一種骨組織工程複合多孔支架材料及其製備方法

2023-06-11 00:54:56

一種骨組織工程複合多孔支架材料及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種骨組織工程複合多孔支架材料及其製備方法，屬於生物醫學材料技術應用領域。該多孔材料的組分為1.4～5.0wt%魔芋葡甘聚糖、5.0～8.0wt%納米羥基磷灰石和1.0～2.0wt%殼聚糖，孔隙率70～92wt%，抗壓強度在0.14MPa～0.75MPa。在鹼性環境下將三者機械混合製備成混合溶膠，經熟化、除鹼、冷凍乾燥等工藝處理，製備出魔芋葡甘聚糖/納米羥基磷灰石/殼聚糖複合骨組織工程多孔支架。該支架的製備方法具有製備工藝簡單、使用設備簡單，成品周期短，成本較低廉等優勢，該方法製備出的魔芋葡甘聚糖/納米羥基磷灰石/殼聚糖骨組織工程多孔支架，經細胞及動物試驗表明具有很好的組織生物相容性，細胞繁殖良好，成骨效果明顯，有望實現工業擴大化生產，實現臨床應用。
【專利說明】一種骨組織工程複合多孔支架材料及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種骨組織工程複合多孔支架材料及其製備方法，屬於生物醫用材料技術應用領域。
【背景技術】
[0002]長期以來，骨修復材料主要採取自體或異體骨移植物，但自體骨移植在材料來源方面存在著嚴重的缺陷。從自體異位取骨，會給患者造成新的局部病損，無異拆了東牆補西牆，使病人易患手術後併發症。異體骨移植在材料篩選，儲存方面相當困難，昂貴，還容易產生免疫排斥反應，同時異體骨被取代緩慢，新生骨體積偏小。為了克服自體骨和異體骨移植存在的種種問題人們試圖通過天然的或合成途逕取得理想的骨修復材料。
[0003]過去的幾十年中，人們通過各種方法和途徑製備出許多用於骨修復的替代材料，尤其是近年來發展起來的組織工程，通過引入形態上與骨單位相容的，且其管道可連入骨缺損組織的孔狀支架結構，建立起生物材料與骨架再生之間的聯繫，這種支架材料孔隙率在80%以上，易於骨細胞的植入、貼附、營養物質的滲透及代謝廢物的排出等，為細胞的生長、增值提供良好的微環境，很有可能發展成為骨修復替代材料，並得到臨床推廣應用。
[0004]魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan, KGM)是一種提取自魔芋塊莖的pH值敏感性多糖，可以通過調節系統的PH值來控制魔芋葡甘聚糖的凝膠產生時間和凝膠度，這種特性對控制支架材料的力學性能、生物降解性能及其與其他材料的複合非常有利。此外魔芋葡甘聚糖本身也具有良好的持水能力、生物相容性和降解性。
[0005]納米羥基磷灰石(nano-Hydroxyapatite, nano_HAP)是骨組織的主要成分,微溶於水而易溶於酸，分子式為，具有良好的生物相容性，骨傳導性，無細胞毒性，同時具有表面效應和體積效應，在生物學方面有很大的優越性和應用價值。
[0006]殼聚糖(Chitosan，CS)是由甲殼素部分脫乙醯化得到的，分子間存在強氫鍵作用，不溶於有機溶劑和水，僅溶於稀有機酸和無機酸溶液，是一種天然可降解的高分子物質，生物相容性良好，具有殺菌、消炎、抗潰瘍、促進傷口和骨折癒合等活性。與納米HAP複合後，可獲得良好的骨誘導、適中的力學性能、可調控的降解速率等多方面的性能。

【發明內容】

[0007]本發明提出的一種複合骨組織工程多孔支架材料及其製備方法，是一種魔芋葡甘聚糖、納米羥基磷灰石、殼聚糖三相複合生物材料的簡單製備方案，該多孔支架材料其具有成本低廉、製作工藝簡單、生物相容性良好、骨傳導和誘導性能優異等性能特點，為骨缺損手術提供了一種新的修復材料解決現有骨修復替代物製備成本高，存儲困難等問題。
[0008]本發明最終製得的複合骨組織工程多孔支架材料的組分及百分比範圍:1.4~
5.0被％魔芋葡甘聚糖、5.0~8.0%納米羥基磷灰石和1.0~2.0%殼聚糖，孔隙率70~92%，抗壓強度在0.14MPa~0.75MPa。具體製備步驟包括:
(I)按照納米羥基磷灰石與蒸餾水質量比5~8:70~92，將納米羥基磷灰石加入蒸餾水中分散均勻，得到懸浮液A;
(2)向懸浮液A中加入其質量1.0~2.0%的殼聚糖，充分混合，得到溶液B ；
(3)向溶液B中加入交聯劑，得到pH值為9~11的呈鹼性的溶液C；
(4)向溶液C中加入其質量1.4~5%的魔芋葡甘聚糖，攪拌至攪拌漩渦消失I~3s，停止攪拌，得到凝膠D ;
(5)在50~80°C的條件下，對凝膠D進行熟化處理0.5~24h，熟化溫度40~80°C，得到熟化後的凝膠E ;
(6)將凝膠E在40~80°C的溫度條件下除鹼處理24~96h，處理的時間截止為檢測凝膠浸泡液的酸鹼度為中性，得到中性凝膠F ；
(7)將凝膠F在-10~-80°C下冷凍12~48h，得到凍凝膠G；
(8)將凍凝膠G在-10~_80°C環境下冷凍乾燥處理3~7天，得到乾燥的魔芋葡甘聚糖/納米羥基磷灰石/殼聚糖複合可降解多孔支架，即為複合骨組織工程多孔支架材料。
[0009]所述步驟(1)中分散納米羥基磷灰石是採用超聲分散，手動攪拌或機械攪拌；
所述步驟(2)中加入的殼聚糖的粒徑均勻，粒徑範圍120目~400目。
[0010]所述步驟(3)中的交聯劑為氨水，氫氧化鈉，氫氧化鉀，碳酸鈉或碳酸氫鈉中的一種。
[0011]所述步驟(4)溶液C中加入魔芋葡甘聚糖的勻速流量為0.4g/s。
[0012]所述步驟(5)和(6)的溫度環境均為水浴加熱。
[0013]所述步驟(7)中熱凝膠冷凍前須用室溫蒸餾水靜置冷卻。
[0014]本發明製備方法的工藝思路是，納米羥基磷灰石因為屬於納米級的顆粒，比較易於團聚，所以攪拌時間需視混合液顏色均一度而定，當然也可以採用超聲波分散；對殼聚糖進行分級是為了實現其在複合基底中均勻分布；至於魔芋葡甘聚糖的加入過程，考慮的是該多糖在鹼性環境下較易於交聯凝聚，採用勻速、等流、貼漩渦內壁加入，可以很好避免該多糖凝聚，使其均勻分散，取轉子的過程，時間需要把握準，若是待漩渦消失就取出，不能夠很好的使魔芋葡甘聚糖均勻分散，若晚幾秒取出，因為該多糖交聯過程比較迅速，形成凝膠，容易造成凝膠內部形成大的孔洞；熟化過程是為了使未完成交聯的魔芋葡甘聚糖進一步交聯，得到穩定的凝膠，但熟化溫度不宜過高，溫度超過80°C時，未交聯完全的魔芋葡甘聚糖較不穩定，易造成凝膠形狀發生變化，會影響支架孔徑大小及分布；冷卻前的室溫蒸餾水冷卻，一是為了使熱凝膠內部與外部溫度一致，二是通過調節凝膠內部水的結冰溫差，調節冰的成核與生長速度以控制冰的粒徑，從而達到多孔支架孔徑均一，分布均勻類骨形貌。
[0015]本發明採用簡便的機械混合方式，納米羥基磷灰石是自然骨中主要的無機成分，降解後的鈣離子和磷酸根離子能促進骨組織修復，具有良好的骨傳導性，殼聚糖在體內能降解成為氨基葡萄糖，可被人體吸收，並能促進骨細胞和成纖細胞的粘附、分化和增值，魔芋葡甘聚糖在鹼性環境下易發生脫乙醯基反應從而起到交聯的作用，可以把前二者相固化成型，是很好的塑形劑，三者共混製得的複合骨組織工程多孔支架，不僅具有良好的生物活性，還具有一定的力學強度，適合作為骨組織工程支架材料或骨組織替代物。該製備方法製備出的該骨組織工程複合多孔支架具有以下優點:
(I)製備過程中利用調節水的量，來控制該支架的孔隙率，利用控制冷凍時的溫差來控制該支架孔徑大小及其分布，當調節孔隙率在80%以上，孔徑在100 μ m~500 μ m時，適合營養物質的傳輸和細胞的移動生長，符合硬骨骨組織工程的要求；
(2)利用氨水對多孔支架進行交聯，通過控制氨水的量和交聯熟化時間，可以使得多孔支架材料的降解速率2~4個月可調，可滿足不同部位的骨缺損修復，滿足硬骨骨組織工程的要求；
(3)殼聚糖的加入對支架材料起到增強、增韌的作用，克服了納米羥基磷灰石本身呈現脆性的缺點，魔芋葡甘聚糖的加入不僅進一步起到了增韌、增強的作用，還起到了定型固化的作用；
(4)該多孔支架材料的製備方法、對設備要求低、成本低廉，可應用於大規模工業化生產，從而滿足骨缺損修復的研究和臨床治療中對硬骨損傷修復材料的需求。 【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發明HAP原料與標準HAP譜圖對比圖；
圖2是本發明多孔支架材料XRD分析圖譜。
【具體實施方式】
[0017]下面結合【具體實施方式】，對本發明作進一步說明。
[0018]實施方式一:如圖1和2所示，本實施方式最終製得的複合骨組織工程多孔支架材料的組分為魔芋葡甘聚糖、殼聚糖和納米羥基磷灰石的質量比1:1.07:4.62，孔隙率91.72%，抗壓強度0.17MPa。具體製備方法為:
(1)用量筒量出50ml蒸餾水置於容量為50ml的小燒杯中，加入4.26g納米羥基磷灰石攪拌使其充分溶解，得到溶液A ；
(2)在溶液A中加入0.99g殼聚糖，混合攪拌均勻，得到混合懸浮液B ；
(3)用微量進樣器抽取0.097ml分析純氨水，加到懸浮液B內，充分攪拌，得到鹼性溶液
C ；
(4)在C中勻速加入0.92g魔芋葡甘聚糖，待攪拌漩渦消失後2~3s，迅速取出攪拌子，得到凝膠D ；
(5)將盛有凝膠D的小燒杯置於75°C水浴環境中加熱熟化29h，得到熟化後的凝膠E；
(6)將熟化後的凝膠E放入盛有1000ml蒸餾水的大燒杯內，75°C水浴除鹼，每隔3~4h換次水，直至PH為中性，得到中性凝膠F ；
(7)取出中性凝膠F，置於室溫下蒸餾水中冷卻，隨後放入到_35°C的深冷冰箱內冷凍12~24h，得到凍凝膠G;
(8)取出凍凝膠G，置於_50°C環境下冷凍乾燥機內乾燥3~7天，直至完全乾燥，得到乾燥的多孔支架。
[0019]實施方式二:本實施方式最終製得的複合骨組織工程多孔支架材料的組分為魔芋葡甘聚糖、殼聚糖和納米羥基磷灰石的質量比1:0.54:2.31，孔隙率90.28%，抗壓強度為
0.2 IMPa。具體步驟包括:
(1)用量筒量出50ml蒸餾水置於容量為50ml的小燒杯中，加入4.26g納米羥基磷灰石攪拌使其充分溶解，得到溶液A ；
(2)在溶液A中加入0.99g殼聚糖，混合攪拌均勻，得到混合懸浮液B ；(3)用微量進樣器抽取0.19ml分析純氨水，加到懸浮液B內，充分攪拌，得到鹼性溶液
C；
(4)在C中勻速加入1.84g魔芋葡甘聚糖，待攪拌漩渦消失後2~3s，迅速取出攪拌子，得到凝膠D ;
(5)將盛有凝膠D的小燒杯置於75°C水浴環境中加熱熟化29h，得到熟化後的凝膠E；
(6)將熟化後的凝膠E放入盛有1000ml蒸餾水的大燒杯內，75°C水浴除鹼，每隔3~4h換次水，直至PH為中性，得到中性凝膠F ；
(7)取出中性凝膠F，置於室溫下蒸餾水中冷卻，隨後放入到-35°C的深冷冰箱內冷凍12~24h，得到凍凝膠G;
(8)取出凍凝膠G，置於_50°C環境下冷凍乾燥機內乾燥3~7天，直至完全乾燥，得到乾燥的多孔支架。
[0020]實施方式三:本實施方式最終製得的複合骨組織工程多孔支架材料的組分為由魔芋葡甘聚糖、殼聚糖和納米羥基磷灰石三種原料組成，殼聚糖/魔芋葡甘聚糖(質量比)為
0.36/1，納米羥基磷灰石/魔芋葡甘聚糖(質量比)為1.54/1，孔隙率為88.30%，抗壓強度為 0.25MPa。
[0021](I)用量筒量出50ml蒸餾水置於容量為50ml的小燒杯中，加入4.26g納米羥基磷灰石攪拌使其充分溶解，得到溶液A ;
(2)在溶液A中加入0.99g殼聚糖，混合攪拌均勻，得到混合懸浮液B ；
(3)用微量進樣器抽取0.29ml分析純氨水，加到懸浮液B內，充分攪拌，得到鹼性溶液
C；
(4)在C中勻速加入2.77g魔芋葡甘聚糖，待攪拌漩渦消失後2~3s，迅速取出攪拌子，得到凝膠D ;
(5)將盛有凝膠D的小燒杯置於75°C水浴環境中加熱熟化29h，得到熟化後的凝膠E; (6)將凝膠熟化後的E放入盛有1000ml蒸餾水的大燒杯內，75°C水浴除鹼，每隔3~4h換次水，直至PH為中性，得到中性凝膠F ；
(7)取出中性凝膠F，置於室溫下蒸餾水中冷卻，隨後放入到-35°C的深冷冰箱內冷凍12~24h，得到凍凝膠G;
(8)取出凍凝膠G，置於_50°C環境下冷凍乾燥機內乾燥3~7天，直至完全乾燥，得到乾燥的多孔支架。
[0022]實施方式四:本實施方式最終製得的複合骨組織工程多孔支架材料的組分為
1.4wt%魔芋葡甘聚糖、5.0%納米羥基磷灰石和1.0%殼聚糖，孔隙率70%，抗壓強度在
0.HMPa0具體製備方法為:
(1)按照納米羥基磷灰石與蒸餾水質量比5:70，將納米羥基磷灰石加入蒸餾水中分散均勻，得到懸浮液A ;
(2)向懸浮液A中加入其質量1.0的殼聚糖，充分混合，得到溶液B ;殼聚糖的粒徑均勻，粒徑範圍120目~300目；
(3)向溶液B中加入交聯劑，得到pH值為9的呈鹼性的溶液C;交聯劑為氫氧化鈉；
(4)向溶液C中加入其質量1.4%的魔芋聚糖，加入時的勻速流量為0.4g/s，攪拌至攪拌漩渦消失ls，停止攪拌，得到凝膠D ;(5)在50°C的水浴加熱條件下，對凝膠D進行熟化處理0.5h，熟化溫度40°C，得到熟化後的凝膠E ;
(6)將凝膠E在40°C的水浴加熱溫度條件下除鹼處理24h，處理的時間截止為檢測凝膠浸泡液的酸鹼度為中性，得到中性凝膠F ;
(7)將凝膠F在-10°C下冷凍12h，熱凝膠冷凍前須用室溫蒸餾水靜置冷卻，得到凍凝膠
G；
(8)將凍凝膠G在-10°C環境下冷凍乾燥處理3天，得到乾燥的魔芋葡甘聚糖/納米羥基磷灰石/殼聚糖複合可降解多孔支架，即為複合骨組織工程多孔支架材料。
[0023]實施方式五:本實施方式最終製得的複合骨組織工程多孔支架材料的組分為
5.0wt%魔芋葡甘聚糖、8.0%納米羥基磷灰石和2.0%殼聚糖，孔隙率92%，抗壓強度在
0.75MPa。具體製備方法為:
(1)按照納米羥基磷灰石與蒸餾水質量比8: 92，將納米羥基磷灰石加入蒸餾水中分散均勻，得到懸浮液A ; (2)向懸浮液A中加入其質量2.0的殼聚糖，充分混合，得到溶液B ;殼聚糖的粒徑均勻，粒徑範圍200目~400目；
(3)向溶液B中加入交聯劑，得到pH值為11的呈鹼性的溶液C;交聯劑為氫氧化鉀；
(4)向溶液C中加入其質量5%的魔芋葡甘聚糖，加入時的勻速流量為0.4g/s，攪拌至攪拌漩渦消失3s，停止攪拌，得到凝膠D ；
(5)在80°C的水浴加熱條件下，對凝膠D進行熟化處理24h，熟化溫度80°C，得到熟化後的凝膠E ；
(6)將凝膠E在80°C的水浴加熱溫度條件下除鹼處理96h，處理的時間截止為檢測凝膠浸泡液的酸鹼度為中性，得到中性凝膠F ；
(7 )將凝膠F在-80 V下冷凍48h，熱凝膠冷凍前須用室溫蒸餾水靜置冷卻，得到凍凝膠
G ；
(8)將凍凝膠G在_80°C環境下冷凍乾燥處理7天，得到乾燥的魔芋葡甘聚糖/納米羥基磷灰石/殼聚糖複合可降解多孔支架，即為複合骨組織工程多孔支架材料。
[0024]以上結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。
【權利要求】
1.一種骨組織工程複合多孔支架材料，其特徵在於具體組分及百分比範圍:1.4~5.0被％魔芋葡甘聚糖、5.0~8.0%納米羥基磷灰石和1.0~2.0%殼聚糖，孔隙率70~92%，抗壓強度在0.14MPa~0.75MPa。
2.一種骨組織工程複合多孔支架材料的製備方法，其特徵在於具體步驟包括:: (1)按照納米羥基磷灰石與蒸餾水質量比5~8:70~92，將納米羥基磷灰石加入蒸餾水中分散均勻，得到懸浮液A ; (2)向懸浮液A中加入其質量1.0~2.0%的殼聚糖，充分混合，得到溶液B ； (3)向溶液B中加入交聯劑，得到pH值為9~11的呈鹼性的溶液C； (4)向溶液C中加入其質量1.4~5%的魔芋葡甘聚糖，攪拌至攪拌漩渦消失I~3s，停止攪拌，得到凝膠D ; (5)在50~80°C的條件下，對凝膠D進行熟化處理0.5~24h，熟化溫度40~80°C，得到熟化後的凝膠E ； (6)將凝膠E在40~80°C的溫度條件下除鹼處理24~96h，處理的時間截止為檢測凝膠浸泡液的酸鹼度為中性，得到中性凝膠F ； (7)將凝膠F在-10~-80°C下冷凍12~48h，得到凍凝膠G； (8)將凍凝膠G在-10~_80°C環境下冷凍乾燥處理3~7天，得到乾燥的魔芋葡甘聚糖/納米羥基磷灰石/殼聚糖複合可降解多孔支架，即為複合骨組織工程多孔支架材料。
3.根據權利要求2所述的骨組織工程複合多孔支架材料的製備方法，其特徵在於:所述步驟(2)中加入的殼聚糖的粒徑均勻，粒徑範圍120目~400目。
4.根據權利要求2所述的骨組織工程複合多孔支架材料的製備方法，其特徵在於:所述步驟(3)中的交聯劑為氨水，氫氧化鈉，氫氧化鉀，碳酸鈉或碳酸氫鈉中的一種。
5.根據權利要求2所述的骨組織工程複合多孔支架材料的製備方法，其特徵在於:所述步驟(4)溶液C中加入魔芋葡甘聚糖的勻速流量為0.4g/s。
6.根據權利要求2所述的骨組織工程複合多孔支架材料的製備方法，其特徵在於:所述步驟(5)和(6)的溫度環境均為水浴加熱。
7.根據權利要求2所述的骨組織工程複合多孔支架材料的製備方法，其特徵在於:所述步驟(7 )中熱凝膠冷凍前須用室溫蒸餾水靜置冷卻。
【文檔編號】A61L27/12GK104001211SQ201410181547
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月4日 優先權日:2014年5月4日
【發明者】陳慶華, 李 真, 顏廷亭 申請人:昆明理工大學