CN101229393B

CN101229393B - 胶原—壳聚糖—羟基磷灰石骨修复材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101229393B
Application number: CN 200710001061
Authority: CN
Inventors: 张立海; 胡敏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2027-01-24
Also published as: CN101229393A

Abstract

本发明涉及一种胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料及其制备方法。首先将羟基磷灰石微晶体分散于壳聚糖溶涨液中，再将羟基磷灰石-壳聚糖分散液添加于胶原溶涨液，调整pH值到8-12之间，使胶原、壳聚糖和羟基磷灰石同时析出，再通过冷冻干燥的过程得到本发明材料，在本发明制备的材料中，在胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料中，羟基磷灰石位于胶原纤维中间，壳聚糖分布于胶原纤维的极性集团上，胶原分布在整体材料的表面，材料具有三维多孔的结构特点。

Description

胶原—壳聚糖—羟基磷灰石骨修复材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料及其制备方法，应用壳聚糖、羟基磷灰石和胶原，通过反应，构建成胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料，本材料具有优越的力学性能和生物学性能，可以用于各种情况造成的骨缺损。本发明属生物材料技术领域。

背景技术：

骨缺损是骨外科、头颈外科、整形外科等的常见病症之一，它们不但会导致患者生理功能发生严重障碍，还会严重影响患者的外观形象，给患者造成沉重的精神负担，目前，临床工作中常采用骨移植进行修复。为此，国内外学者研究了众多的骨替代材料。但是由于各方面的缺陷，这些材料不能完全满足临床修复的要求。

在分析了天然骨的结构特点后，2003年，Zhang W等在《Chemistry of Materials》第15期上，2003年本发明人在《Artif Cells Blood Substit Immobil Biotechnol》第31期上，分别尝试以人体内骨组织的两种基本成分：胶原(collagen，Col)和羟基磷灰石晶体(Hydroxyapatite，HA)，通过固液成型和冷冻干燥技术构建具有一定生物活性和空间结构的骨修复材料^[6-10]。但是本发明人发现，羟基磷灰石微晶体分散在胶原溶涨液中时有非常高的表面张力，常常聚集成团，进而影响到骨修复材料的整体空间结构，和其生物学性能(如图1，3所示)。

经过分析发现，HA微晶体的添加，使材料中胶原纤维的空间结构收到了影响，纤维间的化学键也有所下降，导致了骨修复材料强度下降、韧性下降；而HA聚集成簇也破坏了胶原的均相结构，从而导致支架的三维结构的散乱。已有研究表明，具有三维支架的空间结构是骨修复材料骨传导性能的基础所在，它是成骨过程中，细胞和血管成长通道。所以它的结构形态影响到了骨修复材料在应用中的骨修复效果。

壳聚糖(chitosan，CS)是一种天然聚阳离子多糖，在纺织和造纸工业中用作增稠剂、稳定剂和悬浮剂，在环境工程中做絮凝剂、螯合剂以除去工业和核废料中的有害金属，并可用作离子交换、螯合物和亲和色谱中的载体。在本发明中我们尝试将CS作为分散剂，来构建具有规则空间结构的胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料。

发明内容：

本发明的目的是提出一种胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料。本发明另一目的是提出胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料的其制备方法。克服已有胶原-羟基磷灰石骨修复材料的技术缺陷，通过壳聚糖的分散作用，在共反应过程中，构建具有规则空间结构的Col-CS-HA骨修复材料(图2)。

在这种材料中我们将羟基磷灰石晶体均匀分散于壳聚糖溶液中，再将二者的共混液均匀分散在胶原溶涨液中，通过反应条件的调节使胶原纤维析出，使HA的结晶位于胶原支架的壳聚糖和胶原纤维之间，制备出羟基磷灰石位于纤维之间，壳聚糖分布于胶原纤维的极性集团上，胶原分布在整体材料的表面的骨修复材料。避免HA结晶对胶原纤维结构的影响，使材料的空间结构更加规则，也增加了骨修复材料的强度和韧性；高生物相容性的胶原基材料沉积在羟基磷灰石材料的表面，也提高了材料整体的骨诱导能力；同时CS的添加使支架亲水性能明显提高，进而增加了其生物相容性。从而制备出有较高强度，规则的空间结构，适当孔隙率.且生物相容性好的骨替代材料。

胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料：

胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料由胶原、壳聚糖和羟基磷灰石构成，100mg材料

中壳聚糖重量为10mg，胶原重量为10mg～40mg，羟基磷灰石重量为80mg～50mg。

胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料具有三维多孔的结构特点，孔径为50～500μm。

胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料的断裂强度范围为0.4～10.0Mpa，延展范围为100％～110％。

胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料在体内可以完全降解。

胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料的制备方法包括下述步骤：

1)将壳聚糖溶涨在0.3％的丙二酸溶液中，配制固含量为0.5～1％的壳聚糖溶涨液。

2)将羟基磷灰石晶体按照总量比1∶1～10的比例分散与壳聚糖溶涨液中，通过搅拌，搅拌速度为100～500转/分，搅拌时间为5-10分钟，使其均匀分散。

3)将胶原溶涨在0.3％的丙二酸溶液中，配制固含量为0.5～1％的胶原溶涨液。

4)按重量比为壳聚糖∶胶原∶羟基磷灰石＝1∶1～5∶1～10，称取胶原溶涨液和壳聚糖-羟基磷灰石分散液，将壳聚糖-羟基磷灰石分散液加入胶原溶涨液中，通过搅拌，搅拌速度为100～500转/分，搅拌时间为5-10分钟，将壳聚糖-羟基磷灰石分散液均匀分散于胶原溶液中，使三者均匀分散，得到胶原-壳聚糖-羟基磷灰石分散液。

5)-20℃～-60℃预冻4小时，冷冻干燥24小时，得到胶原-壳聚糖-羟基磷灰石支架。

6)加入0.25％戊二醛交联液，室温下交联2小时。将交联后的材料，放入双蒸水中反复清洗十次，去除支架中残留的戊二醛。

7)把清洗干净的支架，在-20℃～-60℃预冻4小时，冷冻干燥24小时。

8)将胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料分别装入双层聚乙烯薄膜小袋中，封口后γ射线辐射灭菌，辐照强度为50～250万拉德，时间为24～48小时。

胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料具有大量连同的100～500微米的等级微孔，且孔隙率达到60～80％(图2)。具有规则的三维孔隙结构(图2)，相对于传统的胶原-羟基磷灰石骨修复材料，本材料拥有更优越的骨传导性能；由于壳聚糖的修饰作用，胶原纤维表面的极性集团明显增加(图5，6)，进而使材料整体的亲水性能有所提高，使材料整体用过更优秀的生物学性能；由于HA的规则分布和CS的辅助修饰作用，使材料拥有传统结晶胶原-羟基磷灰石骨修复材料所没有的良好的强度和韧性，便于切割修整。

附图说明：

图1：胶原-羟基磷灰石骨修复材料的扫描电镜

图2：胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料的扫描电镜

图3：胶原-羟基磷灰石骨修复材料的透射电镜

图4：胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料的透射电镜

图5：胶原-羟基磷灰石骨修复材料的X射线光电子能谱

在该材料中，C-C/C-H等非极性集团的含量为82.75％，极性集团(O＝-C-N/C-NH₂/C-OH)等的含量为11.25％

图6：胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料的X射线光电子能谱

在该材料中，C-C/C-H等非极性集团的含量为74.05％，极性集团(O＝-C-N/C-NH₂/C-OH)等的含量为25.95％

1：羟基磷灰石

2：胶原纤维

3：壳聚糖

具体实施方式：

实施例1：

将壳聚糖溶涨在0.3％的丙二酸溶液中，配置固含量为0.5％的壳聚糖溶涨液。将羟基磷灰石晶体按照总量比为CS∶HA＝1∶10的比例分散在壳聚糖溶涨液中，通过搅拌，搅拌速度为200转/分，搅拌时间为5分钟，使其均匀分散。将胶原溶涨在0.3％的丙二酸溶液中，配置固含量为0.5％的胶原溶涨液。按重量比为壳聚糖∶胶原∶羟基磷灰石＝1∶5∶10，称取胶原溶涨液和壳聚糖-羟基磷灰石分散液，将壳聚糖-羟基磷灰石分散液加入胶原溶涨液中，通过搅拌，搅拌速度为200转/分，搅拌时间为5分钟，将壳聚糖-羟基磷灰石分散液均匀分散于胶原溶液中，使三者均匀分散，得到胶原-壳聚糖-羟基磷灰石分散液。-20℃预冻4小时，冷冻干燥24小时，得到胶原-壳聚糖-羟基磷灰石支架。加入0.25％戊二醛交联液，室温下交联2小时。将交联后的材料，放入双蒸水中反复清洗十次，去除支架中残留的戊二醛。把清洗干净的支架，在-20℃预冻4小时，冷冻干燥24小时。将胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料分别装入双层聚乙烯薄膜小袋中，封口后γ射线辐射灭菌，辐照强度为100万拉德，时间为24小时。

骨修复材料的扫描电镜观察(SEM)

取骨修复材料样品，表面镀金后，用HITACHI S-3500N扫描电镜观察。结果如图2所示。支架材料的透射电镜观察(TEM)

取骨修复材料样品，经固定、锇酸染色后，用H600-4型TEM观察。结果如图4所示。

实施例2：

将壳聚糖溶涨在0.3％的丙二酸溶液中，配置固含量为1％的壳聚糖溶涨液。将羟基磷灰石晶体按照总量比为CS∶HA＝1∶8的比例分散在壳聚糖溶涨液中，通过搅拌，搅拌速度为500转/分，搅拌时间为10分钟，使其均匀分散。将胶原溶涨在0.3％的丙二酸溶液中，配置固含量为1％的胶原溶涨液。按重量比为壳聚糖∶胶原∶羟基磷灰石＝1∶2∶8，称取胶原溶涨液和壳聚糖-羟基磷灰石分散液，将壳聚糖-羟基磷灰石分散液加入胶原溶涨液中，通过搅拌，搅拌速度为500转/分，搅拌时间为10分钟，将壳聚糖-羟基磷灰石分散液均匀分散于胶原溶液中，使三者均匀分散，得到胶原-壳聚糖-羟基磷灰石分散液。-40℃预冻4小时，冷冻干燥24小时，得到胶原-壳聚糖-羟基磷灰石支架。加入0.25％戊二醛交联液，室温下交联2小时。将交联后的材料，放入双蒸水中反复清洗十次，去除支架中残留的戊二醛。把清洗干净的支架，在-40℃预冻4小时，冷冻干燥24小时。将胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料分别装入双层聚乙烯薄膜小袋中，封口后γ射线辐射灭菌，辐照强度为200万拉德，时间为48小时。

Claims

1.一种胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

1)将壳聚糖溶胀在0.3％的丙二酸溶液中，配制固含量为0.5～1％的壳聚糖溶胀液；

2)将羟基磷灰石晶体按照总量比1∶1～10的比例分散于壳聚糖溶胀液中，进行搅拌，搅拌速度为100～500转/分，搅拌时间为5-10分钟，使其均匀分散；

3)将胶原溶胀在0.3％的丙二酸溶液中，配制固含量为0.5～1％的胶原溶胀液；

4)按重量比为壳聚糖∶胶原∶羟基磷灰石＝1∶1～5∶1～10，称取胶原溶胀液和壳聚糖-羟基磷灰石分散液，将壳聚糖-羟基磷灰石分散液加入胶原溶胀液中，通过搅拌，搅拌速度为100～500转/分，搅拌时间为5-10分钟，使壳聚糖-羟基磷灰石分散液均匀分散于胶原溶液中，使三者均匀分散，得到胶原-壳聚糖-羟基磷灰石分散液；

5)-20℃～-60℃预冻4小时，冷冻干燥24小时，得到胶原-壳聚糖-羟基磷灰石支架；

6)加入0.25％戊二醛交联液，室温下交联2小时，将交联后的材料放入双蒸水中反复清洗十次，去除支架中残留的戊二醛；

7)把清洗干净的支架，在-20℃～-60℃预冻4小时，冷冻干燥24小时；

8)将步骤7)获得的胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料分别装入双层聚乙烯薄膜小袋中，封口后γ射线辐射灭菌，辐照强度为50～250万拉德，时间为24～48小时，从而获得具有孔径为50～500微米、且断裂强度为0.4～10.0Mpa、延展范围为100％～100％的胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料，并且每100mg的该三维多孔结构的胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料中壳聚糖为10mg，胶原为10～40mg，羟基磷灰石为80～50mg。

2.一种根据权利要求1所述方法制备的胶原-壳聚糖-羟基磷灰石骨修复材料。