天然生物材料製品的力學強度調控方法
2023-07-10 02:28:01
專利名稱：天然生物材料製品的力學強度調控方法
技術領域：
本發明涉及一種組織修復替代材料，具體涉及高天然高分子多孔材料製品的力學性能調控方法。
背景技術：
隨著現代社會的發展，各種原因導致的組織損傷問題越來越多。如由燒傷、燙傷、刀傷、火器傷害等導致的皮膚損傷，交通意外導致的肢體血管、神經損傷，腫瘤切除導致的周圍組織的缺失以及由運動損傷、病理損傷導致的關節軟骨、半月板的損傷等。引起損傷的原因多種多樣，最終導致的結果是人體組織如關節軟骨、半月板、皮膚、血管以及神經等結締組織的損傷。小面積、小範圍、低損傷度的組織損傷，人體可以通過對自體組織、細胞的調動自動修復，如皮膚組織能夠在一定程度的損傷範圍內自愈，神經在損傷程度不高的情況下可以再生對接，這些都是人體組織自愈的表現。但當損傷超過一定的程度後，細胞難以遷移到損傷部位，導致人體組織的這種自我修復的能力不足，如創傷程度過高導致的組織缺損，神經萎縮，關節軟骨退變等。此時需要有外部修復材料的介入來引導人體組織的細胞遷移到損傷部位，並讓細胞行使組織修復的功能。
天然生物材料其主要來源於動植物的組織，由於其化學成分與結構上保留了大量的細胞活性識別位點，所以對組織細胞具有良好的作用。如膠原、透明質酸、明膠、海藻酸鈉等都能夠促進組織細胞在這些材料上面的生長。
雖然從天然組織中提取的這些材料具有良好的生物活性，但從這些材料製備出來的產品由於製備工藝的原因，普遍存在力學性能差的問題。這是由於此類分子通常對溫度都比較敏感，在高溫下容易變性或分解，為了保證此類天然分子的生物活性，通常採用常溫的方法來製備此類材料的製品。而在常溫下加工此類材料的製品通常需要將這些材料溶解在溶液中，在通過冷凍乾燥的方法得到能夠在臨床進行應用的幹態的製品。
通常提取的天然生物材料在溶液中溶解度低，同時其分子量比較大，少量分子的溶解就能夠形成粘度非常高的溶液，以此溶液冷凍乾燥後的製品由於一定體積內大量溶劑的揮發形成了多孔材料，溶液中的生物材料分子由於不會揮發而殘留形成了多孔材料的骨架。由於初始的溶液濃度低，固含量少，
所以形成的最終產品的力學性能也較差， 一般不超過100Pa。在臨床只能用於一些不受力的生物材料，限制了這些生物材料的用途。或者必須與其他高強度的材料進行複合才能應用。
由上述方法製備的生物材料首先通過溶液的冷凍乾燥製備出一次多孔材料，再經過可控壓縮、交聯以及二次冷凍乾燥，提高了單位體積內的生物材料的含量，同時也提高了此類材料的抗壓強度。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的上述不足，提供天然生物材料製品的力學強度調控方法。傳統方法採用冷凍乾燥工藝製備天然生物材料製品，本發明為調控天然生物材料製品的力學強度，採用冷凍乾燥、壓縮、交聯以及冷凍乾燥或烘乾的工藝製備出一種力學性能高於傳統的製備方法的天然生物材料製品。
為實現上述目的，本發明公開了天然生物材料製品的力學強度調控方法，
其包括如下步驟
(1) 將天然高分子生物材料的溶液冷凍乾燥，得到多孔製品；
(2) 對步驟(1)得到的製品進行壓縮，使得製品體積收縮；
(3) 對步驟(2)得到的體積收縮的製品進行交聯定形；
(4) 對步驟(3)得到的製品進行冷凍乾燥或烘乾，得到成型的修復材料製品。
上述調控方法中，根據在步驟(2)中膠原製品壓縮的程度的不同，.以及步驟G)中使用的交聯劑的濃度的不同，可以得到不同力學性能的天然生物製品最終產品，其力學性能可在一百帕直至十五兆帕的範圍內調控；
上述製備方法中，步驟(1)所述使用的天然高分子生物材料溶液的濃度為l克/升 60克/升。該溶液可加入交聯劑進行初步交聯，交聯劑質量濃度在5%以下，或不使用交聯劑。
上述製備方法中，步驟(2)所述壓縮方法為直接對步驟(1)中得到的
4幹態製品施加壓力進行壓縮。或者預先將製品用溶液溼潤後，進行壓縮，得到更大的壓縮比例，溶液可以為含有交聯劑的溶液，或水、乙醇以及二者的任意比例的混合溶液。
上述製備方法中，步驟(3)在保持壓縮外形的情況下對膠原製品進行交聯。
上述製備方法中，所述交聯採用的交聯溶液為戊二醛溶液、EDC溶液、京尼平溶液或環氧垸基溶液，交聯溶液的質量濃度為0.25% 10%。
上述製備方法中，步驟(4)所述的乾燥可為冷凍乾燥、自然乾燥或烘乾。上述方法中，步驟(1)中，通過冷凍乾燥得到一定形狀的天然生物材料多孔製品。步驟(2)通過控制擠得到壓縮比例在5%~95%的小體積的天然生物材料製品，擠壓壓力可以為1Pa lMPa。步驟(3).將具有一定外形特徵的修復材料製品放入交聯溶液中交聯，如戊二醛、EDC交聯溶液、京尼平溶液或環氧類交聯固定溶液等，交聯處理一定時間後再經過乾燥得到最終的修復材料製品。
本發明由天然生物材料製備得到強度可調、具有一定孔徑、孔隙率的組織修復材料，從而針對不同的人體組織力學特點製備相應的天然生物材料多孔材料。
本發明與現有生物材料製品製備工藝比還有如下優點由於本發明的方法在冷凍乾燥後採用了對初級產品進行可控壓縮的步驟，控制了多孔材料產品的密度，減少了多孔材料產品的孔隙率，使得最終的製品力學性能通過該步驟得到控制。同時由於所採用的方法不影響初始天然生物材料的生物學性能，使得最終製品仍然保持了較好的生物活性。本發明所採用的工藝步驟與方法不影響天然生物材料本身的分子結構與特性，製備在室溫下進行，不採用加熱和熱壓的複雜設備，很好地減少了使用的生物材料的變性，並保持了使用材料特有的生物活性。同時由於大大的提高了多孔材料的密度，使得乾燥後的修復材料與以往未採用該方法得到的修復材料比，單位體積內的固含量明顯提高，同時交聯密度也大為增強，使得最終的天然生物材料製品比以往製品10 1000帕的強度比更高。同時由於可對製品的壓縮比例進行控制，可以得到力學性能能夠在一百至十五兆帕的強度範圍內調控。
具體實施例方式
實施例1
選擇的濃度為6克/升的膠原溶液冷凍乾燥後，壓縮至原體積的50%，用質量濃度為1%的碳二亞胺溶液10度交聯20小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為3000Pa。
實施例2
選擇的濃度為12克/升的膠原溶液冷凍乾燥後，壓縮至原體積的20%，用質量濃度為1%的碳二亞胺溶液5度交聯24小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為8000Pa。
實施例3
選擇的濃度為12克/升的膠原溶液冷凍乾燥後，壓縮至原體積的5%，用質量濃度為1%的碳二亞胺溶液20度交聯10小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為1.5MPa。
實施例4
選擇的濃度為10克/升含膠原溶液，加入戊二醛交聯劑，調節戊二醛質量濃度為0.5%，冷凍乾燥後用乙醇溶液潤溼該製品，壓縮至原體積的5%，用質量濃度為1%的戊二醛溶液4度交聯24小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為5MPa。
實施例5
選擇的濃度為60克/升的殼聚糖溶液冷凍乾燥後，壓縮至原體積的50%，用質量濃度為1.5%的碳二亞胺溶液15度交聯15小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為8000Pa。
實施例6
選擇的濃度為50克/升的殼聚糖溶液冷凍乾燥後，壓縮至原體積的50%,用質量濃度為1.5%的碳二亞胺溶液5度交聯20小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為6500Pa。
實施例7
選擇的濃度為10克/升的殼聚糖溶液冷凍乾燥後，壓縮至原體積的50%，用質量濃度為1.5%的碳二亞胺溶液10度交聯24小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為5000Pa。實施例8
選擇的濃度為20克/升，1%甲醛的殼聚糖溶液冷凍乾燥後，以乙醇潤溼該冷凍乾燥後的製品，壓縮至原體積的10%，用質量濃度為2%的碳二亞胺溶液5度交聯30小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為8MPa。
實施例9
選擇的濃度為60克/升的透明質酸溶液冷凍乾燥後，壓縮至原體積的5%，用質量濃度為5%的二乙烯基碸溶液35度交聯1小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為2MPa。
實施例10
選擇濃度為20克/升的透明質酸溶液，其中含的碳二亞胺的質量濃度為1%的混合溶液冷凍乾燥後，以體積比為50%乙醇/水混合溶液潤溼該冷凍乾燥後的製品，壓縮至原體積的5%，再用質量濃度為2%的二乙烯基碸溶液30度交聯4小時，再冷凍千燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為lOMPa。
實施例11
選擇的濃度為10克/升的海藻酸鈉溶液冷凍乾燥後，壓縮至原體積的20%，用質量濃度為5%的氯化鈣溶液25度交聯4小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為3MPa。
實施例12
選擇的濃度為20克/升的海藻酸鈉溶液冷凍乾燥後，以質量濃度為5%的氯化鈣交聯溶液潤溼該冷凍乾燥後的製品，壓縮至原體積的5%，並30度交聯2小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為15MPa。
實施例13
選擇的濃度為10克/升的膠原，以及30克/升的殼聚糖混合溶液冷凍乾燥後，以體積比為75%乙醇/水混合溶液潤溼該製品後，壓縮至原體積的20%，用質量濃度為5%的碳二亞胺溶液10度交聯24小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。該製品的抗壓強度約為2MPa。
實施例14選擇的濃度為25克/升的透明質酸，以及15克/升的海藻酸鈉混合溶液 冷凍乾燥後，壓縮至原體積的10%，用質量濃度為8%的二乙烯基碸溶液35 度交聯1小時，再冷凍乾燥24小時得到具有一定外形特徵的修復材料製品。 該製品的抗壓強度約為15MPa。
8
權利要求
1、天然生物材料製品的力學強度調控方法，其特徵在於包括如下步驟(1)將天然高分子生物材料溶液冷凍乾燥得到多孔幹態製品；(2)對步驟(1)得到的製品進行壓縮；(3)將步驟(2)壓縮後的製品進行交聯；(4)乾燥後得到成型的修復材料製品。
2、 根據權利要求1所述的調控方法，其特徵在於步驟(1)所述天然高分子生物材料溶液的濃度為1克/升 60克/升。
3、 根據權利要求1所述的調控方法，其特徵在於步驟(1)所述天然高分子生物材料溶液為膠原、殼聚糖、透明質酸、海藻酸鈉、明膠的單一溶液或兩種以上混合溶液。
4、 根據權利要求1所述的調控方法，其特徵在於步驟(1)中天然高分子生物材料在冷凍乾燥前進行預交聯。
5、 根據權利要求1所述的調控方法，其特徵在於步驟(2)中對製品進行壓縮，體積壓縮比例範圍為5%~95%，步驟(4)乾燥後得到成型的修復材料製品的壓縮強度為100帕 15兆帕。
6、 根據權利要求1所述的調控方法，其特徵在於步驟(2)中將製品在保持乾燥的狀態下壓縮或在壓縮前對製品進行潤溼，潤溼採用水、乙醇、水/乙醇混合溶液或步驟(3)中用於交聯的溶液。
7、 根據權利要求1所述的調控方法，其特徵在於步驟(3)所述交聯採用的交聯溶液為醛類、碳化二亞胺類、環氧垸基類、異氰酸酯類、醯肼類、烯基碸類、鈣離子類以及京尼平溶液，交聯溶液的質量濃度為0.25% 10%。
8、 根據權利要求4所述的調控方法，其特徵在於步驟(1)所述預交聯採用的交聯溶液為醛類、碳化二亞胺類、環氧烷基類、異氰酸酯類、醯肼類、烯基碸類、媽離子類以及京尼平溶液，交聯溶液的質量濃度為0.25% 5%。
9、 根據權利要求7所述的調控方法，其特徵在於所述交聯為在低於37'C的條件下交聯0.5 36小時。
10、 根據權利要求1 9任一項所述的調控方法，其特徵在於步驟(4)所述乾燥採用烘乾或冷凍乾燥。
全文摘要
本發明公開了天然生物材料製品的力學強度調控方法，該方法通過對天然生物材料溶液冷凍乾燥、壓縮、交聯以及再次乾燥的處理步驟，得到了最終的製品。由於該處理方法在冷凍乾燥後採用了對初級產品進行可控壓縮的步驟，控制了多孔材料產品的密度，減少了多孔材料產品的孔隙率，使得最終的製品力學性能通過該步驟得到控制。同時由於所採用的方法不影響初始天然生物材料的生物學性能，使得最終製品仍然保持了較好的生物活性。
文檔編號A61L27/14GK101648035SQ200910192088
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月4日 優先權日2009年9月4日
發明者剛 吳, 王迎軍 申請人:華南理工大學