羥基磷灰石晶須增強可降解共聚物‑矽酸鈣複合骨修復材料的製備方法與流程
2023-12-07 02:25:51
本發明涉及一種用於骨組織缺損修復的可降解有機-無機複合型的骨修復材料的製備方法，具體講是一種羥基磷灰石晶須增強乳酸-鹼性胺基酸共聚物-矽酸鈣複合的骨修復材料的製備方法。
背景技術：
在骨組織癒合過程中，可降解的生物材料在體液中水和酶的作用下，可形成組織進(生長)—材料退(降解或者吸收)的理想組織再生狀態而受到廣泛關注。而對於支撐型骨修復降解材料必須滿足兩點要求，1)材料保持一定的降解速度，為新生骨組織提供生長空間；2)材料具有良好的初始強度，滿足支撐修復需求，且，降解的過程中，必須維持足夠的強度，滿足骨組織癒合過程中的力學要求。
可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料(201510034938.X)是一種新型的活性無機鹽/可降解高分子複合骨修復材料，該材料使用鹼性胺基酸，除可調節和改變共聚物的降解速度，特別是能使材料在體內降解後所產生的鹼性胺基酸與乳酸的酸性相互中和，以降低降解產物對組織的刺激作用。同時，該材料採用矽酸鈣作為無機活性成份，矽鈣鹽相對於不含矽的活性鹽如磷酸三鈣、磷酸氫鈣等具有更高的生物活性。
然而，可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料(201510034938.X)的動物體內植入研究中發現，雖然可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料降解情況良好，成骨活性高，但其初始強度不足，且降解過程中衰減過快，不能提供組織癒合過程中所需的支撐要求。因此，該材料不能完全滿足支撐型骨修復需求。
為此，如何提高材料的初始強度和降解過程中的強度保持是必須進行研究的課題。一般地，無機粒子填充在高分子機體中，無機粒子對高分子具有明顯的增強作用，例如利用碳酸鈣增強PVC作為建築材料使用，碳纖維增強PEEK材料作為承重部位骨修復材料使用。但由於矽酸鈣的特殊結構，其對高分子的增強作用並不明顯。
晶須是在人工控制條件下以單晶形式生長成的一種纖維，其直徑非常小，以致難容納在大晶體中常出現的缺陷，其原子高度有序，因而強度接近於完整晶體的理論值，不僅具有優良的耐高溫、高熱、耐腐蝕性能，還具有重量輕，高強度、硬度和模量等力學優點。因此，晶須增強聚合物基複合材料是一種提高強度的有效方式。
技術實現要素：
針對上述情況，本發明首先提供了一種新形式的羥基磷灰石晶須增強可降解複合骨修復材料，具體講是一種採用納米羥基磷灰石增強的可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料。本發明進一步還提供了該增強複合骨修復材料的製備方法。
本發明羥基磷灰石增強可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料的製備方法，可以按下述方式進行：
1'：將所述的L-乳酸和鹼性胺基酸及催化量的催化劑，在120±5℃和0.1Mpa壓力條件下脫水2小時，所述的催化劑為氯化亞錫，其量控制在反應物總質量的0.1‐0.9％，其中優選比例為0.3‐0.6％。
2'：140±5℃和0.01Mpa壓力下反應3小時後，在5000Pa壓力下繼續反應12～18小時，完成預聚合反應。由於反應初期形成的低聚物分子量很低，保持在相對較高的壓力下反應，可以有效避免這些低分子產物可能隨減壓被排出反應體系，待反應一段時間後，隨低聚物的分子量的提高，可以進一步逐漸降低反應體系的壓力，以獲得較高分子量的產物；
3'：使低聚物進一步在180℃-200℃和70pa條件下反應10-15小時，完成聚合反應。保持在較高真空度條件下完成聚合反應，可有利於排出反應產生的水等小分子物質，獲得分子量足夠高的共聚物；
4'：將所述的羥基磷灰石晶須與反應物混合，在180℃-200℃和70pa壓力條件下繼續反應1小時，得到晶須增強的聚合物；後，冷卻至室溫，得到所述複合材料目標產物。
5'：將所述的矽酸鈣與反應物混合，在180℃-200℃和70pa壓力條件下繼續反應2小時後，冷卻至室溫，得到所述複合材料目標產物。
本發明方法製備得到的羥基磷灰石晶須增強可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料，其是由可降解的乳酸-鹼性胺基酸共聚物與矽酸鈣複合組成，並採用晶須增強，其中矽酸鈣為所述骨修復材料總質量的10～35％，羥基磷灰石晶須為總質量的10-20％，矽酸鈣和羥基磷灰石晶須的質量之和不超過所述骨修復材料的45％，不低於25％。乳酸-鹼性胺基酸共聚物由L-乳酸與α-鹼性胺基酸賴氨酸聚合而成。
研究已經證明，對於支撐型骨修復材料，初始強度要滿足骨組織癒合過程中的力學支撐需求。對於降解材料而言，由於降解過程中，材料力學強度會有不同程度的下降，因此，必須有高的初始強度。為了提高材料的初始強度，無機粒子增強是常用的方式，但無機粒子加入的量達到一定程度時，材料的強度增加但同時材料轉變為脆性材料，不適合用於骨組織修復。同時，作為生物材料，增強相必須具有良好的生物相容性和生物活性，於人體安全且成骨效果良好。基於此，本發明採用了羥基磷灰石晶須增強，以期獲得良好的初始強度。同時，羥基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性，可滿足骨修復的基本需求。為了使得到的材料不至於變脆，本發明對無機組分羥基磷灰石的晶須和矽酸鈣的總量進行了控制，使其不超過45％。晶須的添加量也是影響材料的力學強度的重要因素。本發明在試驗的基礎上總結得到，晶須的添加量低於10％時，增強效果不明顯，高於20％時，材料的力學強度開始下降。因此，本發明將羥基磷灰石晶須的量限定在10-20％，其中，優選的量為20％。
本發明骨修復材料中，矽酸鈣為所述骨修復材料總質量的10～35％，優選為所述骨修復材料總質量的25～35％，其中矽酸鈣的添加量低於10％時，矽離子量過低，不利於成骨，在添加量高於35％時，複合材料中無機物總量大於45％，材料轉變為脆性材料。
本發明上述羥基磷灰石晶須增強可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料在體內可以被降解，因此材料中所述的鹼性胺基酸是可為人體吸收利用的賴氨酸。
本發明所述複合骨修復材料中使用鹼性胺基酸，除可調節和改變共聚物的降解速度，特別是能使材料在體內降解後所產生的鹼性胺基酸與乳酸的酸性相互中和，以降低降解產物對組織的刺激作用。基於此，所述聚合物中，乳酸與鹼性胺基酸的摩爾比的(60～80)：(20～40)優選比例為65:35，在二者的摩爾比低於60:40時，聚合物分子量較低，力學強度差，在二者的摩爾比高於80:20時，鹼性胺基酸量過低，降解產物偏酸性，不利於成骨。
研究表明，良好的生物活性即快速的表面磷灰石沉積能力可促使材料與組織形成良好的骨性結合，可加快骨組織癒合，是理想骨修復材料的特點之一。本專利中，試驗顯示，羥基磷灰石晶須加入可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料後，不僅提高了材料的力學強度，而且提高了材料的生物活性。增強材料的體外試驗表明，材料表面形成磷灰石層的速度明顯較未增強材料快。
本發明羥基磷灰石晶須可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料的初始壓縮強度大於70Mpa，初始彎曲強度大於60Mpa。
綜上，本發明方法製備得到羥基磷灰石晶須可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料的力學性能優良，修復效果也較好，可用於植骨融合、顱骨修復等承力部位的骨修復，且在體內可降解，能為骨組織提供鈣、磷、矽離子，且降解產物對周圍環境無明顯影響，臨床應用前景良好。
顯然，根據本發明的上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更。
以下通過實施例形式的具體實施方式，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。凡基於本發明上述內容所實現的技術均屬於本發明的範圍。
附圖說明
圖1納米羥基磷灰石晶須，直徑50nm-300nm，長度1um-5um。
圖2，可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料在模擬體液中浸泡1天後的表面沉積物照片(a)，羥基磷灰石晶須增強可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料(b)在模擬體液中浸泡1填後的表面沉積物照片。
圖3人工椎板。
圖4頸椎融合器。
圖5椎體製品。
具體實施方式
羥基磷灰石晶須，四川國納科技有限公司提供。
實施例1
將0.65摩爾乳酸，0.35摩爾賴氨酸，催化劑氯化亞錫(其量為反應物總質量的0.4％)加入反應釜中，攪拌均勻，保持壓力0.1Mpa，升溫至120℃±5℃，脫水2小時；升溫至140℃±5℃，反應的前3小時內保持壓力0.01Mpa，之後保持壓力5000Pa並繼續反應15小時；之後，升溫至180℃-200℃，壓力70Pa，反應12小時，得乳酸-鹼性胺基酸共聚物；然後加入羥基磷灰石晶須20g，同樣條件反應1小時，再加入矽酸鈣70g，同樣條件繼續反應2小時，冷卻至室溫得到複合材料。
將材料加工為10mm×15mm×30mm的立方體樣品用於壓縮強度測試，10mm×4mm×100mm的樣品用於彎曲測試。結果表明，材料的壓縮強度為92Mpa，彎曲強度為78Mpa。同時，將力學樣條用於降解試驗，以磷酸緩衝液作為浸泡液，將圓片浸泡，樣品質量：浸泡液體積為1g：30ml。浸泡12周後，材料失重率達到21％，浸泡液pH在7.0-7.5範圍內波動。浸泡12周後的樣條的殘餘壓縮強度為66Mpa，彎曲為53Mpa，仍與骨組織強度相當。
實施例2
將0.65摩爾乳酸，0.35摩爾賴氨酸，催化劑氯化亞錫(其量為反應物總質量的0.4％)加入反應釜中，攪拌均勻，保持壓力0.1Mpa，升溫至120℃±5℃，脫水2小時；升溫至140℃±5℃，反應的前3小時內保持壓力0.01Mpa，之後保持壓力5000Pa並繼續反應18小時；之後，升溫至180℃-200℃，壓力70Pa，反應15小時，得乳酸-鹼性胺基酸共聚物；然後加入羥基磷灰石晶須40g，同樣條件反應1小時，再加入矽酸鈣50g，同樣條件繼續反應2小時，冷卻至室溫得到複合材料。
將材料加工為10mm×15mm×30mm的立方體樣品用於壓縮強度測試，10mm×4mm×100mm的樣品用於彎曲測試。結果表明，材料的壓縮強度為113Mpa，彎曲強度為86Mpa。同時，將力學樣條用於降解試驗，以磷酸緩衝液作為浸泡液，將圓片浸泡，樣品質量：浸泡液體積為1g：30ml。浸泡12周後，材料失重率達到12％，浸泡液pH在7.1-7.3範圍內波動。浸泡12周後的樣條的殘餘壓縮強度為81Mpa，彎曲為61Mpa，仍與骨組織強度相當。
實施例3
取實施例1或2製備的複合材料，採用常規的注塑、熱壓或者通用的機加工的方式製備臨床所需要的各種形狀的產品。
注塑通常用於製備厚度薄、不規則形狀的製品。以製備圖3人工椎板為例進行說明。首先按照製品形狀加工模具，然後將模具裝到注塑機上，設定製品注塑溫度，其範圍是140℃-185℃，設定注塑壓力，其範圍是40-90Mpa。在此條件下進行注塑即可得到注塑製品。
熱壓方法是將複合材料粉末放入模具中，然後在一定溫度範圍內塑化即可得到製品。以製備如圖4的頸椎融合器為例，將複合材料粉末裝入模具中，170℃±5℃的範圍內塑化5-10分鐘，冷卻至室溫後即可得到相應製品。
機加工方法是利用合成的複合材料的塊體通過車、銑、刨、磨、鑽等方式製備製品。圖5所示的椎體製品即可通過機加工方式製備。
對比例1
按照實施例1的條件，進行材料合成，得到不加晶須的材料得到的(乳酸-賴氨酸)/矽酸鈣材料，加工成實施例1所述的樣品進行力學和降解試驗。材料的初始壓縮強度為65Mpa，彎曲強度為46Mpa。浸泡12周後，材料失重率達到31％，材料的殘餘壓縮強度為33Mpa，完全強度為25Mpa，不能滿足力學支撐需求。
實驗例1本發明修復材料與現有技術修復材料的修復效果比較
按照實施例1和對比例進行材料合成，得到羥基磷灰石晶須增強可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料，將材料製備成直徑10mm，厚度2mm的圓片，放入模擬體液中浸泡，浸泡1天後取出，掃描電鏡下觀察表面磷灰石的形成情況，結果如圖2所示。
圖2a是未增強的材料表面磷灰石沉積情況，圖2b是未增強羥基磷灰石晶須增強後的材料表面磷灰石沉積情況。可見，羥基磷灰石晶須增強材料的表面磷灰石沉積物明顯多於未增強材料。
綜上，本發明方法製備得到羥基磷灰石晶須可降解共聚物-矽酸鈣複合骨修復材料的力學性能優良，修復效果也較好，可用於植骨融合、顱骨修復等承力部位的骨修復，且在體內可降解，能為骨組織提供鈣、磷、矽離子，且降解產物對周圍環境無明顯影響，臨床應用前景良好。