一種仿生多層結構軟骨植入材料的製備方法
2023-10-18 07:03:59 1
專利名稱：一種仿生多層結構軟骨植入材料的製備方法
技術領域：
本發明屬於生物醫用材料或生物複合材料技術領域，特別是提供了一種仿生多層結構軟骨植入材料的製備方法。
背景技術：
在生物體中，軟骨組織承受骨骼傳導的負荷，能夠吸收震蕩，起到緩衝擠壓應力和剪切應力以及減小關節面運動時的摩擦和磨損的作用。軟骨由軟骨細胞和基質組成，正常的成熟軟骨細胞代謝緩慢，生長分化能力低。軟骨組織一旦發生損傷或病變，其自身修復和自愈能力極其有限，必須進行關節軟骨的修復和移植。軟骨組織疾病是臨床骨外科的常見現象，據統計我國每年大約有10萬名是由軟骨病變引起的關節病患者。目前臨床上關節軟骨的治療主要採用自體或異體軟骨移植和關節假體置換，但異體軟骨移植存在供體來源有限、潛在傳染病毒和免疫排斥等問題，因此必須研究和開發具有優異生物力學性能和替代軟骨功能的人工軟骨材料和植入體來滿足關節軟骨治療的需求。
目前研究較多的人工軟骨材料主要有金屬-超高分子量聚乙烯對磨關節假體、矽橡膠、聚氨酯關節軟墊材料、聚乙烯醇水凝膠等。這些軟骨假體雖然在一定程度上能起到替代軟骨的作用，但還存在易磨損鬆動、界面潤滑性差、缺乏生物活性等不足，尤其在成分和結構上的單一性，很難真正實現代替軟骨功能。例如，採用輻射交聯和冷凍-熔融交聯等方法可得到高結晶度的聚乙烯醇水凝膠彈性體，具有優異的強度、彈性和延展性能，以及良好的生物相容性、高含水量、多微孔組織和水透過性，其理化性能和生物學性能比其它人工合成材料更接近生物組織，是一種較理想的軟骨替代材料。但PVA水凝膠表面光滑，沒有生物活性，作為軟骨假體植入關節部位時與骨基底的結合性能差，影響了軟骨的固定和修復功能，我們採用PVA與生物活性羥基磷灰石複合來解決這個問題(有關技術已獲得國家發明專利授權)，但同時又帶來導致PVA潤滑性下降的問題；而且現有的提高軟骨假體表面潤滑性的方法又可能使其生物力學性能下降。如何賦予軟骨植入材料高的生物力學性能，同時使其具有優異的表面潤滑性和生物活性連接性，這是國內外均沒有解決的難題。
眾所周知，成熟的關節軟骨根據結構和功能變化可分為淺表層、中層、深層和鈣化層。其中淺表層的細胞呈梭形，長軸平行於關節面，膠原纖維沿切線方向排列，主要承受剪切負荷和潤滑作用；中層和深層的軟骨細胞漸呈橢圓形、圓形、直至柱形，膠原纖維粗大且垂直方向排列，主要承受擠壓負荷；鈣化層的鈣化基質和深層的部分縱向纖維起著將關節軟骨面牢固地固定在軟骨下骨質上的作用。其不同層次的結構和功能保證了軟骨的生物力學性能和生理功能。為此，本發明根據天然軟骨的結構，提出了一種表層為耐磨潤滑層，中間層為受力層，底層為骨生物活性連接層的新型仿生多層結構軟骨植入材料的製備方法。
發明內容
本發明的目的在於提供一種仿生多層結構軟骨植入材料的製備方法，通過該方法可以獲得一種表層為耐磨潤滑層，中間層為受力層，底層為骨生物活性連接層的仿生多層結構複合水凝膠人工軟骨植入材料，從根本上解決了現有水凝膠軟骨材料難以同時滿足潤滑性、生物活性和生物力學性能的問題，使人工軟骨材料在結構和功能上與天然軟骨更接近。
本發明的製備工藝如下a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精製後在85～95℃恆溫水浴或110～150MPa壓力鍋中溶於的二次蒸餾水中，配製為重量百分比濃度為15～30％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤滑層製備分別在PVA水溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、殼聚糖、透明質酸或透明質酸鈉(HA)，其中聚乙烯吡咯烷酮和殼聚糖加入量為PVA重量的5～40％，殼聚糖應在0.1～20％的稀酸溶液中溶解2～48小時後在加入PVA溶液中；HA先溶於生理鹽水中配製為均勻溶液，再加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的濃度為0.1～3％重量百分比。上述混合溶液在85～95℃下充分攪拌後，靜置12～48小時或真空排氣2～8小時，至氣泡完全排除(溶液II)。
c、生物活性層製備分別採用羥基磷灰石、珊瑚羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、生物活性玻璃和同種異體骨的顆粒或塊體與PVA水溶液複合，可採用以下方法之一(1)分別將羥基磷灰石、珊瑚羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、生物活性玻璃和同種異體骨等研磨至30μm以下，加入至85～95℃PVA水溶液中，生物活性成分的含量為PVA重量的5～20％，並用超聲分散儀處理1～5小時以上，得到均勻懸浮溶液III。(2)在劇烈攪拌下將重量百分比濃度為2％～20％的乙醇鈣溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比為1.0～3.0配製成濃度H3PO4無水乙醇溶液，振蕩攪拌均勻後，緩慢滴加到上述PVA溶液中，充分攪拌反應後得到PVA/納米羥基磷灰石或PVA/納米磷酸三鈣複合溶液(溶液III)。(3)分別將多孔狀羥基磷灰石，珊瑚羥基磷灰石，β-磷酸三鈣，生物活性玻璃和同種異體骨等塊體切割為正方體或圓柱體狀，置於帶活塞的模具中，注入PVA溶液並用活塞作用將其完全充滿多孔材料中，得到液-固複合的混合溶液(溶液III)。
d、多層結構水凝膠製備將溶液III注入在圓柱狀或矩形的模具中，厚度為0.1～10mm，施加0.1～10Mpa的壓力壓實；再注入溶液I，厚度1～20mm；施加壓力壓實；注入溶液II，厚度為0.05～5mm，加壓壓實。
e、將上述模具置入-10～-40℃的冰箱中，冷凍3～24小時，然後於15～40℃溶融2～10小時，經反覆冷凍-熔融2～8次，即得到一種仿生多層結構軟骨植入材料。
本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果採用本發明提供的製備方法，可以得到一種表層為耐磨潤滑層，中間層為受力層，底層為骨生物活性連接層的新型仿生多層結構軟骨植入材料，與天然軟骨的結構和功能相似，其不同層次的結構和功能保證了軟骨的生物力學性能和生理功能，採用本方法得到的軟骨植入材料的在無水對磨時表面摩擦係數可小於0.1，彈性模量可大於15Mpa，達到甚至超過天然軟骨的性能；植入動物軟骨8周後，可觀察到有骨組織長入軟骨植入體中，即軟骨材料與骨基底形成了牢固的骨連接，實現了在滿足軟骨植入材料高的生物力學性能要求的同時，賦予其優異的表面潤滑性和生物活性連接性。此外採用本方法所得到的多層材料，層與層之間緊密結合，在本體材料破壞前，各層之間不會明顯分界或剝離，具有很好的結構和性能穩定性。
具體實施例方式
實施例1a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精製後在90℃恆溫水浴中，配製為重量百分比濃度為15％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤滑層製備在PVA水溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，加入量為PVA重量的10％，混合溶液在90℃下充分攪拌後，靜置24小時，至氣泡完全排除後得到溶液II。
c、生物活性層製備將珊瑚羥基磷灰石研磨至30μm以下，加入至90℃PVA水溶液中，珊瑚羥基磷灰石的含量為PVA重量的10％，並用超聲分散儀處理3小時，得到均勻懸浮溶液III。
d、多層結構水凝膠製備將溶液III注入在圓柱狀或方形的模具中，厚度為1mm，施加0.3的壓力壓實；再注入溶液I，厚度2mm；施加壓力壓實；注入溶液II，厚度為0.5mm，加壓壓實。
e、將上述模具置入-20℃的冰箱中，冷凍6小時，然後於25℃溶融8小時，經反覆冷凍-熔融4次，即得到一種仿生多層結構軟骨植入材料。
實施例2a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精製後在95℃恆溫水浴中，配製為重量百分比濃度為30％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤滑層製備將殼聚糖在0.5％的稀乙酸溶液中溶解24小時後，加入PVA溶液中，殼聚糖加入量為PVA重量的8％；將混合溶液在95℃下充分攪拌後，真空排氣6小時，至氣泡完全排除，得到溶液II。
c、生物活性層製備將生物活性玻璃研磨至30μm以下，加入至95℃PVA水溶液中，其含量為PVA重量的15％，用超聲分散儀處理5小時以上，得到均勻懸浮溶液III。
d、多層結構水凝膠製備將溶液III注入在圓柱狀的模具中，厚度為3mm，施加3Mpa的壓力壓實；再注入溶液I，厚度5mm；施加壓力壓實；注入溶液II，厚度為1mm，加壓壓實。
e、將上述模具置入-30℃的冰箱中，冷凍4小時，然後於30℃溶融10小時，經反覆冷凍-熔融6次，即得到一種仿生多層結構軟骨植入材料。
實施例3a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精製後在125MPa壓力鍋中溶於的二次蒸餾水中，配製為重量百分比濃度為20％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤滑層製備將透明質酸(HA)溶於生理鹽水中配製為均勻溶液，加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的濃度為0.15％重量百分比。上述混合溶液在95℃下充分攪拌後，靜置48小時，至氣泡完全排除後得到溶液II。
c、生物活性層製備在劇烈攪拌下將重量百分比濃度為5％的乙醇鈣溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比為2.0配製成濃度H3PO4無水乙醇溶液，振蕩攪拌均勻後，緩慢滴加到上述PVA溶液中，充分攪拌反應後得到PVA/納米磷酸三鈣複合溶液(溶液III)。
d、多層結構水凝膠製備將溶液III注入在矩形模具中，厚度為5mm，施加5Mpa的壓力壓實；再注入溶液I，厚度8mm；施加壓力壓實；注入溶液II，厚度為2mm，加壓壓實。
e、將上述模具置入-20℃的冰箱中，冷凍10小時，然後於25℃溶融8小時，經反覆冷凍-熔融8次，即得到一種仿生多層結構軟骨植入材料。
實施例4a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精製後在115MPa壓力鍋中溶於的二次蒸餾水中，配製為重量百分比濃度為25％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤滑層製備將透明質酸鈉(HA)溶於生理鹽水中配製為均勻溶液，再加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的濃度為2.5％重量百分比。上述混合溶液在90℃下充分攪拌後，真空排氣8小時，至氣泡完全排除得到溶液II。
c、生物活性層製備多孔狀同種異體骨塊體切割為正方體，置於帶活塞的模具中，注入PVA溶液並用活塞作用將其完全充滿多孔材料中，得到液-固複合的混合溶液(溶液III)。
d、多層結構水凝膠製備將溶液III注入矩形模具中，厚度為8mm，施加9Mpa的壓力壓實；再注入溶液I，厚度15mm；施加壓力壓實；注入溶液II，厚度為5mm，加壓壓實。
e、將上述模具置入-35℃的冰箱中，冷凍20小時，然後於35℃溶融8小時，經反覆冷凍-熔融6次，即得到一種仿生多層結構軟骨植入材料。
實施例5a、將分析純聚乙烯醇(PVA)精製後在95℃恆溫水浴中，配製為重量百分比濃度為25％的均勻水溶液(溶液I)。
b、潤滑層製備在PVA水溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，加入量為PVA重量的20％，混合溶液在95℃下充分攪拌後，真空抽氣6小時，至氣泡完全排除後得到溶液II。
c、生物活性層製備生物活性層製備在劇烈攪拌下將重量百分比濃度為5％的乙醇鈣溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比為1.67配製成濃度H3PO4無水乙醇溶液，振蕩攪拌均勻後，緩慢滴加到上述PVA溶液中，充分攪拌反應後得到PVA/納米羥基磷灰石複合溶液(溶液III)。
d、多層結構水凝膠製備將溶液III注入圓柱狀模具中，厚度為4mm，施加1MPa的壓力壓實；再注入溶液I，厚度為8mm；施加壓力壓實；注入溶液II，厚度為2mm，加壓壓實。
e、將上述模具置入-20℃的冰箱中，冷凍6小時，然後於30℃溶融8小時，經反覆冷凍-熔融4次，即得到一種仿生多層結構軟骨植入材料。
權利要求
1.一種仿生多層結構軟骨植入材料的製備方法，其特徵在於製備工藝為a、潤滑層製備分別在PVA水溶液，稱為溶液I中加入聚乙烯吡咯烷酮PVP、殼聚糖、透明質酸或透明質酸鈉HA，其中聚乙烯吡咯烷酮和殼聚糖加入量為PVA重量的5～40％，殼聚糖應在0.1～20％的稀酸溶液中溶解2～48小時後在加入PVA溶液中；HA先溶於生理鹽水中配製為均勻溶液，再加入PVA水溶液中，HA在PVA溶液中的濃度為0.1～3％重量百分比；上述混合溶液在85～95℃下充分攪拌後，靜置12～48小時或真空排氣2～8小時，至氣泡完全排除得到溶液II；b、生物活性層製備分別採用羥基磷灰石、珊瑚羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、生物活性玻璃和同種異體骨的顆粒或塊體與PVA水溶液複合，得到PVA/生物活性成分複合溶液，稱為溶液III；c、多層結構水凝膠製備將溶液III注入在圓柱狀或矩形的模具中，厚度為0.1～10mm，施加0.1～10Mpa的壓力壓實；再注入溶液I，厚度1～20mm；施加壓力壓實；注入溶液II，厚度為0.05～5mm，加壓壓實；d、將上述模具置入-10～-40℃的冰箱中，冷凍3～24小時，然後於15～40℃溶融2～10小時，經反覆冷凍-熔融2～8次，得到一種仿生多層結構軟骨植入材料。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，生物活性層溶液III的製備方法為分別將羥基磷灰石、珊瑚羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、生物活性玻璃和同種異體骨等研磨至30μm以下，加入至85～95℃PVA水溶液中，生物活性成分的含量為PVA重量的5～20％，並用超聲分散儀處理1～5小時以上，得到均勻懸浮溶液III。
3.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，生物活性層溶液III的製備方法為在劇烈攪拌下將重量百分比濃度為2％～20％的乙醇鈣溶液加入PVA溶液中；按Ca/P比為1.0～3.0配製成濃度H3PO4無水乙醇溶液，振蕩攪拌均勻後，緩慢滴加到上述PVA溶液中，充分攪拌反應後得到PVA/納米羥基磷灰石或PVA/納米磷酸三鈣複合溶液。
4.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於生物活性層溶液III的製備方法為分別將多孔狀羥基磷灰石，珊瑚羥基磷灰石，β-磷酸三鈣，生物活性玻璃和同種異體骨等塊體切割為正方體或圓柱體狀，置於帶活塞的模具中，注入PVA溶液並在活塞作用下將其完全充滿多孔材料中，得到液-固複合的混合溶液。
全文摘要
本發明提供了一種仿生多層結構軟骨植入材料的製備方法，屬於生物醫用材料或生物複合材料技術領域。工藝包括潤滑層製備、生物活性層製備、多層結構水凝膠製備，將PVA/生物活性成分複合溶液注入在圓柱狀或矩形的模具中，再注入PVA溶液，施加壓力壓實；注入PVA潤滑層溶液，加壓壓實；將上述模具置於－10～－40℃的冰箱中，經反覆冷凍—熔融2～8次，得到仿生多層結構軟骨植入材料。優點在於得到的軟骨植入材料表層為耐磨潤滑層，中間層為受力層，底層為骨生物活性連接層，在無水對磨時表面摩擦係數小於0.1，彈性模量大於15MPa，達到天然軟骨的性能，實現了在滿足軟骨植入材料高的生物力學性能要求的同時，賦予其優異的表面潤滑性和生物活性連接性。
文檔編號A61F2/30GK1718250SQ20051001225
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月26日 優先權日2005年7月26日
發明者鄭裕東, 楊槐, 姚學鋒, 王迎軍, 謝建新 申請人:北京科技大學