CN101036806A

CN101036806A - 一种修复骨缺损的复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101036806A
Application number: CN 200710014618
Authority: CN
Inventors: 赵冬梅; 王海斌; 刘军莉; 赵萍; 刘爱红; 赫淑倩; 孙康宁; 霍延青; 司海鹏
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2027-04-26
Also published as: CN100551451C

Abstract

本发明公开了一种修复骨缺损的复合材料及其制备方法。本法采用化学沉淀法合成了纳米羟基磷灰石粉体(HAP)，以无水乙醇为沥滤剂，以16.7％(质量分数)的柠檬酸水溶液作粘结剂，通过粒子沥滤法制备了HA/CMCS多孔材料，并对其进行了IR、XRD、SEM、孔隙率及抗压强度的测试。结果表明HA/CMCS复合材料复合前后两组分的化学组成未发生显著变化，但两相间发生了相互作用。多孔材料孔隙率高，孔径分布范围宽，其尺寸分布大约从几微米到600微米，以圆形为主，具有良好的贯通性，非常有利于组织在其中的长入与扩展。当复合材料中CMCS含量为40％，复合材料/造孔剂的质量比为1∶1时，多孔材料的孔隙率接近75％，其抗压强度可达21MPa以上，可以满足骨组织工程支架材料的要求。

Description

一种修复骨缺损的复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医学工程中组织工程方法构建人工骨支架技术领域，尤其涉及一种修复骨缺损的复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，临床使用的骨修复材料各有利弊，不能达到修复骨缺损理想材料要求，如缺少连通均匀的孔结构、其降解速度与骨组织生长替代速度不协调及力学强度性能不匹配等。为了提高材料力学性能及新骨形成速度，常引入生长因子或有机高分子来改善其性能。因此，以羟基磷灰石为基础构建与天然骨类似的复合骨替代材料已成为当前研究热点。羧甲基壳聚糖能增加碳酸化羟基磷灰石骨水泥固化液的黏度系数，并与钙离子产生鳌合作用，形成胶水状水溶液，能有效的抑制血液渗入到材料的内部，为碳酸化羟基磷灰石营造稳定的固化反应环境，保证其迅速、完全向碳酸化磷灰石转变，有良好赋形性质和生物亲和性的硬组织修复材料，具有与人体骨组织更为接近的理化性能，在组织工程骨支架构建与应用中的作用是明显和确切的。但是，在相关的检索中，将无机纳米羟基磷灰石和有机羧甲基壳聚糖制备成与天然松质骨的力学特性、几何形状和表面性质类似的三维孔洞网状结构的复合材料，以用于修复骨缺损的报道还未见到。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种修复骨缺损的复合材料及其制备方法。

本发明采用纳米技术和三维造孔技术，将无极纳米羟基磷灰石和有机羧甲基壳聚糖制备成与天然松质骨的力学特性、几何形状和表面性质类似的三维孔洞网状结构，形成多孔状、孔隙率高、力学性能好的纳米人工骨基质材料，构建一种结构功能一体化的复合支架材料，为临床治疗骨缺损提供新材料。

本发明所述修复骨缺损的复合材料，其特征是：所述复合材料由纳米羟基磷灰石和羧甲基壳聚糖制成；其中，纳米羟基磷灰石与羧甲基壳聚糖质量比为6～7∶4～3，复合材料呈多孔状，孔隙率65％～75％，孔径尺寸2微米～600微米，以圆形为主，孔径间贯通。

其中：所述纳米羟基磷灰石与羧甲基壳聚糖质量比优选6∶4。

本发明所述修复骨缺损的复合材料的制备方法，步骤是：

(1)将纳米羟基磷灰石与羧甲基壳聚糖按质量比为6～7∶4～3的比例分别配料，以机械球磨使其充分混合；

(2)再按纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合粉体与造孔剂按质量比为1∶1～1.2的比例称料，研磨混合，然后超声振荡2h～3h，使其充分混匀；

(3)向步骤(2)所述混合料中加入质量百分比为16.7％的柠檬酸溶液并调和均匀，柠檬酸溶液用量以混合料能可塑成形为准；

(4)将成形混合料放入模具中，加压成形，保压60s～100s；

(5)脱模，先将成形复合材料在空气中放置4h～5h，再置于无水乙醇中，超声振荡8h～10h，之后于80℃烘干3h～5h，得修复骨缺损的复合材料。

上述修复骨缺损的复合材料的制备方法中：步骤(1)所述纳米羟基磷灰石与羧甲基壳聚糖质量比优选6∶4。

上述修复骨缺损的复合材料的制备方法中：步骤(2)所述纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合粉体与造孔剂按质量比优选1∶1。

上述修复骨缺损的复合材料的制备方法中：所述造孔剂优选对二氯苯。

上述修复骨缺损的复合材料的制备方法中：步骤(4)所述模具是生物医学组织工程中人工骨支架标准模具。

本发明材料来源广泛，成本低，制备工艺简单可行，重复性好，所构建的支架可以广泛地应用于组织工程领域，具有良好的临床应用前景。

本发明方法采用化学沉淀法合成纳米羟基磷灰石粉体(HAP)，以无水乙醇为沥滤剂，以16.7％(质量百分比)的柠檬酸水溶液作粘结剂，通过粒子沥滤法制备了修复骨缺损的纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合材料(HA/CMCS多孔复合材料)，并对其进行了IR、XRD、SEM、孔隙率及抗压强度的测试。结果表明：HA/CMCS复合材料复合前后两组分的化学组成未发生显著变化，但两相间发生了相互作用。本发明的HA/CMCS复合材料孔隙率高，孔径分布范围宽，其尺寸分布大约从几微米到600微米，以圆形为主，具有良好的贯通性，非常有利于组织在其中的长入与扩展。当复合材料中CMCS含量为40％，复合材料/造孔剂的质量比为1∶1时，多孔材料的孔隙率接近75％，其抗压强度可达20MPa以上，可以满足骨组织工程支架材料的要求。

本发明效果与现有技术相比所具有的特点是：

传统的骨修复材料支架多采用单一无机材料制备，或与壳聚糖复合。单一羟基磷灰石孔隙率难以制备，其降解速度慢；壳聚糖为非水溶性有机物，难以与无机物复合。本发明将壳聚糖羧甲基化，其水溶性明显优于壳聚糖，同时又将羟基磷灰石纳米化，纳米化后的羟基磷灰石(HA)其降解性明显优于羟基磷灰石，利用本发明方法将二者复合制得的HA/CMCS多孔复合材料其抗压强度达到20MPa以上，孔隙率65％～75％，完全符合骨修复支架材料的要求。

附图说明

图1HA、羧甲基壳聚糖及HA/羧甲基壳聚糖复合材料的X射线衍射图

从图中可以看出，在纯羟基磷灰石及复合材料中羟基磷灰石的衍射峰都非常尖锐，表明羟基磷灰石结晶良好，只是在加入羧甲基壳聚糖以后衍射峰发生适当变宽。羧甲基壳聚糖的主要衍射峰在2θ＝20.6°和21.9°附近。

图2HA、羧甲基壳聚糖及HA/羧甲基壳聚糖复合材料的IR图

其中：图2(a)中主要含有PO₄ ^3-、OH^-和H₂O的特征谱带，基本不含其它杂质，表明所制备的纳米羟基磷灰石纯度较高。图2(b)中1605.5cm^-1处出现的是壳聚糖的胺基弯曲振动峰，1428.1cm^-1和1329.7cm^-1处出现的是-COOH中C-O伸缩振动和-OH的面内变形偶合振动吸收峰，表明其中确实含有-COOH。图2(c)显示，复合材料中同时出现了纳米羟基磷灰石和羧甲基壳聚糖的特征吸收峰，说明复合前后两种单组分材料的化学组成并未发生显著的变化。另外，(c)图比(b)图中在3417.4cm^-1处的吸收峰要宽，而其它峰多变窄，表明其中可能存在部分氢键。同时，图上也清楚的显示出这些吸收峰都发生了不同程度的红移，表明二者之间必定发生了某些相互作用。这可能是羧甲基壳聚糖中-COOH和-NH₂与纳米羟基磷灰石中的-OH之间形成了氢键或者-NH₂和Ca²⁺之间发生了络合作用，从而增强了复台材料两相间的界面结合，使材料性能更为优越。

图3不同壳聚糖含量的纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合材料的断口SEM照片

其中：(a)10％壳聚糖(b)20％壳聚糖(c)30％壳聚糖(d)40％壳聚糖(e)50％壳聚糖。

从图上可以看出，所有样品中均含有大量的孔隙，孔形不一，以圆形为主，其尺寸分布大约从几微米到600微米，并且孔隙之间相互贯通，非常有利于组织在其中的长入与扩展。随着羧甲基壳聚糖含量的增加，孔的形状没有发生明显的变化，但孔的尺寸有减小的趋势，这可能导致总体孔隙率的降低和相应力学性能的不规律变化。

图4不同组成和造孔剂比例的纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合材料的断口SEM照片

其中：(a)HA∶CMCS＝9∶1，复合粉体∶造孔剂＝1∶1(b)HA∶CMCS∶明胶＝8∶1∶1，复合粉体∶造孔剂＝1∶1(c)HA∶CMCS＝1∶1，复合粉体∶造孔剂＝1∶1(d)HA∶CMCS＝1∶1，复合粉体∶造孔剂＝1∶2。

从图4(a)和(b)中可以看出，当加入相同量羧甲基壳聚糖时，加入明胶的材料和不加入明胶的材料断口形貌差别很大，不加明胶的孔隙明显大于加入明胶的复合材料，其表面非常疏松。分析认为，明胶为一种有机物相，其中含有一些可与壳聚糖和纳米羟基磷灰石中羟基相结合的基团，因此，它们在液体中混合后很容易引起相互之间的反应，使凝固时间变短，孔隙闭合过快，造成孔隙较小，并可导致内部有机物之间联接更牢固，但与纳米羟基磷灰石的结合时间短，界面较弱。从图4(c)和(d)中可以看出，在成分相同的情况下，造孔剂含量越高，复合材料中的孔隙率越大，并且孔形状更不规则。这将可能导致复合材料力学性能的下降。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明内容作进一步阐述，但并不仅限于此。

实施例1

材料准备：

纳米羟基磷灰石(纳米HA粉体)的制备，以常规化学沉淀法制备；N，O-羧甲基壳聚糖，购自青岛海汇生物工程有限公司，羧甲基取代度90.5％，脱乙酰度88.6％；对二氯苯，无水乙醇，柠檬酸，均为分析纯。

本发明所述修复骨缺损的复合材料的制备：

(1)将纳米羟基磷灰石与羧甲基壳聚糖按质量比为6∶4的比例分别配料，以机械球磨使其充分混合；

(2)再按纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合粉体与造孔剂对二氯苯按质量比为1∶1的比例称料，研磨混合，然后超声振荡2h，使其充分混匀；

(4)将成形混合料放入人工骨支架标准模具中，加压成形，保压60s；

(5)脱模，先将成形复合材料在空气中放置4h，再置于无水乙醇中，超声振荡8h，之后于80℃烘干3h，得修复骨缺损的复合材料。

用新三思CMT700型万能材料试验机和排水法分别测定多孔材料的抗压强度和孔隙率，本发明制备的修复骨缺损的纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合材料抗压强度达到21.72 MPa，孔隙率74.79％，完全符合骨修复支架材料的要求。

实施例2

本发明所述修复骨缺损的纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合材料的制备：

(1)将纳米羟基磷灰石与羧甲基壳聚糖按质量比为7∶3的比例分别配料，以机械球磨使其充分混合；

(2)再按纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合粉体与造孔剂对二氯苯按质量比为1∶1.2的比例称料，研磨混合，然后超声振荡2.5h，使其充分混匀；

(4)将成形混合料放入人工骨支架标准模具中，加压成形，保压80s；

(5)脱模，先将成形复合材料在空气中放置4h，再置于无水乙醇中，超声振荡9h，之后于80℃烘干4h，得修复骨缺损的复合材料。

用新三思CMT700型万能材料试验机和排水法分别测定多孔材料的抗压强度和孔隙率，本发明制备的修复骨缺损的纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合材料抗压强度达到21MPa，孔隙率74.9％，符合骨修复支架材料的要求。

实施例3

(1)将纳米羟基磷灰石与羧甲基壳聚糖按质量比为6.5∶3.5的比例分别配料，以机械球磨使其充分混合；

(2)再按纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合粉体与造孔剂对二氯苯按质量比为1∶1.1的比例称料，研磨混合，然后超声振荡3h，使其充分混匀；

(4)将成形混合料放入人工骨支架标准模具中，加压成形，保压100s；

(5)脱模，先将成形复合材料在空气中放置5h，再置于无水乙醇中，超声振荡10h，之后于80℃烘干5h，得修复骨缺损的复合材料。

用新三思CMT700型万能材料试验机和排水法分别测定多孔材料的抗压强度和孔隙率，本发明制备的修复骨缺损的纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合材料抗压强度达到20.7MPa，孔隙率74％，符合骨修复支架材料的要求。

总之，实验表明：本发明采用粒子沥滤法制备了高孔隙率HA/CMCS多孔复合材料。复合材料的成分没有发生变化，仍然为纳米羟基磷灰石与羧甲基壳聚糖，并且羧甲基以及胺基分别与纳米羟基磷灰石的羟基或Ca²⁺发生了不同程度作用，形成了较为牢固的界面结合。本发明的多孔复合材料孔隙率65％～75％，孔形不一，以圆形为主，其尺寸分布大约从几微米到600微米，具有良好的贯通性，非常有利于组织在其中的长入与扩展。

Claims

1.一种修复骨缺损的复合材料，其特征是：所述复合材料由纳米羟基磷灰石和羧甲基壳聚糖制成；其中，纳米羟基磷灰石与羧甲基壳聚糖质量比为6～7∶4～3，复合材料呈多孔状，孔隙率65％～75％，孔径尺寸2微米～600微米，以圆形为主，孔径间贯通。

2.如权利要求1所述修复骨缺损的复合材料，其特征是：所述纳米羟基磷灰石与羧甲基壳聚糖质量比为6∶4。

3.权利要求1所述修复骨缺损的复合材料的制备方法，步骤是：

(4)将成形混合料放入模具中，加压成形，保压60s～100s；

4.权利要求3所述修复骨缺损的复合材料的制备方法，其特征是：步骤(1)所述纳米羟基磷灰石与羧甲基壳聚糖质量比为6∶4。

5.权利要求3所述修复骨缺损的复合材料的制备方法，其特征是：步骤(2)所述纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖复合粉体与造孔剂按质量比为1∶1。

6.权利要求1或5所述修复骨缺损的复合材料的制备方法，其特征是：所述造孔剂是对二氯苯。

7.权利要求3所述修复骨缺损的复合材料的制备方法，其特征是：步骤(4)所述模具是生物医学组织工程中人工骨支架标准模具。