覆有含納米磷灰石多孔活性表層結構的組織工程材料產物。試驗結果顯示，揮除溶劑時的溫度過低，溶劑相分離過慢，影響製備效率；而溫度 過高時，可因溶劑相分離過快，易造成孔隙孔徑大小和/或分布不均勻，甚至出現孔隙的塌 陷和形成微裂紋。優選的溶劑揮除溫度是不高於複合漿料中所用有機溶劑的沸點溫度。由於本發明提供的是用於生物醫學領域的組織工程材料及其製品，因此上述配製 成複合漿料中涉及聚醯胺材料有機良溶劑應為清洗後無殘留或低殘留的生物安全性好的 醫藥學中可以接受的揮發性溶劑，如製藥學中常用的包括甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇在內的 多種醇類溶劑，或包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亞碸(DMSO)等在內的極性親質子溶 劑。其中優選的溶劑是醇類溶劑，更好的溶劑是最常用和無毒性的乙醇。另一方面，用於配 制複合漿料的有機溶劑的沸點，應不高於所用基體材料的聚醯胺和複合漿料中聚醯胺成分 的熔點，以免在揮發除去表面塗層中溶劑的過程引起聚醯胺類材料的基體或製品變形、變 性及氧化等變化，影響或改變產品的性能。配製複合漿料時所用的聚醯胺成分，並非要求必須與所說聚醯胺類材料基體的聚 醯胺類成分相同，但優選的是採用相同的聚醯胺類成分為佳。試驗顯示，上述製備過程中，改變所說的納米磷灰石/聚醯胺複合漿料的濃度，可 以影響和改變所形成的表層結構的厚度和/或所說孔隙的大小。在同樣反應條件下，複合 漿料的濃度越高，其粘度越大，所形成的表層結構的厚度越大。在保證具有足夠實用性的反 應效率和反應結果等綜合情況下，所說的納米磷灰石/聚醯胺複合漿料的濃度，即其粘度 一般控制在200 200000mPa-s範圍內都可以取得滿意的效果，其中的優選粘度為2000 20000mPa · s。上述複合漿料中的納米磷灰石，可以採用目前已有文獻報導的方式即時反應製備 得到，然後經溶液轉換用於與聚醯胺成分配製成所說的複合漿料。如，先由鈣鹽化合物與磷 酸或磷酸鹽經溼法反應，得到以水為分散介質的納米磷灰石漿料，然後以離心脫水、噴霧幹 燥或冷凍乾燥等方式除去水介質，再用所說的聚醯胺材料有機良溶劑進行分散，轉換為該 有機良溶劑的納米磷灰石漿料，成為由該有機良溶劑或以該有機良溶劑為主分散介質的納米磷灰石漿料，再與已由所說有機良溶劑溶解的聚醯胺溶液共混複合，即得到所說的聚醯 胺成分和納米磷灰石的醇類溶劑複合漿料。其中，所說的鈣鹽化合物為氫氧化鈣、氯化鈣、 硝酸鈣、氟化鈣、溴化鈣及乙酸鈣中的至少一種；所說的磷酸鹽可以為多種目前常用的鹼金 屬或氨的磷酸鹽類化合物，如磷酸氫鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二氨、磷酸二氫氨等，其中優選 為磷酸氫二氨和/或磷酸二氫氨。此外，上述配製所說複合漿料所用的納米磷灰石漿料，還可以採用另一種方法制 備。即，由鈣鹽化合物與磷酸或磷酸鹽，在所說的醇類或極性親質子溶劑等聚醯胺材料有機 良溶劑中經反應，得到相應的納米磷灰石漿料，再與所說的已由所說的有機良溶劑溶解的 聚醯胺溶液共混複合，即得到所說的聚醯胺成分和納米磷灰石的醇類溶劑複合漿料。在製備納米磷灰石時，所說的鈣鹽化合物與磷酸鹽的鈣/磷的摩爾比例特別以 1. 2 2. 0 1為優選。上述複合漿料製備過程中所說的由醇類或極性親質子溶劑等聚醯胺材料有機良 溶劑溶解的聚醯胺溶液，優選採用將相應的聚醯胺成分溶解於含質量/體積比為10% 60 %鈣鹽的有機良溶劑溶液中的形式。以使用乙醇劑配製所說的複合漿料為例，本發明所說組織工程材料的一種基本制 備過程，可以採用將所說的聚醯胺類材料基體置於由聚醯胺成分和納米磷灰石與乙醇所成 的複合漿料中，於30°C 150°C條件下進行溶蝕反應。反應時間的長短不同，可在聚醯胺材 料基體表面形成不同厚度的富含納米磷灰石表層結構。根據所需製備的表層結構厚度，一 般反應1 24小時，即可得到厚度為40 400 μ m的表層結構。為提高反應速度，在溶蝕 反應過程中還可以同時採用50 200rpm速度的攪拌。反應後取出，於室溫 乙醇沸點的 加熱條件下揮除溶劑，即得到所說的表面被覆有含納米磷灰石多孔活性表層結構的組織工 程材料，其表層結構富含由裡及表含量逐漸增高的梯度磷灰石分布，最外層的磷灰石質量 分數百分含量可高達80%。由於聚醯胺是一種有廣泛而長期的應用的工程材料，易於加工成型，且具有良好 的生物相容性，其力學性能與人體骨組織有良好的機械匹配性，避免了一些金屬材料的應 力集中造成骨吸收的情況。在前期研究的基礎上，在任何加工成型後的絕緣性聚醯胺材料 表面，尤其是在各種異形基體材料的表面，形成一層富含磷灰石的活性表層，且該表層結構 具有由裡及表含量逐漸增高的梯度磷灰石分布，是本發明的一個重要特點。高磷灰石含量 的表面利於植入材料與骨組織間快速及較強的結合，其中的孔隙有利於營養及代謝物質的 傳輸以及血管的長入。因此，本發明的組織工程材料，既保持了聚醯胺基體材料優異的機械 性能，其富含磷灰石的活性表層又賦予材料相應的骨誘導能力和傳導能力，且其物理結構 及化學性能穩定，表層與基體實際為一體式的結構，無相分離。相比降解性的骨修復材料， 其表層能與骨組織形成骨性結合，而基體材料本體能持續提供力學支撐，最終實現骨組織 修復和功能重建。相比金屬材料的表面塗層，本發明的組織工程材料具有更為合理的力學 匹配性能，並且不妨礙日益普及的CT、MRI檢查，是能被大多數患者和醫生接受的更新換代 產品，在生物醫用材料領域將有廣泛的應用。其製備加工簡便，降低了生產成本，也將有利 於產業鏈的迅速形成和普及推廣應用。以下結合由附圖所示實施例的具體實施方式
，對本發明的上述內容再作進一步的 詳細說明。但不應將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於以下的實例。在不脫離本發明
5上述技術思想情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應 包括在本發明的範圍內。


圖1本發明組織工程材料活性表層結構表面的SEM圖。圖2是圖1中表面活性表層斷面的SEM圖及EDS元素線掃描分析。
具體實施例方式實施例1採用文獻(YiZUO，Yubao LI*, Jie WEI and Yonggang YAN, Influence of Ethylene Glycol on the Formation of Calcium Phosphate Nanocrystals, Journal of Materials Science and Technology，Vol. 19，No. 6，2003，628-630)報導的溼法反應方式， 在乙醇中由氫氨化鈣與磷酸(鈣/磷摩爾比1.5 1)反應製備得到納米磷灰石漿料，然後 與由含10wt%氯化鈣的乙醇溶液溶解的聚醯胺66共混複合，製備得到納米磷灰石與聚醯 胺66質量比為1 1、粘度為5000mPa*s的納米磷灰石/聚醯胺66複合漿料。將厚度約 2mm的已注塑成型的聚醯胺66膜於60°C浸入該複合漿料中，低速攪拌反應6h後取出，室 溫下晾乾，掃描電鏡顯示製備出的納米磷灰石與聚醯胺複合表層與基體材料為緊密結合的 一體結構，無相分離，厚度約280 μ m的多孔表層結構，其表面多孔化，平均孔徑為5 μ m(圖 1)，XRD表明表面活化聚醯胺材料中磷灰石特徵峰的存在，EDS線掃描元素分析顯示了鈣磷 元素在膜斷面上的分布(圖2)。圖2中的(a)為表層結構部分的斷面SEM圖(橫線為線掃 描取點處)；(b)為相應表層結構部分的C元素線掃描分析，可以清楚見到C元素在線上的 分布從裡到表是逐漸降低的，顯示了表層結構聚醯胺含量的下降；(c)和(d)分別為相應表 層結構部分的Ca和P元素線掃描分析，可見Ca、P元素含量從裡到表是逐漸增加的，顯示了 羥基磷灰石含量從基體到表面是逐漸遞增過渡變化的。實施例2按文獻(LiYubao, K. de Groot, J. de Wijn, C. P. A. T.Klein and S. v. d. Meer, Morphology and Composition of Nanograde Calcium Phosphate Needle-Like Crystals Formed by Simple Hydrothermal Treatment, J. Mater. Sci :Mater. in Med. ,5 (1994) 326-331)報導的方式，以水為反應介質，由氯化鈣與磷酸二氫氨(鈣/磷摩爾配比 1.67 1)製備得到的納米磷灰石漿料，經離心脫水後用甲醇分散，然後與由含20wt%氯化 鈣的甲醇溶液溶解的聚醯胺6溶液共混複合，得到納米磷灰石與聚醯胺66質量比為3 2、 粘度為2000mPa .s的相應的納米磷灰石/聚醯胺6複合漿料。將已注塑成型的直徑約3mm 的聚醯胺6圓柱體於80°C浸入複合漿料中，低速攪拌反應8h後取出，60°C下真空烘乾，制 備出的納米磷灰石與聚醯胺複合表層與基體材料緊密結合為一體結構，無相分離，厚度約 130 μ m的多孔表層結構，其表面多孔化，平均孔徑為3 μ m, EDS面掃描分析顯示鈣磷元素在 表面均勻分布。實施例3按文獻(Y.Y. Wang, Y. B. Li*, Y. Zuo, H. N. Wang, L. Cheng, G. Zhou, The influence of preparation condition on nano-hydroxyapatite prepared in different solvent,Materials Science Forum, 2007, Vol. 544-545 :897_900)報導的方式，在乙醇溶劑中由硝 酸鈣與磷酸二氫鈉(鈣/磷摩爾配比1.60 1)反應合成納米磷灰石漿料，然後與由30wt% 硝酸鈣的丙三醇溶液溶解的聚醯胺1010共混複合，得到納米磷灰石與聚醯胺1010質量比 2 1、粘度為SOOOmPa 的納米磷灰石/聚醯胺1010複合漿料。將已模壓成型的大小約 5 X 5 X IOmm3的聚醯胺1010實心塊體於40°C浸入該複合漿料中，低速攪拌反應5h後取出， 真空烘箱120°C烘乾，製備出的複合表層與基體材料為緊密結合的一體結構，無相分離，厚 度約350 μ m的多孔表層結構，表層結構的表面多孔化，平均孔徑為8 μ m, EDS面掃描分析顯 示鈣磷元素在表面均勻分布。實施例4按實施例2的方式，在水溶劑中由碳酸鈣和磷酸(鈣/磷摩爾配比1.55 1)反 應合成製備得到納米磷灰石漿料，經冷凍乾燥後，用氮甲基吡咯烷酮(NMP)分散，然後與由 含10襯％氯化鈣的NMP溶液溶解的聚醯胺66共混複合，得到納米磷灰石與聚醯胺66質量 比3 1、粘度為5000mPa*S的納米磷灰石/聚醯胺66複合漿料。將已發泡注塑成型的直 徑約5mm玻璃纖維增強聚醯胺66多孔支架於90°C浸入該複合漿料中，低速攪拌反應3h後 取出，140°C真空烘乾，製備出的納米磷灰石與聚醯胺的複合表層結構與基體材料表面及孔 隙內壁緊密結合為一體結構，無相分離，厚約200μπι的多孔表層結構，其表面及孔隙內壁 呈現豐富的微孔，平均孔徑為5 μ m，EDS線掃描分析顯示鈣磷元素在多孔支架斷面孔隙表 面均勻分布。實施例5按實施例1的方式，在二甲基亞碸(DMSO)溶劑中由氫氧化鈣與磷酸氫二氨 (鈣/磷摩爾配比1.75 1)反應合成納米磷灰石漿料，然後與6質量比1 1、粘度為 IOOOOmPa-S的納由含15襯％硝酸鈣的DMSO溶液溶解的聚醯胺6共混複合，得到納米磷灰 石與聚醯胺米磷灰石/聚醯胺6複合漿料。將已發泡注塑成型的大小約為lOXlOXlOmm3 的納米碳管增強芳香聚醯胺多孔支架於60°C浸入該複合漿料中，攪拌反應8h後取出，真空 烘箱160°C烘乾，製備出的納米磷灰石與聚醯胺複合的表層結構與基體材料表面及孔隙內 壁為緊密結合的一體結構，無相分離，厚約400 μ m的多孔表層結構，其表面及孔隙內壁呈 現豐富的微孔，平均孔徑為10 μ m，EDS面掃描元素分析顯示鈣磷元素在多孔支架斷面孔隙 表面均勻分布。
權利要求
帶生物活性表層結構的組織工程材料，以聚醯胺類材料為基體，其特徵是在聚醯胺類材料基體的表面具有厚度為50～500μm且納米磷灰石含量由裡及表遞增的含納米磷灰石多孔活性表層結構，其表面孔隙的孔徑為0.5～50μm。
2.如權利要求1所述的組織工程材料，其特徵是所說的多孔活性表層結構的表面孔隙 平均孔徑為5 μ m。
3.製備權利要求1或2帶生物活性表層結構的組織工程材料的方法，其特徵是用質量 比為0. 25 4 1的聚醯胺成分和納米磷灰石，與比蒸發速度為150 1000且沸點低於 所說聚醯胺類材料基體熔點和藥學中可以接受的聚醯胺材料有機良溶劑共同配製成複合 漿料，將所說的聚醯胺類材料基體浸入複合漿料中進行溶蝕反應，至形成所需厚度的含有 納米磷灰石表層結構後取出，揮發除去表層結構中的有機溶劑形成原位孔隙，得到在聚醯 胺類材料基體表面被覆有含納米磷灰石多孔活性表層結構的組織工程材料產物。
4.如權利要求3所述的製備方法，其特徵是所說用於配製複合漿料的聚醯胺材料有機 良溶劑為包括甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇在內的醇類溶劑，或為包括二甲亞碸或氮甲基吡咯 烷酮在內的極性親質子溶劑。
5.如權利要求3所述的製備方法，其特徵是所說配製複合漿料所用的聚醯胺成分與所 說聚醯胺類材料基體為相同的聚醯胺類成分。
6.如權利要求3所述的製備方法，其特徵是所說複合漿料中的納米磷灰石，為由鈣鹽 化合物與磷酸或磷酸鹽反應後得到納米磷灰石漿料，所說的鈣鹽化合物為氫氧化鈣、氯化 鈣、硝酸鈣、氟化鈣、溴化鈣及乙酸鈣中的至少一種，所說的磷酸鹽為鹼金屬或氨的磷酸鹽 類化合物。
7.如權利要求6所述的製備方法，其特徵是所說的複合漿料為用質量含量10% 60% 的所說聚醯胺材料有機良溶劑的鈣鹽溶液將聚醯胺成分溶解後，再與所說的納米磷灰石漿 料充分均勻混合，得到所說的複合漿料。
8.如權利要求6所述的製備方法，其特徵是所說複合漿料的粘度為200 200000mPa · s。
9.如權利要求6所述的製備方法，其特徵是所說製備納米磷灰石的鈣鹽化合物與磷酸 鹽的鈣/磷摩爾比為1.2 2.0 1。
10.如權利要求3至9之一所述的製備方法，其特徵是將所說的聚醯胺類材料基體置於 由聚醯胺成分和納米磷灰石與乙醇所成的複合漿料中，於30°C 150°C和50 200rpm速 度的攪拌條件下進行溶蝕反應1 24小時，反應後取出，於室溫 乙醇沸點的加熱條件下 揮除溶劑，得到所說的表面被覆有含納米磷灰石多孔活性表層結構的組織工程材料。全文摘要
帶生物活性表層結構的組織工程材料及其製備方法。該組織工程材料是以聚醯胺類材料為基體，在其表面被覆有厚度為50～500μm的含納米磷灰石多孔表面的活性表層結構，其表面孔隙的孔徑為0.5～50μm。本發明的重要特點是在絕緣性的高分子基體材料表面製備富含磷灰石的活化表層結構，且磷灰石的含量在表層結構中由內向外呈逐漸增高的梯度分布，物理結構及化學性能穩定，表層結構與基體緊密結合為一體結構，無相分離。該富含納米磷灰石多孔活性表層結構的製備工藝簡單，易於控制，可改性製備各種聚醯胺類材料成形基體的表面生物活性表層，以滿足不同的臨床需要，有望在骨組織修復中廣泛應用。
文檔編號A61L27/18GK101947334SQ201010266128
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月30日 優先權日2010年8月30日
發明者左奕, 李吉東, 李玉寶, 黃棣 申請人:四川大學