一種高強度連續梯度複合支架及其製備方法

2023-08-13 02:31:56

專利名稱：一種高強度連續梯度複合支架及其製備方法
技術領域：
本發明屬於生物醫學材料及其製備領域，具體涉及用於骨軟骨缺損修復的高強度連續梯度複合支架及其製備方法。
背景技術：
天然骨軟骨為軟骨層、鈣化層和軟骨下骨層的多層次結構，採用骨軟骨組織工程的方法修復骨軟骨缺損經歷了單層支架、雙層支架和三層支架三個階段。單層支架的設計僅考慮到上層的軟骨層，忽略了下層的骨層，難以滿足天然骨軟骨的結構要求，因此，構建雙層支架修復骨軟骨缺損成為必然。雙層支架考慮到仿生模擬上層的軟骨結構和下層的骨結構，在治療骨軟骨缺損方面取得了一定的療效，但忽略了中間層ー I丐化層，雙層支架缺少了鈣化層這一中間層，很容易使軟骨和軟骨下骨分層，甚至使軟骨從軟骨下骨的骨面脫落， 嚴重影響治療效果。為了進一步完善支架的設計，研究者隨即開始了三層支架的研究，三層支架更精確的模擬了軟骨層-鈣化層-軟骨下骨層的結構，向生物仿生的方向又邁進了一
止/J/ o雙層支架和三層支架的構建方法相似，各層支架分別製備，隨後採用膠粘、縫合等方式結合在一起。由幹支架層間存在物理界面的缺陷，支架不是ー個連續的整體，難以承受關節運動時所產生的較大負荷，易使支架層間產生裂紋、剝落，進而影響支架的整體力學性能和界面的生物功能，最終影響支架與周圍宿主組織之間的融合。因此，如何從根本上克服層間存在的界面問題是當今多層支架面臨的共同問題。聚こ烯醇(PVA)水凝膠具有與關節軟骨相似的力學性能。羥基磷灰石(HAP)是骨組織中的主要無機成分，具有良好的骨傳導性和生物活性，能夠與骨組織形成骨鍵合，被廣泛應用於骨軟骨和骨修復。與羥基磷灰石(HAP)相比，納米羥基磷灰石(nHAP)具有溶解度較高、表面能較大、吸附性更強、斷裂韌性和力學性能增強以及更佳的成骨活性等優點。公開號為CN 101020083A的中國發明專利申請公開了ー種具有仿生功能界面骨軟骨複合組織一體化工程支架，從上至下由軟骨層、鈣化層和軟骨下骨層組成，軟骨層由11型膠原和殼聚糖組成，II型膠原/殼聚糖以共價鍵形式連接，鈣化層由II型膠原和羥基磷灰石組成，II型膠原/羥基磷灰石以共價鍵形式連接，軟骨下骨層由I型膠原和羥基磷灰石組成，I型膠原/羥基磷灰石以共價鍵形式連接，在軟骨層和軟骨下骨層內都設置有ー個以上的空隙，空隙的孔徑為100 u nT500 u m,雖然該技術方案中軟骨層材料具有較好的生物相容性，軟骨下骨層中羥基磷灰石可以具有較好的機械強度，鈣化層的材料加強了組織間的連接強度，但是II型膠原、殼聚糖、I型膠原均沒有較好的力學性能，單純地依靠羥基磷灰石以及層中組分的相應設置來増加力學強度，其仿生功能界面骨軟骨複合組織一體化工程支架仍然會存在強度不佳的缺點。

發明內容
本發明提供了一種高強度連續梯度複合支架，解決了傳統多層支架的界面缺陷問題，能夠在保持支架具備力學性能和生物功能的同時，更好地滿足骨軟骨天然結構的多層次要求。—種高強度連續梯度複合支架，由水凝膠和磁性複合納米粒子組成，其中，所述的磁性複合納米粒子在所述高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和89Γ70%，所述的磁性複合納米粒子的重量百分含量從所述高強度連續梯度複合支架的頂部至底部逐漸增多形成連續梯度分布；所述的水凝膠為聚乙烯醇的水凝膠或者聚乙烯醇與天然材料兩者的水凝膠；所述的磁性複合納米粒子為納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子(m-nHAP)o所述的鐵的氧化物為三氧化二鐵(即氧化鐵)或四氧化三鐵。
當磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的底部的重量百分含量小於8%時，骨中的成骨細胞的粘附和增殖會明顯降低，不利於成骨細胞的生長，當磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的底部的重量百分含量大於70%時，高強度連續梯度複合支架的壓縮強度會明顯下降，孔徑過大，不利於成骨細胞的生長。所述高強度連續梯度複合支架的頂部是指距離其頂面小於等於其高度15%的部分，所述高強度連續梯度複合支架的底部是指距離其底面小於等於其高度15%的部分。作為優選，所述的天然材料為I型膠原(Col I)、II型膠原(Col II)、明膠(Gelatin)等中的一種或兩種以上。本發明高強度連續梯度複合支架從另一個角度出發，跳出了多層支架傳統的構建思路，使磁性複合納米粒子在本發明高強度連續梯度複合支架內部形成連續梯度分布的結構。聚乙烯醇力學性能較佳，天然材料具有較好的生物相容性以及促軟骨活性，所述的磁性複合納米粒子由具有較佳成骨活性的納米羥基磷灰石(nHAP)與具有較好生物相容性和生物安全性的鐵的氧化物(三氧化二鐵或四氧化三鐵)複合形成。本發明高強度連續梯度複合支架以力學性能較好的聚乙烯醇為支架材料，同時引入具有連續梯度分布的磁性複合納米粒子共同構建骨軟骨組織工程支架，使得本發明高強度連續梯度複合支架在保持支架具備力學性能和生物功能的同時，更好的滿足了骨軟骨天然結構(軟骨層-鈣化層-軟骨下骨層)的多層次要求。作為優選，所述的高強度連續梯度複合支架上有孔徑為I μ m 50 μ m的孔，合適的孔徑適合細胞生長，所述的高強度連續梯度複合支架的吸水率為50% 90%。本發明高強度連續梯度複合支架中，由上至下，磁性複合納米粒子從無到有，由少增多，形成連續梯度分布，其餘為水凝膠，作為優選，所述的磁性複合納米粒子在所述高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和35°/Γ70%，能夠具有較佳的力學性能和孔徑，並且非常有利於成骨細胞的生長，在滿足了骨軟骨天然結構的多層次要求下，使得本發明高強度連續梯度複合支架具有高強度的力學性能。本發明還提供了一種高強度連續梯度複合支架的製備方法，避免了多層支架的傳統構建方法導致的界面缺陷問題，採用磁場誘導的方法使納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子在本發明高強度連續梯度複合支架內部形成連續的梯度分布。一種高強度連續梯度複合支架的製備方法，包括以下步驟I)將聚乙烯醇或者聚乙烯醇與天然材料溶解於水中，得到聚合物溶液；
2)將納米羥基磷灰石/鐵的氧化物(三氧化ニ鐵或四氧化三鐵)的磁性複合納米粒子分散在水中，經超聲分散得到磁性複合納米粒子懸浮液；3)將步驟I)中的聚合物溶液和步驟2)中的磁性複合納米粒子懸浮液混合均勻，得到混合液，將混合液注入模具，在凝膠化以前通過磁場誘導方法將混合液中的納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子呈連續梯度分布，之後採用循環冷凍解凍的方法使混合液凝膠化，得到高強度連續梯度複合支架。步驟I)中，作為優選，所述的聚合物溶液中聚こ烯醇的重量百分含量為2% 10%，能夠有效提高高強度連續梯度複合支架的力學 強度。天然材料的添加量為少量。步驟2)中，納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子(m-nHAP)可參照現有公開文獻「開發釕-羥基磷灰石封裝的Y-Fe2O3的納米晶作為ー種有效的分子氧氧化催化劑」製備([l]Mori K，Kanai S，Hara T, Mizugaki T, Ebitani K, Jitsukawa K，etal. Development of ruthenium-hydroxyapatite-encapsulated superparamagneticgamma-Fe203 nanocrystallites as an efficient oxidation catalyst by molecularoxygen. Chem Mater. 2007; 19:1249-56.),可以通過反應溫度的方式，將鐵的氧化物控制為三氧化ニ鐵或四氧化三鉄，得到納米羥基磷灰石/三氧化ニ鐵的磁性複合納米粒子(Y-Fe2O3AiHAP)或者納米羥基磷灰石/四氧化三鐵的磁性複合納米粒子(Fe304/nHAP)。作為優選，所述的磁性複合納米粒子懸浮液中納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子的重量百分含量為39T8%，從而非常有利於納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子呈連續梯度分布。步驟3)中，所述的聚合物溶液與磁性複合納米粒子懸浮液的質量比為0. r4. 5
Io步驟3)中，所述的磁場誘導方法為在磁場強度600(Tl0000高斯的磁場下誘導0. Ih 240h，可以有效控制梯度水凝膠呈梯度的程度。所述的循環冷凍解凍的方法中，冷凍的溫度為_40°C _5°C，冷凍的時間為2h 24h，解凍的溫度為4°C 37°C，解凍的時間為2h 24h，循環冷凍解凍的次數為2次 15次，形成凝膠化的同時從而可以提高本發明高強度連續梯度複合支架的力學強度。經循環冷凍解凍即可形成孔，孔徑為I U m 50 ii m。與現有技術相比，本發明具有如下優點本發明高強度連續梯度複合支架跳出了多層支架傳統的構建思路，使磁性複合納米粒子在本發明高強度連續梯度複合支架內部形成連續梯度分布的結構。本發明高強度連續梯度複合支架以力學性能較好的聚こ烯醇為支架材料，同時引入具有連續梯度分布的磁性複合納米粒子共同構建骨軟骨組織工程支架，使得本發明高強度連續梯度複合支架在保持支架具備力學性能和生物功能的同時，更好的滿足了骨軟骨天然結構(軟骨層-鈣化層-軟骨下骨層)的多層次要求。本發明高強度連續梯度複合支架的製備方法，該方法與多層支架的傳統構建方法不同，避免了多層支架的傳統構建方法導致的界面缺陷問題，採用磁場誘導的方法使納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子在本發明高強度連續梯度複合支架內部形成連續的梯度分布，其易於實施和控制，有利於エ業化生產，並具有廣闊的應用前景。


圖I為實施例I製備的聚乙烯醇水凝膠支架和高強度連續梯度複合支架的壓縮強度對比圖；圖2為實施例I製備的高強度連續梯度複合支架中納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子梯度分布曲線圖。
具體實施例方式以下通過具體實施例對本發明作進一步闡釋。實施例中的聚乙烯醇簡寫為PVA，I型膠原簡寫為Col I，II型膠原簡寫為Col II，明膠簡寫為Gel，納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子簡寫為m-nHAP，m-nHAP為Y -Fe2O3AiHAP或者Fe3O4AiHAP，納米羥基磷灰石簡寫為nHAP。
製備例IY -Fe2O3MiAP納米粒子的製備採用N2吹泡的方法將30ml去離子水中溶解的氧氣去除，然後將I. 85mmol FeCl2 · 4H20和3. 7mmol FeCl3 · 6H20加入上述無氧的去離子水中至其完全溶解，形成鐵鹽水溶液，將鐵鹽水溶液加入至IOml NH4OH中，90°C水浴並持續磁力攪拌300r/min，lh後生成部分為Y-Fe2O3納米粒子的原溶液。在部分為Y-Fe2O3納米粒子的原溶液中，先後加入 33. 7mmol Ca(NO3)2 · 4H20 (調 pH=ll)和 20mmol (NH4)2HPO4 (調PH=II )，90°C水浴並持續磁力攪拌300r/min，2h後，再經室溫陳化72h得到納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子溶液。將磁鐵放在盛有納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子溶液的燒杯的底部，利用磁場將Y -Fe2O3AiHAP吸於杯底，將含有未與Y -Fe2O3反應的nHAP的上清液傾倒，並用去離子水將Y -Fe2O3AiHAP多次洗滌至中性，得到純m-nHAP。製備例2Fe3O4AiHAP納米粒子的製備採用N2吹泡的方法將30ml去離子水中溶解的氧氣去除，然後將I. 85mmol FeCl2 · 4H20和3. 7mmol FeCl3 · 6H20加入上述無氧的去離子水中至其完全溶解，形成鐵鹽水溶液，將鐵鹽水溶液加入至IOml NH4OH中，在常溫25°C下磁力攪拌300r/min，Ih後生成Fe3O4納米粒子原溶液。在Fe3O4納米粒子原溶液中，先後加入33. 7mmol Ca(NO3)2 · 4H20 (調 pH=ll)和 20mmoI (NH4)2HPO4 (調 pH=ll)，在常溫 25°C下磁力攪拌300r/min，2h後，再經室溫陳化24h得到納米羥基磷灰石/四氧化三鐵的磁性複合納米粒子(Fe3O4AiHAP)溶液。將磁鐵放在盛有納米羥基磷灰石/四氧化三鐵的磁性複合納米粒子溶液的燒杯的底部，利用磁場將Fe3O4AiHAP吸於杯底，將含有未反應的nHAP的上清液傾倒，並用去離子水將Fe3O4AiHAP多次洗滌至中性，得到純m-nHAP。實施例II)將3. Og PVA (聚合度1750±50，國藥集團化學試劑上海有限公司)溶解於29. 7g去離子水中，加熱使之溶解，得到32. 7g的聚合物溶液；2)將製備例I製備的12g純m-nHAP分散在294. 3g的去離子水中，經超聲分散得到306. 3g的磁性複合納米粒子懸浮液；3)將步驟I)中的聚合物溶液和步驟2)中的磁性複合納米粒子懸浮液混合均勻，得到混合液，將混合液注入模具，在凝膠化以前通過磁場強度為8000高斯的磁場誘導96h將混合液中的m-nHAP呈連續梯度分布，之後採用循環冷凍解凍的方法使混合液凝膠化，循環冷凍解凍的方法中，冷凍溫度為-30°C，冷凍時間為15h，解凍溫度為25°C，解凍時間為15h，循環冷凍解凍(即循環凍融)的次數為6次，混合液凝膠化後得到高強度連續梯度複合支架，該高強度連續梯度複合支架為圓柱形，直徑為8mm，高度為7mm。高強度連續梯度複合支架上有孔徑為10μπΓ30μπι的孔，吸水率為86%，壓縮強度為15. 0±1. 7MPa。將步驟I)製備的聚合物溶液直接經步驟3)中的循環冷凍解凍的方法使其凝膠化，製得聚乙烯醇水凝膠支架，用作對比。將本實施例製備的聚乙烯醇水凝膠支架和高強度連續梯度複合支架用型號為Instron5567萬能材料試驗機測試其壓縮強度，壓縮速度為lmm/min，最大壓縮形變為98%，壓縮強度結果如圖I所示。其他實施例的測試壓縮強度的方法同上。將本實施例的高強度連續梯度複合支架用熱失重(TGA)的方法測試在不同高度下測試其組成，具體方法採用梅特勒TGA/DSC1儀器，25°C 800°C，加熱速率20°C /min。將圓柱形高強度連續梯度複合支架沿其軸向平均分成7份測試樣品，每份測試樣品大小直 徑為8mm、高度為1mm，每份測試樣品在梅特勒TGA/DSC1儀器中煅燒，PVA被燒掉，只剩下m-nHAP的質量，不同測試樣品中m-nHAP的質量與每份測試樣品的總質量之百分比如圖2所示。如圖2所示，高強度連續梯度複合支架整體上由水凝膠和納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子組成，納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和65%，納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子的重量百分含量從該高強度連續梯度複合支架的頂部至底部逐漸增多形成連續梯度分布，具體詳見圖2。其他實施例在不同高度下測試其組成的方法同上。成骨細胞在高強度連續梯度複合支架上生長行為的定量評價方法成骨細胞採用hFOBl. 19人SV40轉染成骨細胞，購自中國科學院細胞庫，從37°C、5%C02的孵箱中取出鋪滿成骨細胞的培養瓶，吸出舊培養液，PBS緩衝液清洗2次，加入O. 25%胰酶(Gibco)後，在37°C、5%C02的孵箱中作用4min，倒置光學顯微鏡下觀察，見大部分(約80%)細胞開始回縮成球形，立即加入適量的全液[全液由重量百分含量89%DMEM nutrientmix F12培養基(Gibco)、10%胎牛血清(Gibco)以及1%青黴素-鏈黴素(Gibco)組成]終止消化，吹打使細胞分散均勻，細胞記數板記數(細胞密度I. O X IO5個/ml)後，將2ml細胞懸液(第8代)接種於24孔板中的高強度連續梯度複合支架上(直徑8mm，厚度7mm)隨後將樣品放在37°C、5%C02的孵箱中培養7天後，將樣品換到新的24孔細胞培養板中，每孔加2ml全液，再加200 μ I CCK-8液(C008-3，上海七海復泰生物科技有限公司)，在37°C、5%C02的孵箱中孵化6h至溶液染色變深，每孔中取200 μ I反應液於96孔培養板中，450nm波長下用酶標儀(MDSpectra Max 190)測溶液的吸光度(0D)。實施例I製備的聚乙烯醇水凝膠支架的吸光度值為O. 49±0. 04，實施例I製備的高強度連續梯度複合支架的吸光度值為1.62±0.03。其他實施例的高強度連續梯度複合支架的吸光度值評價方法同上。實施例2I)將I. Og PVA (聚合度1750±50，國藥集團化學試劑上海有限公司)溶解於9. 9g去離子水中，加熱使之溶解，得到Al溶液，再將O. 5g Col I溶解於24. 5g去離子水中得到A2溶液，將Al溶液和A2溶液混合，得到35. 9g的聚合物溶液；
2)將製備例I製備的I. Og純m-nHAP分散在24. 5g的去離子水中，經超聲分散得到25. 5g的磁性複合納米粒子懸浮液；3)將步驟I)中的聚合物溶液和步驟2)中的磁性複合納米粒子懸浮液混合均勻，得到混合液，將混合液注入模具，在凝膠化以前通過磁場強度為8000高斯的磁場誘導120h將混合液中的m-nHAP呈連續梯度分布，之後採用循環冷凍解凍的方法使混合液凝膠化，循環冷凍解凍的方法中，冷凍溫度為-22. 5°C，冷凍時間為13h，解凍溫度為20. 5°C，解凍時間為13h，循環凍融次數為8次，混合液凝膠化後得到高強度連續梯度複合支架，該高強度連續梯度複合支架為圓柱形，直徑為8mm，高度為7mm。高強度連續梯度複合支架上有孔徑為5μπι 10 μ m的孔，吸水率為68%，壓縮強度為17. 0±1. 5MPa。將本實施例的高強度連續梯度複合支架在不同高度下測試其組成，整體上由水凝膠和納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子組成，納米羥基磷灰石/三氧化二 鐵的磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為 0%和35%，納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子的重量百分含量從該高強度連續梯度複合支架的頂部至底部逐漸增多形成連續梯度分布。實施例2製備的高強度連續梯度複合支架通過成骨細胞定量評價方法得到的吸光度值為I. 31 ±0. 06。實施例3I)將2. Og PVA (聚合度1750±50，國藥集團化學試劑上海有限公司)溶解於19. 8g去離子水中，加熱使之溶解，得到Al溶液，再將O. 02g Col II溶解於I. 98g去離子水中得到A2溶液，將Al溶液和A2溶液混合，得到23. 8g的聚合物溶液；2)將製備例2製備的O. 224g純m-nHAP分散在5. 490g的去離子水中，經超聲分散得到5. 714g的磁性複合納米粒子懸浮液；3)將步驟I)中的聚合物溶液和步驟2)中的磁性複合納米粒子懸浮液混合均勻，得到混合液，將混合液注入模具，在凝膠化以前通過磁場強度為6000高斯的磁場誘導240h將混合液中的m-nHAP呈連續梯度分布，之後採用循環冷凍解凍的方法使混合液凝膠化，循環冷凍解凍的方法中，冷凍溫度為-40°C，冷凍時間為2h，解凍溫度為37°C，解凍時間為24h，循環凍融次數為2次，混合液凝膠化後得到高強度連續梯度複合支架，該高強度連續梯度複合支架為圓柱形，直徑8mm，高度為7mm。高強度連續梯度複合支架上有孔徑為I μ m 5 μ m的孔，吸水率為82%，壓縮強度32. O ±3. 8MPa。將本實施例的高強度連續梯度複合支架在不同高度下測試其組成，整體上由水凝膠和納米羥基磷灰石/四氧化三鐵的磁性複合納米粒子組成，納米羥基磷灰石/四氧化三鐵的磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和8%，納米羥基磷灰石/四氧化三鐵的磁性複合納米粒子的重量百分含量從該高強度連續梯度複合支架的頂部至底部逐漸增多形成連續梯度分布。實施例3製備的高強度連續梯度複合支架通過成骨細胞定量評價方法得到的吸光度值為O. 81±0. 11。實施例4I)將I. 50g PVA (聚合度1750±50，國藥集團化學試劑上海有限公司)溶解於14. 80g去離子水中，加熱使之溶解，得到Al溶液，再將O. 40g Gel溶解於19. 60g去離子水中得到A2溶液，將Al溶液和A2溶液混合，得到36. 3g的聚合物溶液；2)將製備例I製備的O. 48g純m_nHAP分散在11. 17g的去離子水中，經超聲分散得到11. 65g的磁性複合納米粒子懸浮液；3)將步驟I)中的聚合物溶液和步驟2)中的磁性複合納米粒子懸浮液混合均勻，得到混合液，將混合液注入模具，在凝膠化以前通過磁場強度為10000高斯的磁場誘導0. Ih將混合液中的m-nHAP呈連續梯度分布，之後 採用循環冷凍解凍的方法使混合液凝膠化，循環冷凍解凍的方法中，冷凍溫度為_5°C，冷凍時間為24h，解凍溫度為4°C，解凍時間為2h，循環凍融次數為15次，混合液凝膠化後得到高強度連續梯度複合支架，該高強度連續梯度複合支架為圓柱形，直徑為8mm，高度為7mm。高強度連續梯度複合支架上有孔徑為3um~ 6um的孔，吸水率為60%，壓縮強度26. 0±2. 8MPa。將本實施例的高強度連續梯度複合支架在不同高度下測試其組成，整體上由水凝膠和納米羥基磷灰石/三氧化ニ鐵的磁性複合納米粒子組成，納米羥基磷灰石/三氧化ニ鐵的磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和18%，納米羥基磷灰石/三氧化ニ鐵的磁性複合納米粒子的重量百分含量從該高強度連續梯度複合支架的頂部至底部逐漸增多形成連續梯度分布。實施例4製備的高強度連續梯度複合支架通過成骨細胞定量評價方法得到的吸光度值為0. 87 ±0. 07。實施例5I)將0.80g PVA(聚合度1750±50，國藥集團化學試劑上海有限公司)溶解於7.91g去離子水中，加熱使之溶解，得到Al溶液，再將0. Olg Col I和0. Olg Col II溶解於0.98g去離子水中得到A2溶液，將Al溶液和A2溶液混合，得到9. Hg的聚合物溶液；2)將製備例I製備的0.35g純m-nHAP分散在8. 23g的去離子水中，經超聲分散得到8. 58g的磁性複合納米粒子懸浮液；3)將步驟I)中的聚合物溶液和步驟2)中的磁性複合納米粒子懸浮液混合均勻，得到混合液，將混合液注入模具，在凝膠化以前通過磁場強度為8000高斯的磁場誘導IOh將混合液中的m-nHAP呈連續梯度分布，之後採用循環冷凍解凍的方法使混合液凝膠化，循環冷凍解凍的方法中，冷凍溫度為-10°C，冷凍時間為20h，解凍溫度為15°C，解凍時間為20h，循環凍融次數為12次，混合液凝膠化後得到高強度連續梯度複合支架，該高強度連續梯度複合支架為圓柱形，直徑為8mm，高度為7mm。高強度連續梯度複合支架上有孔徑為4iim 8iim的孔，吸水率為65%，壓縮強度為22. 0±3. 4MPa。將本實施例的高強度連續梯度複合支架在不同高度下測試其組成，整體上由水凝膠和納米羥基磷灰石/三氧化ニ鐵的磁性複合納米粒子組成，納米羥基磷灰石/三氧化ニ鐵的磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和28%，納米羥基磷灰石/三氧化ニ鐵的磁性複合納米粒子的重量百分含量從該高強度連續梯度複合支架的頂部至底部逐漸增多形成連續梯度分布。實施例5製備的高強度連續梯度複合支架通過成骨細胞定量評價方法得到的吸光度值為I. 15±0. 09。實施例6I)將0. 80g PVA(聚合度1750±50，國藥集團化學試劑上海有限公司)溶解於7. 91g去離子水中，加熱使之溶解，得到Al溶液，再將0. Olg Col I和0. Olg Gel溶解於0.98g去離子水中得到A2溶液，將Al溶液和A2溶液混合，得到9. Hg的聚合物溶液；2)將製備例I製備的0.35g純m-nHAP分散在8. 23g的去離子水中，經超聲分散得到8. 58g的磁性複合納米粒子懸浮液；
3)將步驟I)中的聚合物溶液和步驟2)中的磁性複合納米粒子懸浮液混合均勻，得到混合液，將混合液注入模具，在凝膠化以前通過磁場強度為8000高斯的磁場誘導10h，將混合液中的m-nHAP呈連續梯度分布，之後採用循環冷凍解凍的方法使混合液凝膠化，循環冷凍解凍的方法中，冷凍溫度為-10°C，冷凍時間為20h，解凍溫度為15°C，解凍時間為20h，循環凍融次數為12次，混合液凝膠化後得到高強度連續梯度複合支架，該高強度連續梯度複合支架為圓柱形，直徑為8mm，高度為7mm。高強度連續梯度複合支架上有孔徑為5 μ m 7 μ m的孔，吸水率為63%，壓縮強度為20. O ±2. IMPa0將本實施例的高強度連續梯度複合支架在不同高度下測試其組成，整體上由水凝膠和納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子組成，納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和26%，納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子的重量百分含量從該高強度連續梯度複合支架的頂部至底部逐漸增多形成連續梯度分布。實施例6製備的高強度連續梯度複合支架通過成骨細胞定量評價方法得到的吸光度值為1.08±0. 12。實施例7 I)將0.80g PVA(聚合度1750±50，國藥集團化學試劑上海有限公司)溶解於7.91g去離子水中，加熱使之溶解，得到Al溶液，再將O. Olg Col II和O. Olg Gel溶解於O. 98g去離子水中得到A2溶液，將Al溶液和A2溶液混合，得到9. 71g的聚合物溶液；2)將製備例I製備的O. 35g純m-nHAP分散在8. 23g的去離子水中，經超聲分散得到8. 58g的磁性複合納米粒子懸浮液；3)將步驟I)中的聚合物溶液和步驟2)中的磁性複合納米粒子懸浮液混合均勻，得到混合液，將混合液注入模具，在凝膠化以前通過磁場強度為8000高斯的磁場誘導IOh將混合液中的m-nHAP呈連續梯度分布，之後採用循環冷凍解凍的方法使混合液凝膠化，循環冷凍解凍的方法中，冷凍溫度為-10°C，冷凍時間為20h，解凍溫度為15°C，解凍時間為20h，循環凍融次數為12次，混合液凝膠化後得到高強度連續梯度複合支架，該高強度連續梯度複合支架為圓柱形，直徑為8mm，高度為7mm。高強度連續梯度複合支架上有孔徑為3 μ m 6 μ m的孔，吸水率為55%，壓縮強度為18. 3 ±3. 5MPa。將本實施例的高強度連續梯度複合支架在不同高度下測試其組成，整體上由水凝膠和納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子組成，納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和25%，納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子的重量百分含量從該高強度連續梯度複合支架的頂部至底部逐漸增多形成連續梯度分布。實施例7製備的高強度連續梯度複合支架通過成骨細胞定量評價方法得到的吸光度值為1.04±0. 10。實施例8I)將0.80g PVA(聚合度1750±50，國藥集團化學試劑上海有限公司)溶解於7.91g去離子水中，加熱使之溶解，得到Al溶液，再將O. OlgCol I、0. 005g Col II和O. 005g Gel溶解於O. 98g去離子水中得到A2溶液，將Al溶液和A2溶液混合，得到9. 71g的聚合物溶液；2)將製備例I製備的O. 35g純m-nHAP分散在8. 23g的去離子水中，經超聲分散得到8. 58g的磁性複合納米粒子懸浮液；
3)將步驟I)中的聚合物溶液和步驟2)中的磁性複合納米粒子懸浮液混合均勻，得到混合液，將混合液注入模具，在凝膠化以前通過磁場強度為8000高斯的磁場誘導20h將混合液中的m-nHAP呈連續梯度分布，之後採用循環冷凍解凍的方法使混合液凝膠化，循環冷凍解凍的方法中，冷凍溫度為-8V，冷凍時間為10h，解凍溫度為6°C，解凍時間為10h，循環凍融次數為11次，混合液凝膠化後得到高強度連續梯度複合支架，該高強度連續梯度複合支架為圓柱形，直徑為8mm，高度為7mm。高強度連續梯度複合支架上有孔徑為2 μ m 6 μ m的孔，吸水率為60%，壓縮強度為19. 2 ±3. 8MPa。將本實施例的高強度連續梯度複合支架在不同高度下測試其組成，整體上由水凝膠和納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子組成，納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和22%，納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合納米粒子的重量百分含量從該高強度連續梯度複合支架的頂部至底部逐漸增多形成連續梯度分布。實施例8製備的高強度連續梯度複合支架通過成骨細胞定量評價方法得到的吸光度值為O. 99±O. 08。此外，還對高強度連續梯度複合支架(納米羥基磷灰石/三氧化二鐵的磁性複合 納米粒子在高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和80%)通過成骨細胞定量評價方法得到吸光度值為O. 55±0. 08，結合實施例廣8的高強度連續梯度複合支架的吸光度值可知，磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和359Γ70%，非常有利於成骨細胞的生長，並且從壓縮強度的力學數據可知，具有較佳的力學性能。
權利要求
1.一種高強度連續梯度複合支架,其特徵在於，由水凝膠和磁性複合納米粒子組成，其中，所述的磁性複合納米粒子在所述高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和89Γ70%，所述的磁性複合納米粒子的重量百分含量從所述高強度連續梯度複合支架的頂部至底部逐漸增多形成連續梯度分布； 所述的水凝膠為聚乙烯醇的水凝膠或者聚乙烯醇與天然材料兩者的水凝膠； 所述的磁性複合納米粒子為納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子。
2.根據權利要求I所述的高強度連續梯度複合支架，其特徵在於，所述的天然材料為I型膠原、II型膠原、明膠中的一種或兩種以上。
3.根據權利要求I所述的高強度連續梯度複合支架，其特徵在於，所述的高強度連續梯度複合支架上有孔徑為I μ m 50 μ m的孔。
4.根據權利要求I所述的高強度連續梯度複合支架，其特徵在於，所述的磁性複合納米粒子在所述高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和359^70%。
5.根據權利要求Γ4任一項所述的高強度連續梯度複合支架的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟 1)將聚乙烯醇或者聚乙烯醇與天然材料溶解於水中，得到聚合物溶液； 2)將納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子分散在水中，經超聲分散得到磁性複合納米粒子懸浮液； 3)將步驟I)中的聚合物溶液和步驟2)中的磁性複合納米粒子懸浮液混合均勻，得到混合液，將混合液注入模具，在凝膠化以前通過磁場誘導方法將混合液中的納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子呈連續梯度分布，之後採用循環冷凍解凍的方法使混合液凝膠化，得到高強度連續梯度複合支架。
6.根據權利要求5所述的高強度連續梯度複合支架的製備方法，其特徵在於，步驟I)中，所述的聚合物溶液中聚乙烯醇的重量百分含量為2°/Γ Ο%。
7.根據權利要求5所述的高強度連續梯度複合支架的製備方法，其特徵在於，步驟2)中，所述的磁性複合納米粒子懸浮液中納米羥基磷灰石/鐵的氧化物的磁性複合納米粒子的重量百分含量為3% 8%。
8.根據權利要求5所述的高強度連續梯度複合支架的製備方法，其特徵在於，步驟3)中，所述的聚合物溶液與磁性複合納米粒子懸浮液的質量比為O. Γ4. 5 :1。
9.根據權利要求5所述的高強度連續梯度複合支架的製備方法，其特徵在於，步驟3)中，所述的磁場誘導方法為在磁場強度600(Tl0000高斯的磁場下誘導O. Ih 240h。
10.根據權利要求5所述的高強度連續梯度複合支架的製備方法，其特徵在於，步驟3)中，所述的循環冷凍解凍的方法中，冷凍的溫度為_40°C _5°C，冷凍的時間為2h 24h，解凍的溫度為4°C 37°C，解凍的時間為2h 24h，循環冷凍解凍的次數為2次 15次。
全文摘要
本發明公開了一種高強度連續梯度複合支架，涉及生物醫學材料領域，由水凝膠和磁性複合納米粒子組成，磁性複合納米粒子在高強度連續梯度複合支架的頂部和底部的重量百分含量分別為0%和8%~70%，磁性複合納米粒子的重量百分含量從高強度連續梯度複合支架的頂部至底部逐漸增多形成連續梯度分布；水凝膠為聚乙烯醇的水凝膠或者聚乙烯醇與天然材料兩者的水凝膠。本發明高強度連續梯度複合支架解決了傳統多層支架的界面缺陷問題，能夠在保持支架具備力學性能和生物功能的同時，更好地滿足骨軟骨天然結構的多層次要求。本發明還公開了一種高強度連續梯度複合支架的製備方法，其易於實施和控制，具有廣闊的應用前景。
文檔編號A61L27/26GK102861361SQ20121034642
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月18日 優先權日2012年9月18日
發明者侯瑞霞, 付俊, 程亞軍, 張國花 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所