CN101357239B - 偏磷酸钙作为非硬组织工程材料的用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了偏磷酸钙(CMP)作为非硬组织工程材料的用途。非硬组织工程材料可以是由偏磷酸钙单一材料制成，也可以是由偏磷酸钙与高分子材料复合而成，高分子材料包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟丁酸、聚己内酯、聚氨酯、聚酸酐、胶原、壳聚糖、明胶、透明质酸和纤维蛋白凝胶中的一种或几种。偏磷酸钙提供细胞亲和性，高分子材料提供力学性能。与现有技术相比，本发明的优点是：在CMP/高分子复合材料中，高分子材料提供稳定的力学环境且易成型，CMP促进细胞粘附和亲和。在CMP复合支架材料吸收以前，细胞已扩增到足够数量并产生足够的细胞外基质，从而提高细胞与材料的粘附能力，提高组织工程支架的抗凝血、抗血栓能力。

Description

偏磷酸钙作为非硬组织工程材料的用途

技术领域

本发明涉及偏磷酸钙作为非硬组织工程材料的用途，属于生物材料和组织工程技术领域。

背景技术

偏磷酸钙(Calcium Metaphosphate glass ceramics，CMP)材料是一种非常新的组织工程支架材料。如生物材料学家Monem AS发现钛金属表面被CMP陶瓷改性后，其与动物组织的结合更加紧密。生物材料学家Park EK等在其自制的CMP块表面接种MSC细胞，并进行了细胞毒性实验、增殖实验、形态学分析和基因表达监测，实验结果表明：细胞与材料表面结合紧密，在BMP生长因子作用下，可促使ALP，OPG等若干骨相关基因发生表达。这些研究均肯定了CMP优越的生物相容性、降解性能和力学性能，但由于偏磷酸钙力学强度过大及材料本身化学成分含钙磷多的原因，所有的生物材料学家仅将此材料应用于硬组织工程，而没有进一步广泛而深入的研究。

组织工程是解决当前生物替代材料的一项重要技术，其中支架材料的研究也是其中一个重要环节，有着非常重要的研究意义。在组织工程研究中，现今最常用的是聚羟基乙酸(polyglycolic acid，PGA)、聚乳酸(polylactic acid，PLA)和聚羟丁酸(poly-4-hydroxybutyrate，P4HB)系列材料。这三种材料有很多优点，诸如可降解、可塑性强、抗原性低、组织相容性好等，经材料处理工艺可加工成管状支架结构。PLA和PGA的主要缺点是亲水性不足，细胞吸附能力较弱，降解过程中引起无菌性炎症，机械强度不足等。P4HB与PLA和PGA相比较，具有一定的优势：①体内降解时，机械强度下降速度慢；②降解过程中不产生强酸性产物；③潮湿环境下相对稳定，保存时间长。但P4HB的主要缺点仍是亲水性不足，细胞吸附能力较弱。由此可见，如何提高PLA、PGA、P4HB等材料的细胞亲和性是当前亟待解决的问题和研究的重点。

目前，应用在非硬组织工程中的支架材料包括无机材料、天然高分子材料和人工合成高分子材料以及上述材料组成的复合材料。其中，无机材料包括羟基磷灰石、磷酸钙、生物玻璃等，天然高分子材料包括胶原、壳聚糖、明胶、透明质酸、纤维蛋白凝胶等，人工合成高分子材料包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟丁酸、聚己内酯、聚氨酯、聚酸酐等。目前偏磷酸钙/高分子复合材料多应用在骨折内固定材料，如专利CN101143230A公布了一种利用两步模压法制备偏磷酸钙晶须增强聚乳酸骨折内固定材料，而在非硬组织方面的应用还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供偏磷酸钙的新用途，即作为新组织工程材料的用途，应用偏磷酸钙可解决包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟丁酸、聚己内酯、聚氨酯、聚酸酐、胶原、壳聚糖、明胶、透明质酸、纤维蛋白凝胶等高分子材料的细胞亲和性和粘附性等问题，获得新型组织工程材料。

实际上，本发明涉及偏磷酸钙作为非硬组织工程材料的用途。

本发明所述的非硬组织工程材料可以是由偏磷酸钙单一材料制成，也可以是由偏磷酸钙与高分子材料复合而成。偏磷酸钙提供细胞亲和性，高分子材料提供力学性能。偏磷酸钙与高分子材料的复合方法可应用现有的多种合成工艺，如共混法，微球法等。

本发明所述的高分子材料包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟丁酸、聚己内酯、聚氨酯、聚酸酐、胶原、壳聚糖、明胶、透明质酸和纤维蛋白凝胶中的一种或几种。

由于实际用途差异，偏磷酸钙的组分含量可以较大的改变，其百分数含量占非硬组织工程材料总量可从0.01％至100％。

本发明所述的偏磷酸钙是指偏磷酸钙晶体、Ca与P的摩尔比为0.4-0.6∶1的偏磷酸钙非晶体或上述两者的混合物。

本发明所述的非硬组织是指除骨、软骨和牙三种组织之外的如牙周、皮肤、肝、肾、神经、心脏、血管和瓣膜等组织。

与现有技术相比，本发明的优点是：在偏磷酸钙(CMP)/高分子复合材料中，高分子材料提供稳定的力学环境且易成型，CMP促进细胞粘附和亲合。在CMP复合支架材料吸收以前，细胞已扩增到足够数量并产生足够的细胞外基质(Extracellular Matrixc，ECM)，从而提高细胞与材料的粘附能力，提高组织工程支架的抗凝血、抗血栓能力。

附图说明

图1为CMP材料的细胞亲和性能示意图，其中左上图：SEM图，MSC在多孔CMP孔洞内部，7d；右上图：SEM图，MSC在多孔CMP孔洞内部，7d；左下图：SEM图，MSC在非多孔CMP表面，7d；右下图：SEM图，对照组，未接种MSC细胞在CMP表面。

图2为CMP材料相关性能及研究装置示意图，其中图A：自制球磨CMP粒子，直径约10μm；图B：自制CMP玻璃陶瓷表面形貌，100-300μm大孔与2-5μm微孔并存；图C：P4HB材料(Mw＝1×10⁶，PHA4400，Tepha，Cambridge，MA)的表面结构；图D：SEM图，MSC在多孔CMP表面，3d；图E：CMP玻璃陶瓷植入动物皮下组织；图F：一种生物反应器，可进行组织工程血管中细胞的培养；图G：罗叶泵脉动流系统，有压力控制。

图3为CMP与胶原复合后材料的细胞亲和性图，其中左上图：SEM图，CMP材料图；右上图：SEM图，胶原-CMP共混法制备的复合材料；左下图：SEM图，MSC在胶原表面生长，3d；右下图：SEM图，MSC在胶原-CMP共混材料表面生长，3d。

具体实施方式

本发明实施例提供了偏磷酸钙(CMP)作为非硬组织工程材料的用途，非硬组织是指除骨、软骨和牙三种组织之外的如牙周、皮肤、肝、肾、神经、心脏、血管和瓣膜等组织。非硬组织工程材料可以是由偏磷酸钙单一材料制成，也可以是由偏磷酸钙与高分子材料复合而成。偏磷酸钙可采用偏磷酸钙晶体、Ca与P的摩尔比为0.4-0.6∶1的偏磷酸钙非晶体或上述两者的混合物，高分子材料可选用聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟丁酸、聚己内酯、聚氨酯、聚酸酐、胶原、壳聚糖、明胶、透明质酸和纤维蛋白凝胶中的一种或几种。由于实际用途差异，偏磷酸钙的组分含量可以较大的改变，其百分数含量占非硬组织工程材料总量可从0.01％至100％。偏磷酸钙提供细胞亲和性，高分子材料提供力学性能。偏磷酸钙与高分子材料的复合方法可应用现有的多种合成工艺，如共混法，微球法等。

如图1-3所示，本发明人设计制备的CMP玻璃陶瓷具有优异的细胞亲和性。分别将表皮细胞(epidermal cell，EC)、人骨髓间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cell，MSC)等细胞种植在多孔CMP玻璃陶瓷和羟基磷灰石陶瓷(Hydroxyapatite，HAP)表面，SEM结果证实，细胞均能与CMP和HAP表面粘附，粘附形状有一定差异。实验还显示，所有细胞均能在CMP孔洞里大量生长，但长入HAP孔洞内的较少。由于材料与细胞亲和性的理论研究尚不够深入，现有知识表明，材料与细胞的粘附与下列因素有关：材料表面化学，材料亲疏水性，材料电荷性，材料拓朴结构等，本发明人对此也进行了一系列前期研究。事实上，上述研究大部分均在一些文献中已有所发表，但下面内容还没见报道：①分别将CMP玻璃陶瓷植入SD大鼠皮下和头骨下，发现CMP玻璃陶瓷在3个月后均降解完全且整个降解周期未形成纤维性包膜囊，证明CMP玻璃陶瓷在体内可完全降解，且具有优异的细胞亲和性；②在流速为0.17m/s下，EC和MSC在CMP玻璃陶瓷的表面流失率为20％，28％，而HAP则为62％，83％。

总而言之，由于CMP有非常好的细胞粘附能力，这一点与以前的无机生物材料是有很大的差别。无机材料中，常研究的HAP基本不能降解，且会成骨，与细胞结合不是很紧密。而TCP能降解，但力学性能较低差，同时，也易成骨，变成HAP。而CMP材料，本发明人的研究是其会完全降解，且没有成骨。而高分子材料，如前述那些与细胞的粘附都不是很好，细胞易掉。

图1说明：此图显示了CMP材料的细胞亲和性能。在静态培养条件下，MSC细胞可长入孔洞内部，且细胞数量大。同时，细胞也能在材料表面快速生长。

图2说明：实验室已能够制备粉末状和多孔状CMP材料，同时已研究了CMP材料的动物实验，结果证实，CMP材料有非常优异的生物相容性能。图2F，G是实验室研究细胞动态培养的装置，通过此装置，本发明人检验了CMP材料在流场下的粘附能力，结果证实，CMP材料有较好的细胞粘附能力。

图3说明：将胶原和CMP材料复合后的材料显示比胶原更好的细胞生物相容性能，其细胞生长数量更多。

Claims (5)

1.偏磷酸钙作为非硬组织工程材料的用途，所述的非硬组织指的是除骨、软骨和牙三种组织之外的皮肤、肝、肾、神经、心脏、血管和瓣膜组织。

2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述的非硬组织工程材料为偏磷酸钙或偏磷酸钙与高分子材料复合而成。

3.根据权利要求2所述的用途，其特征在于，所述的高分子材料包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚羟丁酸、聚己内酯、聚氨酯、聚酸酐、胶原、壳聚糖、明胶、透明质酸和纤维蛋白凝胶中的一种或几种。

4.根据权利要求1或2所述的用途，其特征在于，所述的偏磷酸钙的百分数含量占非硬组织工程材料总量的0.01-100％。

5.根据权利要求4所述的用途，其特征在于，所述的偏磷酸钙是指偏磷酸钙晶体、Ca与P的摩尔比为0.4-0.6∶1的偏磷酸钙非晶体或上述两者的混合物。

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