背景技术
因炎症、外伤、肿瘤或先天性畸形引起的骨缺损十分常见,大块骨缺损常不能自行愈合,其治疗一直是困扰骨科医生的难题。本世纪以来,众多学者进行了卓有成效的研究。自体游离骨移植和带血供的自体骨瓣、骨膜瓣及复合组织瓣移植,是修复大块骨缺损的有效方法之一,但临床上存在着:①供体来源有限;②需多次手术;③并发症增多;④手术时间延长;⑤需牺牲部分正常组织等问题。同种异体和异种骨、脱钙骨基质、骨基质明胶等移植修复骨缺损的实验和临床研究,为骨缺损的修复提供了可供选择的方法,但仍存在许多问题:①免疫排斥反应;②修复时间过长;③有传播传染性疾病的可能;④供骨来源有限等。各种有机和无机骨替代品亦在研究中,但至今未找到一种理想的代用品。
组织工程学是一门以细胞生物学、分子生物学、生物材料学和临床医学等学科为基础的多学科交叉的学科,它应用工程学和生命科学的原理和方法,研究哺乳类动物组织和器官的结构和功能的关系,并研制能够恢复、维持和改善组织功能的生物替代物。组织工程的出现为治疗由于外伤、肿瘤、感染等原因造成的骨缺损提供了一种前景光明的方法。骨组织工程指在可降解的生物材料上,使细胞在体外和体内增殖,最终形成新的骨组织。它通过小块活骨组织或骨髓抽出物获得供培养、扩增的细胞,从而具有自体骨移植的所有优点,又避免了自体骨移植供区创伤和来源不足的缺点,也避免了异体移植器官排斥、病原移入等缺点。
骨组织工程学已有10多年的发展历史,国内、外学者在此研究方面均已取得了显著成就。组织工程学研究不仅具有重要的科学意义,同时也具有潜在的经济效益。我国开始组织工程学研究的起步时间与国外相近,在骨及软骨组织工程方面与国外水平相当,在某些领域已达国际领先水平。
目前存在的主要问题之一是需要更深入地研究细胞基质材料的种类和性质,以适应人体的要求。
聚磷酸钙(Calcium Polyphosphate,CPP),分子式为[Ca(PO3)]n,是一种无机聚合物。近年来,国内外对聚磷酸钙材料进行了一定的研究。发现该材料生物相容性好,力学强度高,可降解等优点。而另一方面,甲壳素、壳聚糖及其衍生物已经在医药、食品等行业中广泛应用。研究发现壳聚糖是一种由2-氨基-2-脱氧-β-D葡萄糖通过β-1.4糖苷键聚合的天然聚阳离子多糖,可被动物体内的溶菌酶等降解成为氨基葡萄糖而被机体吸收,具有止血,抗感染,可塑性、黏附性好等诸多优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔聚磷酸钙生物陶瓷,为多孔状生物细胞支架材料,组织相容性好,降解速度合适,能够修复骨缺损,无急性生物毒性,抗压强度高;本发明同时提供了科学合理、简便可行、容易掌握的制备方法。
本发明所述的多孔聚磷酸钙生物陶瓷,多孔聚磷酸钙陶瓷包裹有多孔壳聚糖膜。
本发明所述的多孔聚磷酸钙生物陶瓷的制备方法,按照下列步骤进行:
(1)制备壳聚糖微球备用;
(2)制备多孔聚磷酸钙陶瓷;
(3)在多孔聚磷酸钙陶瓷上复多孔壳聚糖膜。
其中:
壳聚糖微球的制备方法是:将壳聚糖加入到醋酸中溶解,在溶解后的凝胶状物质中加入液体石蜡以及乳化剂与交联剂,在50~65℃温度下搅拌(最好控制恒温),静置冷却后分别采用石油醚、乙醇、去离子水去除石蜡、醋酸,通过滤膜控制粒径,得到淡黄色壳聚糖微球。如分别过0.45mm、0.22mm滤膜后得到所需孔径的壳聚糖微球,微球粒径主要在100~200μm。
所用乳化剂优选为span-80,加入量3ml,交联剂优选为戊二醛加入量4ml。
多孔聚磷酸钙的制备方法是:将磷酸二氢钙经550~700℃温度煅烧后球磨、过筛,干燥后得到聚磷酸钙粉末,然后在粉末中加入水、稳定剂和壳聚糖微球混合制成料浆,将料浆倒入石膏模中脱水,烘干后经烧成得多孔聚磷酸钙陶瓷。
以磷酸二氢钙为原料通过物理化学变化制得CPP生物陶瓷,化学反应式如下:
所用稳定剂优选为黄原胶。
CPP属于瘠性料,加水与壳聚糖微球调成料浆后很快会沉淀分层,需加入一定量的稳定剂使其成为悬浮体系。黄原胶(Xanthan Gum)是以淀粉为主要原料,经微生物发酵及一系列生化过程,最终得到的一种多糖高聚物,其主要成分为葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸等。它具有突出的高粘性和水溶性,独特的流变学特性,优良的温度稳定性、良好的兼容性和可靠的安全性。同时,作为多糖类物质,其可以在烧成时烧失,避免在CPP材料中生成残留杂质,孔隙率为60~80%,可以使细胞长入CPP支架材料。
试验证实,在黄原胶加入量为2~5‰(以混合物的质量为基数),可使CPP微球混合料浆具有很好的悬浮性和稳定性,长时间静置料浆和微球不会分层,同时其胶体类特性不会明显影响注浆时模具的吸水,在脱模时对生坯的强度也有较大的改善。同时有一点需注意,因壳聚糖微球是软质的,不能与料粉、稳定剂和水一起放入球磨中湿磨混匀,只能在料浆配置成悬浮液后再加入其中用搅拌器混合。
聚磷酸钙粉末的细度粒径<0.125mm,可以过120目筛,多孔聚磷酸钙陶瓷的烧成温度为950~980℃,升温速率控制为:室温至150℃为2℃/分、150~500℃为3℃/分、500℃至烧成温度为5℃/分。保温时间以15分钟~60分钟为宜,最后在炉内自然冷却取出。
CPP材料可以在不添加任何助熔结合剂的情况下在1000℃以下烧结,且其强度远高于同类应用的有机高分子材料。CPP材料还有一个与其它磷酸钙类骨替代材料的不同就是其具有可降解性。通过CPP材料的结构来分析其降解性,这种直链结构是通过共价键来结合的,相比离子键结合的材料来说键能较弱,更容易断裂分解,用化学反应式来表示正好与其聚合过程相反:
生成的磷酸二氢钙可溶于水产生Ca2+和PO4 3-,这两种离子又是成骨所不可或缺的,因此,CPP作为骨组织工程材料有着独特的应用优势。
在多孔聚磷酸钙陶瓷上复多孔壳聚糖膜的方法:将壳聚糖加入到醋酸中溶解,再加入致孔剂邻苯二甲酸二丁酯混匀后涂布于多孔聚磷酸钙陶瓷表面,干燥后除去醋酸和致孔剂邻苯二甲酸二丁酯,得到多孔壳聚糖膜包裹的CPP生物陶瓷。
所用致孔剂优选为邻苯二甲酸二丁酯。致孔剂的加入量控制为1.5~2.5ml,过少,则孔隙率降低,连通率下降,会直接影响到成骨细胞的长入。
采取对CPP生物陶瓷表面镀多孔壳聚糖膜的方法,是因为:一方面,CPP材料从化学角度分析,本质为一种强碱弱酸盐,其降解成分为钙离子与磷酸根离子,这样就造成其降解后局部周围产生一个弱碱性环境,与人体内部微环境有差别,不利于成骨细胞的生长;而壳聚糖为高分子化合物,其降解后局部为弱酸性环境,二者的降解产物在局部发生中和反应从而使局部微环境的PH值趋向于中性,利于成骨细胞的生长。另一方面,壳聚糖本身是一种具有很好的生物相容性的材料,有利于细胞附着、促进细胞分化的作用。壳聚糖膜需为多孔,通透性较致密膜明显提高,可以使细胞长入CPP支架材料。
聚磷酸钙生物陶瓷属无毒物。从化学成分上分析,由于CPP生物陶瓷在烧结过程中并未加入任何助熔剂,而所镀的壳聚糖膜和加入的壳聚糖微球、稳定剂类物质都属于生物多糖有机物范畴,在烧制过程中,最终反应生成二氧化碳和水而挥发,不会留下任何有毒害或难降解的残留物。在体内应用时,CPP生物陶瓷本身可降解成为Ca2+和PO4 3-这两种离子,是成骨的必须元素且为人体本身所具有,无生物毒性。因此,镀壳聚糖膜的多孔CPP生物陶瓷本身不具有生物毒性。
毒性试验:通过对两种性别小鼠经口给予聚磷酸钙生物陶瓷浸提液进行急性毒性试验,受试样品对两种性别小鼠的最大耐受剂量(MTD)均大于24g/kg.bw。将受试样品置于37℃的蒸馏水中浸提72h,将浸提液经灌胃给予小鼠,观察14天,两种性别的小鼠均未见明显的中毒症状,也无死亡。将受试动物处死后进行解剖检查,肝脏、脾脏、肾脏、心脏、肺、胃、肠等主要器官,均未见明显异常改变。
经过对同种材料生物力学测试可知,本发明聚磷酸钙生物陶瓷,试样没有出现裂纹等明显缺陷,表面呈玻化的缎面光泽,气孔结构清晰可见,其抗压强度可达200MPa,能够完全满足作为骨替代物的抗压强度。
本发明多孔聚磷酸钙生物陶瓷,为多孔状生物细胞支架材料,组织相容性好,降解速度合适,能够修复骨缺损,无急性生物毒性,抗压强度高;本发明同时提供了科学合理、简便可行、容易掌握的制备方法。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
一、实验试剂和药品
磷酸二氢钙,分析纯,天津市博迪化工公司生产;
实验用坩埚,骨质瓷,山东硅苑新材料科技股份有限公司;
稳定剂,黄原胶,山东中轩股份有限公司生产;
壳聚糖粉末,脱乙酰度≥90%,上海——国药集团化学试剂公司生产;
液体石蜡,分析纯,山东莱阳市双双化工有限公司生产;
乳化剂,span-80,上海——国药集团化学试剂公司生产;
交联剂,戊二醛,上海——国药集团化学试剂公司生产;
石油醚,分析纯,天津市天大化工实验厂生产。
二、实验器材
电子天平,余姚纪铭称量校验公司生产;
水浴加热器、搅拌器,江苏金坛市医疗仪器厂生产;
真空抽滤器,巩义市英峪子华仪器厂生产;
手扳式制样压机,湘潭湘仪仪器有限公司生产;
电热鼓风干燥箱,ZB101-II型,淄博仪表厂生产;
自动控温箱式电阻炉,山东省硅酸盐研究设计院提供;
立式快速球磨机,SMF型,山东工业陶瓷研究设计院提供;
美国泰勒标准筛,120目,孔径0.124mm,线径0.0997mm;
WDW-10电子式万能力学实验机,试金集团济南试验机厂生产;
微孔滤膜0.22×50,0.45×50,上海市新亚净化器件厂生产;
显微镜,日本产,OLYMPUS BX51M落射投射两用显微镜,放大倍率50x~1000x。本实验所用UIS目镜10x,UIS物镜50x,100x。
实施例1
壳聚糖微球的制备:
以电子天平称取2g壳聚糖粉末加入配置好的80ml4.5%的醋酸溶液(10ml36%醋酸溶液加入70ml水)中,先以玻璃棒搅拌,再以超声波振荡器混合混匀,静置至壳聚糖粉末在醋酸中完全溶解,形成凝胶状液体。500ml三孔烧瓶中缓慢加入200ml液体石蜡,55度水浴条件下开动搅拌器恒速搅拌,以50ml空针缓慢加入壳聚糖溶胶并加入3ml乳化剂——span-80。恒速室温下搅拌并分两次加入共4ml交联剂——戊二醛。取出混合液,静置10分钟使之完全冷却并使混合液分层。弃去上层油性液体,倒入石油醚反复清洗三次,洗去其内的液体石蜡。后倒入无水乙醇反复清洗,倒入去离子水,中和其内的醋酸。将所得物分别过0.45mm,0.22mm滤膜,真空抽滤,得淡黄色壳聚糖微球。
多孔聚磷酸钙陶瓷的制备:
以电子天平称取400g粉末状磷酸二氢钙(精确至0.01g)放入坩埚中,用电炉在摄氏650℃保温煅烧6小时后自然状态下冷却,得到灰白色松散块状固体聚磷酸钙煅烧料。煅烧料用快速球磨机干法球磨5分钟后过120目筛网制成粉末,后放入干燥箱中干燥备用。以混合物的体积为基数,将制得的CPP粉末加入35%的水、3‰的稳定剂——黄原胶,配制成料浆,再次入快速球磨机球磨2分钟使其混合均匀,形成稳定的混合相悬浮液。然后按壳聚糖微球与料浆的体积比≈2:5,将壳聚糖微球混入料浆,以搅拌器低速搅拌至二者完全混合均匀。将混合后的料浆倒入石膏模中,使其内的水分析出,脱模后放入60℃的电热干燥箱中烘干1小时。取出CPP模块置入陶瓷匣钵中,将其置于电炉中,升温速率控制为:室温至150℃为2℃/分、150~500℃为3℃/分、500℃至烧成温度为5℃/分的温度,升温至950~980℃,再保温煅烧20分钟,壳聚糖微球消失,得多孔聚磷酸钙生物陶瓷。
在多孔聚磷酸钙陶瓷上复多孔壳聚糖膜:
将2g的壳聚糖溶于100ml2%的醋酸中,超声波混匀,静置使其充分溶解,形成凝胶状液体。取该液体20g加入2ml致孔剂邻苯二甲酸二丁酯,超声混合均匀。将制得的CPP多孔材料完全置入该液体中,取出后室温下干燥,后用一定浓度的氢氧化纳溶液(ω=0.01)中和CPP材料外膜上的醋酸,去离子水洗至中性,并用丙酮洗去多余的邻苯二甲酸二丁酯,干燥后即得多孔壳聚糖膜包裹的CPP生物陶瓷材料。
聚磷酸钙生物陶瓷急性经口毒性试验,由山东大学毒理学教研室承担。
选用山东大学实验动物中心提供的健康SPF级昆明种小鼠,实验动物生产许可证号为SCXK(鲁)20030004。SPF级实验动物环境设施合格证号为鲁动环字H2002100112号。实验环境温度22℃±2℃,相对湿度50%±10%。
小鼠急性毒性试验:采用最大耐受量(MTD)试验。健康昆明种小鼠20只,雌雄各半,体重为18g~22g。小鼠空腹16h后,间隔4h,以0.20ml/10g.bw容量灌胃3次,浸提掖灌胃总体积为60ml/kg.bw,相当于原样品24g/kg.bw,连续观察14天,记录中毒表现及死亡情况。
结果:两种性别的小鼠均未见明显的中毒症状,也无死亡。将受试动物处死后进行解剖检查,肝脏、脾脏、肾脏、心脏、肺、胃、肠等主要器官,均未见明显异常改变。
CPP生物陶瓷复合成骨细胞修复兔桡骨骨缺损的实验:取新西兰大白兔10ml骨髓,分离培养出间充质干细胞,传代培养并诱导成为成骨细胞后种植于制成的CPP生物陶瓷表面,构建组织化工程骨。选取新西兰大白兔24只,随机选取12只作为实验组1,另外12只为实验组2,兔的右侧桡骨为实验侧;左侧桡骨为对照侧;属于实验组1的右侧桡骨为实验侧I,左侧桡骨为对照侧I;属于实验组2的右侧桡骨为实验侧II,左侧桡骨为对照侧II。于兔桡骨中间部位截取15mm桡骨及骨膜缺损,建立兔桡骨缺损的模型。实验侧将CPP生物陶瓷与成骨细胞复合后植入兔桡骨骨缺损部位。对照侧I:植入无孔单纯CPP生物陶瓷,对照侧II:不做任何植入,为空白对照。观察兔切口及前肢的活动情况,于术后第4、8、12周分别处死一组动物,解剖显露兔桡骨缺损处,观察桡骨缺损处材料表面、材料与骨缺损两断端愈合情况,并行X线检查及组织学检查。
在骨缺损修复实验中:
实验组X线观察:①术后4周有少量骨痂形成,CPP生物陶瓷影清晰可见;②术后8周,大量骨痂形成,基本达到骨性连接,CPP生物陶瓷影基本消失;③术后12周骨折完全愈合,骨折线消失。CPP生物陶瓷影完全消失。HE染色:①术后4周少量炎性细胞浸润(以淋巴细胞为主),毛细血管生成;②术后8周纤维结缔组织内见软骨、骨组织,有骨化生,多量骨陷窝存在;③术后12周可见骨—软骨化生。
对照组X线观察:①术后4周少量骨痂形成,CPP生物陶瓷影清晰可见;②术后8周,仍可见生物陶瓷影,中等量骨痂形成;③术后12周骨折线基本消失,CPP生物陶瓷影消失。HE染色:①术后4周少量炎性细胞浸润(以淋巴细胞为主),并伴有多核巨细胞反应。②术后8周可见骨板结构,中等量骨陷窝存在。③术后12周纤维结缔组织内见骨组织存在。
空白组X线观察:①术后4周基本无骨痂形成,骨缺损处清晰可见;②术后8周,骨折断端模糊,极少量骨痂形成,仍可见骨缺损处透亮影;③术后12周骨缺损处仍未愈合,透亮影清晰可见。HE染色:①术后4周少量炎性细胞浸润(以淋巴细胞为主);②术后8周见纤维结缔组织增生;③术后12周仍为纤维结缔组织。
实施例2
壳聚糖微球的制备:
以电子天平称取2g壳聚糖粉末加入配置好的80ml4.5%的醋酸溶液(10ml36%醋酸溶液加入70ml水)中,先以玻璃棒搅拌,再以超声波振荡器混合混匀,静置至壳聚糖粉末在醋酸中完全溶解,形成凝胶状液体。500ml三孔烧瓶中缓慢加入200ml液体石蜡,55度水浴条件下开动搅拌器恒速搅拌,以50ml空针缓慢加入壳聚糖溶胶并加入3ml乳化剂——span-80。恒速室温下搅拌并分两次加入共4ml交联剂——戊二醛。取出混合液,静置10分钟使之完全冷却并使混合液分层。弃去上层油性液体,倒入石油醚反复清洗三次,洗去其内的液体石蜡。后倒入无水乙醇反复清洗,倒入去离子水,中和其内的醋酸。将所得物分别过0.45mm,0.22mm滤膜,真空抽滤,得淡黄色壳聚糖微球。
多孔聚磷酸钙陶瓷的制备:
以电子天平称取400g粉末状磷酸二氢钙(精确至0.01g)放入坩埚中,用电炉在摄氏650℃保温煅烧6小时后自然状态下冷却,得到灰白色松散块状固体聚磷酸钙煅烧料。煅烧料用快速球磨机干法球磨5分钟后过120目筛网制成粉末,后放入干燥箱中干燥备用。以混合物的体积为基数,将制得的CPP粉末加入32%的水、4‰的稳定剂——黄原胶,配制成料浆,再次入快速球磨机球磨2分钟使其混合均匀,形成稳定的混合相悬浮液。然后按壳聚糖微球与料浆的体积比≈1:2,将壳聚糖微球混入料浆,以搅拌器低速搅拌至二者完全混合均匀。将混合后的料浆倒入石膏模中,使其内的水分析出,脱模后放入60℃的电热干燥箱中烘干1小时。取出CPP模块置入陶瓷匣钵中,将其置于电炉中,升温速率控制为:室温至150℃为2℃/分、150~500℃为3℃/分、500℃至烧成温度为5℃/分的温度,升温至950~980℃,再保温煅烧30分钟,壳聚糖微球消失,得多孔聚磷酸钙生物陶瓷。
在多孔聚磷酸钙陶瓷上复多孔壳聚糖膜:
将2g的壳聚糖溶于100ml2%的醋酸中,超声波混匀,静置使其充分溶解,形成凝胶状液体。取该液体20g加入2.2ml致孔剂邻苯二甲酸二丁酯,超声混合均匀。将制得的CPP多孔材料完全置入该液体中,取出后室温下干燥,后用一定浓度的氢氧化纳溶液(ω=0.01)中和CPP材料外膜上的醋酸,去离子水洗至中性,并用丙酮洗去多余的邻苯二甲酸二丁酯,干燥后即得多孔壳聚糖膜包裹的CPP生物陶瓷材料。
实施例3
壳聚糖微球的制备:
以电子天平称取2g壳聚糖粉末加入配置好的80ml4.5%的醋酸溶液(10ml36%醋酸溶液加入70ml水)中,先以玻璃棒搅拌,再以超声波振荡器混合混匀,静置至壳聚糖粉末在醋酸中完全溶解,形成凝胶状液体。500ml三孔烧瓶中缓慢加入200ml液体石蜡,55度水浴条件下开动搅拌器恒速搅拌,以50ml空针缓慢加入壳聚糖溶胶并加入3ml乳化剂——span-80。恒速室温下搅拌并分两次加入共4ml交联剂——戊二醛。取出混合液,静置10分钟使之完全冷却并使混合液分层。弃去上层油性液体,倒入石油醚反复清洗三次,洗去其内的液体石蜡。后倒入无水乙醇反复清洗,倒入去离子水,中和其内的醋酸。将所得物分别过0.45mm,0.22mm滤膜,真空抽滤,得淡黄色壳聚糖微球。
多孔聚磷酸钙陶瓷的制备:
以电子天平称取400g粉末状磷酸二氢钙(精确至0.01g)放入坩埚中,用电炉在摄氏650℃保温煅烧6小时后自然状态下冷却,得到灰白色松散块状固体聚磷酸钙煅烧料。煅烧料用快速球磨机干法球磨5分钟后过120目筛网制成粉末,后放入干燥箱中干燥备用。以混合物的体积为基数,将制得的CPP粉末加入38%的水、2.5‰的稳定剂——黄原胶,配制成料浆,再次入快速球磨机球磨2分钟使其混合均匀,形成稳定的混合相悬浮液。然后按壳聚糖微球与料浆的体积比≈1:3,将壳聚糖微球混入料浆,以搅拌器低速搅拌至二者完全混合均匀。将混合后的料浆倒入石膏模中,使其内的水分析出,脱模后放入60℃的电热干燥箱中烘干1小时。取出CPP模块置入陶瓷匣钵中,将其置于电炉中,升温速率控制为:室温至150℃为2℃/分、150~500℃为3℃/分、500℃至烧成温度为5℃/分的温度,升温至950~980℃,再保温煅烧45分钟,壳聚糖微球消失,得多孔聚磷酸钙生物陶瓷。
在多孔聚磷酸钙陶瓷上复多孔壳聚糖膜:
将2g的壳聚糖溶于100ml2%的醋酸中,超声波混匀,静置使其充分溶解,形成凝胶状液体。取该液体20g加入1.7ml致孔剂邻苯二甲酸二丁酯,超声混合均匀。将制得的CPP多孔材料完全置入该液体中,取出后室温下干燥,后用一定浓度的氢氧化纳溶液(ω=0.01)中和CPP材料外膜上的醋酸,去离子水洗至中性,并用丙酮洗去多余的邻苯二甲酸二丁酯,干燥后即得多孔壳聚糖膜包裹的CPP生物陶瓷材料。