一種多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料，具體涉及多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法。本發(fā)明方案包括以下步驟：將Nano-HA和PLLA材料在50～70℃下混合，超聲波震蕩，然后電磁攪拌至Nano-HA完全分散均勻得到凝膠；然后將凝膠轉(zhuǎn)入-5～-3℃下進行低溫成型并填入生物材料即得多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料。本發(fā)明的方法將Nano-HA和PLLA復(fù)合制備三維多孔的Nano-HA/PLLA人工骨，該三維多孔的人工骨支架材料綜合了Nano-HA和PLLA兩者的優(yōu)點，提高柔韌性和生物降解性，改善生物力學(xué)性能，更加有利于骨細(xì)胞的粘附生長和血管化，極大地提高骨缺損處移植人工骨的愈合速度及效果。
【專利說明】一種多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料，具體涉及一種多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]骨組織工程的研究和發(fā)展為臨床上骨缺損的修復(fù)和治療提供了嶄新的思路，并逐漸引起研究者的興趣。其中，三維多孔支架材料是骨組織工程的重要基礎(chǔ)，它不僅起支撐作用，保持原有組織的形狀，而且還起到模板作用，為細(xì)胞提供賴以寄宿、生長、分化和增殖的場所，從而引導(dǎo)受損組織的再生和控制再生組織的結(jié)構(gòu)。但目前骨組織工程支架的研究和應(yīng)用仍面臨著許多問題，如材料體內(nèi)降解不可控，細(xì)胞繁殖效率低，降解產(chǎn)物引起炎性反應(yīng)，細(xì)胞去分化等。尤其是在力學(xué)性能方面，單一的使用聚合物或陶瓷材料作為支架材料存在強度弱或脆性大的問題，都無法滿足承力骨修復(fù)的要求。
[0003]羥基磷灰石（Hydroxy-apatite,簡稱HA)是最常見的一種生物活性材料,它具有與人體骨組織相似的無機成分，是目前公認(rèn)的具有較好生物相容性和骨傳導(dǎo)性的生物活性陶瓷材料。但HA人工骨仍存在著力學(xué)性能差、不能承重、缺乏骨誘導(dǎo)活性、骨滲入深度有限、不能完全降解等較多缺點。目前已有納米羥基磷灰石（Nano-HA)應(yīng)用于臨床骨缺損的修復(fù)。但因骨骼本身是一種具有很高韌性和硬度的天然納米復(fù)合材料，它主要由納米級的片狀羥基磷灰石結(jié)晶分散在骨膠原骨架中組成，而骨膠原和羥基磷灰石本身都不能作為結(jié)構(gòu)材料，因此以Nano-HA作為單一成分的人工骨仍然不能滿足理想人工骨的要求。
[0004]聚乳酸（Polylactic acid,簡稱PLLA)是目前組織工程研究和應(yīng)用最為廣泛的一類材料，這類材料無毒，無抗原性，具有良好的可降解吸收性、生物安全性和力學(xué)強度，可以通過控制成份含量來調(diào)節(jié)材料的降解速度，使產(chǎn)品性質(zhì)的重復(fù)性和力學(xué)性能達到較高水平。除了作為手術(shù)縫合線和藥物緩釋載體外，PLLA也用作醫(yī)療縫合補強材料、骨折內(nèi)固定材料和組織工程材料。`

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決目前骨組織工程支架存在的缺陷，滿足支架的性能要求，將Nano-HA與PLLA進行復(fù)合，提供一種新的多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法。
[0006]本發(fā)明的方法創(chuàng)造性地使用低溫快速成型的技術(shù)，將Nano-HA和PLLA復(fù)合制備三維多孔的Nano-HA/PLLA人工骨，該三維多孔的人工骨支架材料綜合了 Nano-HA和PLLA兩者的優(yōu)點，使其在良好骨傳導(dǎo)性和生物相容性的基礎(chǔ)上，提高柔韌性和生物降解性，改善生物力學(xué)性能，更加有利于骨細(xì)胞的粘附生長和血管化，極大地提高骨缺損處移植人工骨的愈合速度及效果，是一種理想的新型納米復(fù)合人工骨材料。
[0007]本發(fā)明的方案為：
[0008]一種多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法，包括以下步驟：[0009]將Nano-HA和PLLA材料在50~70°C下混合，超聲波震蕩，然后電磁攪拌至Nano-HA完全分散均勻得到凝膠；然后將凝膠轉(zhuǎn)入_5~_3°C下進行低溫成型并填入生物材料即得多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料。
[0010]另一優(yōu)選方案，包括以下步驟：
[0011](I)將PLLA溶解于有機溶劑里，60°C水浴中攪拌形成PLLA/有機溶劑的均相溶液；將不同質(zhì)量比的Nano-HA加入上述溶液中，超聲波震蕩各15min、電磁攪拌至Nano-HA完全分散均勻制得凝膠；
[0012](2)將凝膠轉(zhuǎn)入低溫冷凍快速成型儀中_4°C條件下進行低溫快速成型，通過RIPF工藝成形具有一定間隔的平行的冰線，將配制好的生物材料填入冰線間的間隔，將填了生物材料后的表面刮平，使得冰線和生物材料交替排列；在正交方向成形下一層冰線，重復(fù)以上步驟；
[0013](3)成形后，將冰和生物材料構(gòu)成的實體拿到冷藏室，冰融化后再將產(chǎn)品置于真空冷凍干燥機去除有機溶劑；風(fēng)干后即得多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料。
[0014]另一優(yōu)選方案，所述步驟（I)中有機溶劑是1，4-二氧六環(huán)。
[0015]另一優(yōu)選方案,所述Nano-HA通過如下方法制得：
[0016]將硝酸鈣與磷酸銨的水溶液進行化學(xué)合成，合成過程中，加入氨水調(diào)整溶液的pH值為8~13，添加分散劑，攪拌使其沉淀完全，然后經(jīng)洗滌、過濾，將沉淀物在80~120°C干燥，再在600~800°C溫度下燒結(jié)2~3小時，得到Nano-HA粉末。
[0017]另一優(yōu)選方案，所述PLLA通過如下方法制得：
[0018]①丙交酯的制備：取乳酸與ZnO粉末，逐漸升溫使乳酸脫水變?yōu)楸货?；然后升溫抽真空蒸出淡黃色丙交酯單體，再以乙酸乙酯為溶劑反復(fù)洗滌、重結(jié)晶提純，抽濾，真空干燥，得純凈丙交酯單體；
[0019]②PLLA的合成：純凈丙交酯單體，加入辛酸亞錫引發(fā)劑，常溫下真空干燥一定時間后，在硅油浴中浸泡3~5min，密封反應(yīng)瓶，升溫至單體剛?cè)刍瘯r反復(fù)搖動反應(yīng)瓶至混合均勻，聚合完成后取出反應(yīng)瓶；
[0020]③PLLA的純化：粗制PLLA中加入二氯甲烷使其完全溶解，過濾，濾液中加入甲醇至沉淀完全，再過濾，甲醇洗滌，真空干燥，得到白色純PLLA。
[0021]本發(fā)明方法制備的多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料，一方面可提高材料韌性，滿足骨替換植入材料的機械強度要求，另一方面聚乳酸的酸性降解產(chǎn)物可被HA緩沖，同時HA的骨傳導(dǎo)性可提供良好的骨細(xì)胞粘附生長環(huán)境，復(fù)合物的多孔結(jié)構(gòu)則為細(xì)胞生長、組織再生及血管化提供條件，符合骨組織工程的生物學(xué)要求。
[0022]由于Nano-HA或PLLA單獨使用時都難以滿足骨支架材料的需要，通過對兩類材料進行復(fù)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，得到強度韌性俱佳、具備良好生物相容性、骨傳導(dǎo)性的理想的可降解骨支架材料：①羥基磷灰石材料具有相對較慢的生物降解率，與聚乳酸復(fù)合后可以通過改變兩者在材料中的比例達到對生物降解率的控制，使之適應(yīng)骨折的愈合速度，保持良好的力學(xué)性能羥基磷灰石在降解過程中釋放出的Ca、P等離子重新循環(huán)于骨折局部的修復(fù)過程中，加速了骨折的愈合，與此同時也中和聚乳酸材料降解過程中釋放出來的酸性分解物，保持局部微環(huán)境的穩(wěn)定，減少酸性產(chǎn)物導(dǎo)致的組織反應(yīng)。③Nano-HA的微結(jié)構(gòu)類似天然骨基質(zhì)，骨與植入材料間成骨細(xì)胞作用顯著，生物活性優(yōu)于HA，易吸收；Nano-HA骨傳導(dǎo)作用較強，其支架材料上成骨細(xì)胞內(nèi)ALP的合成，細(xì)胞的分化、增殖、鈣鹽的沉積均較非納米材料組活躍。④復(fù)合材料降解速度減慢，避免PLLA降解過快，在短期內(nèi)釋放大量酸性產(chǎn)物引起無菌性炎性反應(yīng)。⑤復(fù)合材料中的PLLA降解時產(chǎn)生的乳酸對骨折愈合有抑制作用，HA在酸性環(huán)境中溶解度增加，可改變局部pH值，溶解釋放的Ca2+、PO3離子可能參與局部骨基質(zhì)的鈣化，對新骨的形成和骨結(jié)合有促進作用。
【具體實施方式】
[0023]以下提供本發(fā)明優(yōu)選的【具體實施方式】，以助于進一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于這些實施例。
[0024]本實施例多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法技術(shù)方案如下：
[0025]I.采用溶膠-絮凝法合成Nano-HA。
[0026]2.采用開環(huán)聚合法合成PLLA。
[0027]3.采用低溫快速成型技術(shù)合成多孔納米復(fù)合支架材料。
[0028]其中，所述Nano-HA的合成方法如下：
[0029]將硝酸鈣與磷酸銨的水溶液進行化學(xué)合成，合成過程中，加入一定量的氨水，調(diào)整溶液的PH值為8~13，添加分散劑，攪拌使其沉淀完全，然后經(jīng)洗滌、過濾，將沉淀物在80~120°C干燥，在600~800°C溫度下燒結(jié)2~3小時，得到粉末粒徑小于lOOnm、與人體骨組織成份相似的Nano-HA粉末。
[0030]其中，所述PLLA的合成方法如下：
[0031]①丙交酯的制備： 取乳酸與ZnO粉末，逐漸升溫使乳酸脫水變?yōu)楸货?；然后升溫抽真空蒸出淡黃色丙交酯單體，再以乙酸乙酯為溶劑反復(fù)洗滌、重結(jié)晶提純，抽濾，真空干燥，得無色片狀純丙交酯晶體。
[0032]②PLLA的合成：純凈丙交酯單體，加入辛酸亞錫引發(fā)劑，常溫下真空干燥一定時間后，在硅油浴中浸泡3-5min，密封反應(yīng)瓶，升溫至單體剛?cè)刍瘯r反復(fù)搖動反應(yīng)瓶至混合均勻，然后聚合完成后取出反應(yīng)瓶。
[0033]③PLLA的純化：粗制PLLA中加入二氯甲烷使其完全溶解，過濾，濾液中加入甲醇至沉淀完全，再過濾，甲醇洗滌，真空干燥，得到白色純PLLA。
[0034]④PLLA分子量的測定：稱取一定量的PLLA溶解于三氯甲烷中，用烏氏粘度法測定，計算相對粘均分子質(zhì)量。
[0035]其中，所述多孔納米復(fù)合支架材料的合成方法如下：
[0036]將不同質(zhì)量比例的Nano-HA和塊狀PLLA材料共2g，使Nano-HA在復(fù)合材料中的比例分別為（0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70% )，采用低溫快速成型技術(shù)制作成立方體狀多孔支架材料。具體步驟如下：
[0037]①將PLLA溶解于1，4_ 二氧六環(huán)，并于60°C水浴中攪拌配制PLLA/1，4_ 二氧六環(huán)均相溶液；將不同質(zhì)量比的Nano-HA加入上述溶液中，超聲波震蕩各15min、電磁攪拌12小時后至Nano-HA完全分散均勻制得凝膠。
[0038]②成型后的凝膠轉(zhuǎn)入低溫冷凍快速成型儀中_4°C條件下進行低溫快速成型，通過RIPF工藝成形具有一定間隔的平行的冰線，將配制好的生物材料填入冰線間的間隔，將填了生物材料后的表面刮平，使得冰線和生物材料交替排列。在正交方向成形下一層冰線，重復(fù)以上步驟。
[0039]③成形后，將冰和生物材料構(gòu)成的實體拿到冷藏室，冰融化剩下的空間即為骨組織支架所需的縱橫交錯、彼此連通的大孔。
[0040]④得到的樣品置于真空冷凍干燥機去除有機溶劑；風(fēng)干2天后取出樣品，有機溶劑升華后支架材料留下了大量更為微細(xì)的孔洞，表面噴金后經(jīng)電鏡掃描，并測量孔隙率。
[0041]I、多孔納米羥基磷灰石/聚乳酸（Nano-HA/PLLA)人工骨的生物力學(xué)測試，采用三點抗彎法在生物力學(xué)測試機上測定各個比例的多孔納米羥基磷灰石/聚乳酸（Nano-HA/PLLA)人工骨材料的壓縮強度、抗彎強度和彎曲模量見表1 :
[0042]表1多孔Nano-HA/PLLA人工骨力學(xué)性能比較(n=8，7 土 s)
[0043]
【權(quán)利要求】
1.一種多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法，其特征是，包括以下步驟： 將Nano-HA和PLLA材料在50~70°C下混合，超聲波震蕩，然后電磁攪拌至Nano-HA完全分散均勻得到凝膠；然后將凝膠轉(zhuǎn)入-5~_3°C下進行低溫成型并填入生物材料即得多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法，其特征是，包括以下步驟： (1)將PLLA溶解于有機溶劑里，60°C水浴中攪拌形成PLLA/有機溶劑的均相溶液；將不同質(zhì)量比的Nano-HA加入上述溶液中，超聲波震蕩各15min、電磁攪拌至Nano-HA完全分散均勻制得凝膠； (2)將凝膠轉(zhuǎn)入低溫冷凍快速成型儀中_4°C條件下進行低溫快速成型，通過RIPF工藝成形具有一定間隔的平行的冰線，將配制好的生物材料填入冰線間的間隔，將填了生物材料后的表面刮平，使得冰線和生物材料交替排列；在正交方向成形下一層冰線，重復(fù)以上步驟； (3)成形后，將冰和生物材料構(gòu)成的實體拿到冷藏室，冰融化后再將產(chǎn)品置于真空冷凍干燥機去除有機溶劑；風(fēng)干后即 得多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法，其特征是，所述步驟（I)中有機溶劑是1，4- 二氧六環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或者3所述多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法，其特征是，所述Nano-HA通過如下方法制得： 將硝酸鈣與磷酸銨的水溶液進行化學(xué)合成，合成過程中，加入氨水調(diào)整溶液的PH值為8~13，添加分散劑，攪拌使其沉淀完全，然后經(jīng)洗滌、過濾，將沉淀物在80~120°C干燥，再在600~800°C溫度下燒結(jié)2~3小時，得到Nano-HA粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或者3所述多孔納米復(fù)合骨組織工程支架材料的制備方法，其特征是，所述PLLA通過如下方法制得： ①丙交酯的制備：取乳酸與ZnO粉末，逐漸升溫使乳酸脫水變?yōu)楸货ィ蝗缓笊郎爻檎婵照舫龅S色丙交酯單體，再以乙酸乙酯為溶劑反復(fù)洗滌、重結(jié)晶提純，抽濾，真空干燥，得純凈丙交酯單體； ②PLLA的合成：純凈丙交酯單體，加入辛酸亞錫引發(fā)劑，常溫下真空干燥一定時間后，在硅油浴中浸泡3~5min，密封反應(yīng)瓶，升溫至單體剛?cè)刍瘯r反復(fù)搖動反應(yīng)瓶至混合均勻，聚合完成后取出反應(yīng)瓶； ③PLLA的純化：粗制PLLA中加入二氯甲烷使其完全溶解，過濾，濾液中加入甲醇至沉淀完全，再過濾，甲醇洗滌，真空干燥，得到白色純PLLA。
【文檔編號】A61L27/18GK103480036SQ201310431859
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】王大平, 黃江鴻, 熊建義, 朱偉民, 劉建全, 尤微, 段莉, 張巨峰, 陳潔琳 申請人:深圳市第二人民醫(yī)院