一種基于袋鼠骨骼的人工骨支架復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高分子材料和生物醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種制備簡單，抗壓強(qiáng)度和生物相容性好的基于袋鼠骨骼的人工骨支架復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人工骨替代材料移植修復(fù)骨缺損成為醫(yī)學(xué)重點。性能優(yōu)良的人工骨支架須滿足一定的力學(xué)強(qiáng)度以避免內(nèi)部的細(xì)胞損傷;多孔的三維結(jié)構(gòu)以利于細(xì)胞附著和生長生長;支架材料的降解周期與骨愈合相當(dāng)，而且要求具有良好的生物相容性。目前的支架材料存在支架材料的降解率不能和新生組織的形成率相適應(yīng);支架材料與軟骨細(xì)胞生長的天然環(huán)境不適應(yīng);支架的力學(xué)強(qiáng)度不夠等。傳統(tǒng)的合成植入體如鈦合金人工骨則常需二次手術(shù)取出，對患者身體造成二次傷害?，F(xiàn)有的PLA/PLGA、PLA/PLGA/TCP人工骨支架雖然具有良好的生物活性和生物相容性，但抗壓強(qiáng)度相對較弱;研究如何能在保持生物相容性的同時克服力學(xué)缺陷，其多孔的支架結(jié)構(gòu)可與成骨細(xì)胞結(jié)合，推動生理性骨重建，是醫(yī)學(xué)和生物材料科學(xué)領(lǐng)域的一個重要課題。
[0003]本發(fā)明研究組成員與澳大利亞科學(xué)家對袋鼠骨骼的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輸入的研究，利用Mimi cs、Imageware和Unigraphi Cs軟件，實現(xiàn)了 CT數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和袋鼠小腿腔骨的三維重建，成功區(qū)分了皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨。同時測得袋鼠骨骼的密度為1.6g/cm3，鋁2014-T6的密度為2.63g/cm3，鋼A36的密度為7.8g/cm3，袋鼠骨骼沿軸向的彈性模量為175GPa，與鋼的彈性模量200GPa相近，證明了袋鼠骨骼是極其堅韌且輕質(zhì)的復(fù)合材料。為此，本發(fā)明擬研究一種能解決上述缺陷的人工骨支架復(fù)合材料的制備方法，能在保持生物相容性的同時克服力學(xué)缺陷，同時制備出和人體自然骨相匹配的降解速率的人工骨支架。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個目的是在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備簡單，抗壓強(qiáng)度和生物相容性好的基于袋鼠骨骼的人工骨支架復(fù)合材料的制備方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種基于袋鼠骨骼的人工骨支架復(fù)合材料，為共混物，該共混物包括袋鼠骨骼粉、焦磷酸鈣Ca2P207、致孔劑、溶劑、催化劑型固化劑、粘合劑;各組分在人工骨支架復(fù)合材料中的質(zhì)量百分含量如下:
[0007]袋鼠骨骼粉:55?74%;
[0008]焦磷酸鈣Ca2P2O7:8?15%;
[0009]致孔劑:8?15%;
[0010]溶劑:8?12%;
[0011]催化劑型固化劑:0.02?0.04% ；
[0012]粘合劑:I?3 %。
[0013]所述的焦磷酸鈣為Q-Ca2P2O7晶型、P-Ca2P2O7晶型、γ-Ca2P2O7晶型中的一種或多種，優(yōu)選為P-Ca2P2O7晶型；
[0014]所述的致孔劑為聚乙二醇、苯乙烯、過氧化二苯甲酰中的一種或多種；
[0015]所述的溶劑為碳酸二甲酯、I，2，3_丙三醇、二甲基酮中的一種或多種；
[0016]所述的催化劑型固化劑為辛酸亞錫(購買純度95%及以上)、二月桂酸二丁基錫中的兩種一起添加;其中特別優(yōu)選地選用二月桂酸二丁基錫中的DY-5508;
[0017]所述的粘合劑為海藻酸鈉、磷酸鈣系醫(yī)用粘合劑、磷酸鎂醫(yī)用粘合劑中的一種或多種。
[0018]本發(fā)明的另一個目的是提供上述基于袋鼠骨骼的人工骨支架復(fù)合材料的制備方法。
[0019]該方法包括以下步驟:
[0020]步驟(1)、袋鼠骨骼干粉末的制作過程
[0021]1.1袋鼠股骨中的蛋白質(zhì)去除:
[0022]首先將新鮮的袋鼠股骨用清水洗凈，先用濃度為0.5?lmol/L的鹽酸浸泡I?2小時，再用4M?6M鹽酸胍溶液可溶解蛋白質(zhì)(其中鹽酸胍是一種強(qiáng)烈的變性劑，能溶解袋鼠股骨中的蛋白質(zhì))，然后在100°C沸水中煮3?4個小時，煮開的目的是將袋鼠骨骼中的肉及其他物質(zhì)都清除，再將袋鼠股骨用蒸餾水洗干凈，將其放在干燥箱中保持溫度110°C約28?30個小時，使袋鼠骨骼完全干燥后再放入冰凍箱中3?5小時；
[0023]1.2將步驟1.1去除蛋白質(zhì)后的袋鼠股骨在溫度65?90°C下煅燒2?3小時，然后置于常溫下冷卻2小時;其中在煅燒的過程中升溫為20°C/分鐘；
[0024]1.3將煅燒后的袋鼠股骨用陶瓷研缽式研磨機(jī)進(jìn)行研磨，研磨棒轉(zhuǎn)速lOOrpm，研缽轉(zhuǎn)速5rpm，研缽功率為40W，時間設(shè)定為30分鐘?45分鐘，得到粒度小于30μπι的袋鼠骨骼干粉末；
[0025]所述的研磨機(jī)為ΤΜ130固體顆粒研磨機(jī)；
[0026]步驟(2)、將袋鼠骨骼干粉末、焦磷酸鈣Ca2P207、致孔劑、溶劑、催化劑型固化劑、粘合劑加入到RM-200C混煉式轉(zhuǎn)矩流變儀中，在轉(zhuǎn)速為3000rpm、溫度為80°C條件下熔融密煉10分鐘，直到扭矩達(dá)到平衡，由此獲得基于袋鼠骨骼的人工骨支架復(fù)合材料。
[0027]在人工骨支架復(fù)合材料中，各原料的質(zhì)量百分含量如下:袋鼠骨骼干粉末:55?75% ;焦磷酸鈣Ca2P2O7:8?15% ;致孔劑:8?15% ;溶劑:8?12% ;催化劑型固化劑:0.02?0.04% ;粘合劑:1?3% ο
[0028]步驟(3)、將步驟(2)得到的人工骨支架復(fù)合材料通過3D熔融沉積成型技術(shù)，獲得人工骨支架。
[0029]所述的3D熔融沉積成型(FDM)工藝不用激光，使用、維護(hù)簡單，成本較低，同時兼具成型材料種類多，成型件強(qiáng)度高、精度較高的特點，使該工藝可以直接制造功能性零件。將準(zhǔn)備成型的人工骨經(jīng)三維電子模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到STL格式的文件，將此文件輸入到熔融沉積成型設(shè)備(本發(fā)明選用Fortus 900mc 3D打印機(jī))，其中打印層厚度選擇0.16?
0.22πιπιΤ0Μ工作時將上述制備的基于袋鼠骨骼的人工骨支架復(fù)合材料材料供應(yīng)給擠壓噴嘴，噴嘴加熱融化材料，并在計算機(jī)輔助制造軟件的控制以及步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的驅(qū)動下，沿著水平和垂直方向移動打印，熱塑性材料湊夠噴嘴擠出，形成層并迅速硬化。當(dāng)完成一層截面后，工作平臺下降一個厚度，再進(jìn)行纖維的沉積成型，如此循環(huán)，最終通過層層疊加形成最終的三維仿生人工骨支架產(chǎn)品。
[0030]本發(fā)明的有益效果是:
[0031 ] 1、現(xiàn)有的基于PLA/PLGA、PLA/PLGA/TCP的人工骨支架抗壓強(qiáng)度相對較弱；本發(fā)明基于袋鼠骨骼的人工骨支架能在保持生物相容性的同時克服力學(xué)缺陷，相比現(xiàn)有的PLA/PLGA、PLA/PLGA/TCP人工骨支架的剛度、硬度、彈性模量均增強(qiáng)。其原理是袋鼠骨骼是極其堅韌且輕質(zhì)的復(fù)合材料，袋鼠骨骼沿軸向的彈性模量為175GPa，與鋼的彈性模量200GPa相近。
[0032]2、本發(fā)明制造的人工骨支架，其多孔的支架結(jié)構(gòu)可與成骨細(xì)胞結(jié)合，本發(fā)明的復(fù)合材料中加入具有良好的生物活性和生物相容性的焦磷酸鈣，能改變袋鼠骨骼干粉末的脆性更容易加工成型，且避免由此加工的人工骨支架在植入體內(nèi)時發(fā)生的應(yīng)力遮蔽，催化劑型固化劑辛酸亞錫和二月桂酸二丁基錫中的兩種一起添加;容易通過控制添加的濃度來控制其降解率，以保證人工支架和人體自然骨相匹配的降解速率。
【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明方法的流程圖；
[0034]圖2是人工骨支架(20*20*20mm)表面形貌觀察的掃描電子顯微鏡圖；
[0035]圖3是基于袋鼠骨骼的人工骨支架(20*20*20mm)與相同體積大小的PLA/PLGA、PLA/PLGA/TCP人工骨支架的剛度、硬度、彈性模量比較；
[0036]圖4的(a)是顯微鏡下觀察小鼠MC3T3-E1細(xì)胞在支架上繁殖5天細(xì)胞增長；
[0037]圖4的(b)是顯微鏡下觀察小鼠MC3T3-E1細(xì)胞在支架上繁殖15天細(xì)胞增長；
[0038]圖4的(c)是顯微鏡下觀察小鼠MC3T3-E1細(xì)胞在支架上繁殖25天細(xì)胞增長。
【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的分析。
[0040]本發(fā)明基于袋鼠骨骼的人工骨支架復(fù)合材料，為共混物，該共混物包括袋鼠骨骼、焦磷酸鈣Ca2P207、致孔劑、溶劑、催化劑型固化劑、粘合劑;各組分在人工骨支架復(fù)合材料中的質(zhì)量百分含量如下:
[0041 ] 袋鼠骨骼:55?75%;
[0042]焦磷酸鈣Ca2P2O7:8?15%;
[0043]致孔劑:8?15%;
[0044]溶劑:8?12%;
[0045]催化劑型固化劑:0.02?0.04% ；
[0046]粘合劑:I?3 %。
[0047]如【背景技術(shù)】中所述，袋鼠骨骼是極其堅韌且輕質(zhì)的復(fù)合材料，但由于袋鼠骨骼干粉末的脆性大，較難加工成型，加入具有良好的生物活性和生物相容性焦磷酸鈣，能一起協(xié)作誘導(dǎo)成骨過程中的生物降解，同時避免由此加工的人工骨支架在植入體內(nèi)時發(fā)生的應(yīng)力遮蔽。且焦磷酸鈣在植入體內(nèi)時能與骨組織發(fā)生骨性結(jié)合，以制備出和人體自然骨相匹配的降解速率的人工骨支架。特別優(yōu)選FCa2P2O7晶型的理由在于:FCa2P2O7生物活性和生物相容性最好。
[0048]多孔結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞在人工骨支架上粘附、增殖附著生長，同時也可以保證細(xì)胞迀移進(jìn)入支架材料內(nèi)部。本發(fā)明采用聚乙二醇，苯乙烯，過氧化二苯甲酰為致孔劑，其中致孔劑相互粘結(jié)，保證三維支架孔隙相互連通，以滿足組織工程對三維細(xì)胞支架孔隙結(jié)構(gòu)的要求。
[0049]溶劑能促進(jìn)本發(fā)明的人工骨支架復(fù)合材料有機(jī)地融合在一起。特別是碳酸二甲酯(dimethyl carbonate，DMC)，是一種重要的有機(jī)合成中間體，分子結(jié)構(gòu)中含有羰基、甲基和甲氧基等官