CN101721740A - 一种骨组织工程支架材料及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骨组织工程支架材料及其制备方法和用途，所述的支架材料以磷酸钙双相粉体为原料制成，多孔结构，孔径为100-600μm，连通孔径为45-130μm，孔隙率为45-93％；所述的磷酸钙双相粉体含有羟基磷灰石和磷酸三钙，它们的摩尔比为0-1。

Description

一种骨组织工程支架材料及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及生物材料和组织工程领域，尤其涉及用作骨组织工程支架材料及其制备方法和用途。

背景技术

骨组织工程领域中，羟基磷灰石(HAP)和磷酸三钙(TCP)是两种广泛应用的支架材料。它们均具有良好的生物相容性，将它们植入机体组织，不产生局部和全身性毒性反应，亦无局部炎症和排斥反应。而且植入物可与骨床结合，两者间不形成纤维组织而发挥其支架和骨引导作用。磷酸三钙植入骨组织或皮下，可降解吸收；羟基磷灰石具有良好的骨诱导性，双相磷酸三钙陶瓷可以为骨髓间充质干细胞提供更理想的生长环境。

组织工程支架材料通常要求具有适合的孔径和孔隙率，以便于细胞和组织的长入。为了制备出具有适合骨组织工程应用的多孔支架，国内外的学者采用有机泡沫浸渍法，快速成型法，发泡法等多种方法来制备多孔陶瓷支架，传统的添加造孔剂法制备的多孔陶瓷，往往获得的支架孔隙率低，孔的连通性差。

因此，本领域迫切需要提供一种多孔骨组织工程支架材料，它的孔径范围大，孔隙率可调，而且孔的连通性好。

发明内容

本发明旨在提供一种骨组织工程支架材料。

本发明的另一个目的是提供骨组织工程支架材料的制备方法。

本发明的再一个目的是提供骨组织工程支架材料的用途。

在本发明的第一方面，提供了一种骨组织工程支架材料，所述的支架材料包括磷酸钙双相粉体和医学上可接受的粘结剂，所述的支架材料为多孔结构，孔径为100-600μm，连通孔径为45-130μm，孔隙率为45-93％；所述的磷酸钙双相粉体由羟基磷灰石和磷酸三钙构成，它们的摩尔比为0-1。

较佳地，所述支架材料的多孔结构由制备过程中添加的石蜡微球形成，所述的石蜡微球的孔径范围包括选自下述的一种或多种组合：150-300μm、300-500μm、500-710μm。

较佳地，所述支架材料的孔径为150-400μm，孔隙率为60-93％。

在本发明的第二方面，提供了一种如上述的骨组织工程支架材料的制备方法，所述的方法包括步骤：

(a)将磷酸钙双相粉体和医学上可接受的粘结剂混合，得到混合物1；

(b)将混合物1和粒径为100-710μm的石蜡微球混合得到混合物2；和

(c)将混合物2进行煅烧得到如上所述的骨组织工程支架材料；

所述的石蜡微球和磷酸钙双相粉体的质量比5∶1-9∶1；

所述的磷酸钙双相粉体含有羟基磷灰石和磷酸三钙，它们的摩尔比为0-1。

较佳地，在步骤(c)中所述的煅烧包括下述过程：以0.3-2℃/min的升温速率升至120℃-600℃保温0-4小时，再以1-8℃/min的升温速率升至950℃-1500℃保温1-6小时，冷却得到如上所述的骨组织工程支架材料；更佳地，在步骤(c)中将混合物2在模具中静压成型、干燥后在马弗炉中进行煅烧。

在另一优选例中，在步骤(c)中将混合物2在模具中静压成型、在室温下干燥至少2天，37℃干燥至少4天后在马弗炉中进行煅烧。

较佳地，所述的石蜡微球是不同粒径范围的混合微球，包括300-500μm和150-300μm的微球的混合，500-710μm和150-300μm的微球的混合，和300-500μm和500-710μm的微球的混合。

较佳地，所述的医学上可接受的粘结剂和磷酸钙双相粉体的质量比为0.1-0.8。

较佳地，所述的医学上可接受的粘结剂选自硅溶胶、聚乙烯醇(PVA)、甲基纤维素、聚丙稀酰铵、或其混合。

较佳地，所述的硅溶胶的浓度为5-25w/v％；更佳地为15-25w/v％。

在本发明的第三方面，提供了如上所述的骨组织工程支架材料的用途，它被用于或用作构建组织工程骨移植物。

据此，本发明提供了一种多孔骨组织工程支架材料，它的孔径范围大，孔隙率可调，而且孔的连通性好。

附图说明

图1显示了石蜡微球粒径：300-500μm制备的多孔磷酸钙陶瓷的大体照片(a)和SEM照片(b)。

图2显示了石蜡微球：150-300μm/300-500μm＝1∶1制备的多孔磷酸钙陶瓷的大体照片(a)和SEM照片(b)。

图3显示了石蜡微球：150-300μm/500-710μm＝3∶2(重量比)制备的多孔磷酸钙陶瓷的大体照片。

具体实施方式

为了使骨组织工程支架材料具有更好的骨诱导性，并为种子细胞提供更理想的生长环境，必须使用多孔且孔连通性好的支架材料，发明人经过广泛而深入的研究，惊奇地发现以不同粒径范围的石蜡微球为造孔剂，加入医学上可接受的粘结剂，在煅烧过程中使石蜡挥发制备得到的骨组织工程支架材料，可达到孔径和孔连通可控的目的。并在此基础上完成了本发明。

定义

如本文所用，“磷酸钙双相粉体”和“双相磷酸三钙陶瓷”可以互换使用，都是指羟基磷灰石(HAP)和磷酸三钙(TCP)的复合物，复合物中HAP和TCP的摩尔比为0-1。可以使用本领域熟知的方法制备得到磷酸钙双相粉体，也可以通过购买市售商品获得。

如本文所用，“石蜡微球”是指石蜡制成的微球，粒径100-710μm。所述的石蜡微球可以通过本领域常规的方法制备获得，在本发明的一个优选例中，将一定量的石蜡加入浓度为2-20wt％的明胶水溶液中，加热至石蜡融化，迅速倒入冰水中，经过滤、干燥、过筛，获得直径为100-710μm的石蜡微球。

如本文所用，“医学上可接受的粘结剂”是指在多孔支架材料的制备过程中，对陶瓷粉体颗粒起到暂时的粘合作用，使得支架材料坯体易于成型，粘合之后，在煅烧过程中分解挥发或增加支架材料的强度。可以使用本领域常规的医学上可接受的粘结剂，例如但不限于，硅溶胶、聚乙烯醇(PVA)、甲基纤维素、聚丙稀酰铵、或其混合。

骨组织工程支架材料

本发明提供的骨组织工程支架材料以磷酸钙双相粉体为原料，呈多孔结构，本发明提供的支架材料孔径范围大，为100-600μm，连通孔径为45-130μm，优选孔径范围150-400μm；本发明提供的支架材料孔隙率可调，孔隙率在45-93％，优选60-93％。本发明提供的骨组织工程支架材料孔连通率大于80％，抗压强度大于15kPa，能够接种细胞，并可以保证营养物质的传输和代谢产物排出的顺利进行，也可以使血管长入。

制备方法

本发明采用添加造孔剂法来制备骨组织工程支架材料，通过添加不同粒径范围的石蜡微球作为造孔剂，调控孔径、孔隙率和孔的连通性，为骨组织工程应用筛选合适的多孔支架材料。

本发明提供的制备骨组织工程支架材料的方法包括步骤：将磷酸钙双相粉体和医学上可接受的粘结剂混合，然后再和石蜡微球混合、煅烧得到本发明提供的骨组织工程支架材料。

在本发明提供的制备方法中，可以根据所加入的石蜡微球和磷酸钙双相粉体的不同的质量比使得到的支架材料的孔隙率可调，所述的石蜡微球和磷酸钙双相粉体的质量比5∶1-9∶1；优选5.5∶1-7.5∶1。石蜡微球加入量增加，多孔支架材料的孔隙率相应增大。石蜡微球加入量过低，煅烧后获得的支架材料几乎无通孔；而加入过多的石蜡微球后，多孔支架材料的孔壁又过薄、力学强度太低而无法满足应用需要；石蜡微球和磷酸钙双相粉体的质量比为5∶1-9∶1时，经煅烧可以获得具有良好连通性和一定抗压强度的多孔支架材料，因此本发明优选5.5∶1-7.5∶1的石蜡微球/粉体质量比。根据石蜡微球加入量的多少，可以获得一定孔隙率范围的多孔支架材料。医学上可接受的粘结剂和磷酸钙双相粉体的质量比为0.1-0.8；优选0.3-0.6。

本发明的制备方法中，通过加入不同粒径范围的石蜡微球使得支架材料的孔连通性好，例如加入不同粒径范围的混合石蜡微球，选自下述的一种或多种混合方式：300-500μm和150-300μm的微球的混合，500-710μm和150-300μm的微球的混合，和300-500μm和500-710μm的微球的混合。

可以采用本发明常规的方式进行煅烧，在本发明的一个优选例中，在马弗炉采用程序升温方式进行煅烧，这样对支架材料的强度和孔结构产生良好的影响。所述的程序升温过程包括：以0.3-2℃/min(优选0.5-1℃/min)的升温速率升至120℃-600℃(优选150℃-400℃)保温0-4小时(0-3小时)，再以1-8℃/min(优选2-5℃/min)的升温速率升至950℃-1500℃(优选1050℃-1200℃)保温1-6小时(优选2-4小时)，随炉冷却得到本发明的骨组织工程支架材料。

在本发明的另一优选例中，本发明的制备方法包括步骤：

(1)将磷酸钙双相粉体和硅溶胶(所述硅溶胶的溶剂是水，浓度为5-25w/v％；优选15-25w/v％)混合均匀后加入石蜡微球，再次混合均匀；

(2)称取一定量的步骤(1)得到的混合物在模具(可以是本领域常规使用的圆柱形模具，例如但不限于一些商购的产品，天津市科器高新技术公司研制和生产的普通圆柱形模具MJY)中静压成型；和

(3)在室温下干燥至少2天，37℃干燥至少4天后在马弗炉中进行煅烧，得到骨组织工程支架材料。

本发明提供的是通过改进的添加造孔剂的制备方法，以磷酸钙双相粉体为对象，制备用于骨组织工程的多孔支架材料。以石蜡微球为造孔剂，添加硅溶胶作为医学上可接受的粘结剂，通过静压成型，烧结获得多孔支架材料。加入几种不同粒径范围的石蜡微球，最终制备出的多孔支架材料孔隙率可调，孔径可控，而且连通性好。以石蜡微球为造孔剂，制备简单，价格低廉，孔径可控，而加入不同粒径范围的石蜡微球，可以使孔的连通性大大加强，从而为骨组织工程应用提供良好的细胞和代谢物的传输通道。采用改进的添加造孔剂的方法制备的多孔双相磷酸钙陶瓷材料，孔结构可调，生物相容性和降解性好，适合细胞的粘附生长，可以为骨组织工程提供一种合适的多孔支架材料。

用途

本发明提供的骨组织工程支架材料可以用于制备骨移植物，在本发明的一个实施例中，将种子细胞接种于本发明提供的支架材料上，形成细胞-材料复合物，适宜条件下培养得到组织工程骨移植物。

本发明提到的上述特征，或实施例提到的特征可以任意组合。本案说明书所揭示的所有特征可与任何组合物形式并用，说明书中所揭示的各个特征，可以任何可提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明，所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。

本发明的主要优点在于：

1、操作简单，便于推广；

2、孔径范围大，孔的连通性好；

3、孔径和孔隙率可以方便地进行调节；

4、双相磷酸钙陶瓷的使用，具有更好的用于骨组织工程的生物相容性；

5、制备过程操作简单，所用石蜡价格低。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则所有的百分比和份数按重量计。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

实施例1

骨组织工程支架材料I

将1g磷酸钙双相粉体(HAP和TCP的摩尔比为2∶1)与0.3g硅溶胶(浓度为15w/v％，购自青岛海洋化工有限公司)混合，然后加入粒径为300-500μm的石蜡微球(石蜡购自上海华永石蜡有限公司，微球自制)6g，混合均匀，然后静压成型，得到陶瓷坯体。室温干燥2天，37℃烘箱内干燥4天，置于马弗炉进行煅烧。以1℃/min的升温速率升至200℃，保温1小时，然后再以2℃/min的升温速率升至1100℃保温3小时，随炉冷却至室温，获得骨组织工程支架材料I。陶瓷的大体照片和扫描电镜(SEM)照片显示于图1中。

结果表明，支架材料的孔径范围180-350μm，连通孔径50-80μm，孔隙率92.3％，孔连通性好，支架材料强度为18.6kPa。

实施例2

骨组织工程支架材料II

将1g磷酸钙粉体(HAP和TCP的摩尔比为1∶3)与0.6g硅溶胶(浓度20w/v％，购自青岛海洋化工有限公司)混合，然后加入粒径为150-300μm和300-500μm的石蜡微球(石蜡购自上海华永石蜡有限公司，微球自制)各3g，混合均匀，然后静压成型。室温干燥1天，37℃烘箱内干燥4天，置于马弗炉进行煅烧。以0.5℃/min的升温速率升至150℃，保温2小时，然后再以2℃/min的升温速率升至1050℃保温3小时，随炉冷却至室温，获得多孔双相磷酸钙陶瓷。陶瓷的大体照片和SEM照片显示于图2中。

结果表明，支架材料的孔径范围250-450μm，连通孔径75-130μm，孔隙率90.2％，孔连通性好，支架材料强度为21.5kPa。

实施例3

骨组织工程支架材料III

将1g磷酸钙粉体(HAP和TCP的摩尔比1∶0)与0.4g硅溶胶(浓度为25w/t％，购自青岛海洋化工有限公司)混合，然后加入粒径为150-300μm石蜡微球3g和500-710μm的微球2g(石蜡购自上海华永石蜡有限公司，微球自制)，混合均匀，然后静压成型。室温干燥1天，37℃烘箱内干燥4天，置于马弗炉进行煅烧。以0.3℃/min的升温速率升至150℃，保温1小时，然后再以2℃/min的升温速率升至1100℃保温3小时，随炉冷却至室温，获得多孔双相磷酸钙陶瓷。陶瓷的大体照片和SEM照片显示于图3中。

结果表明，支架材料的孔径范围100-600μm，连通孔径为45-80μm，孔隙率为74.7％，支架材料强度16.4kPa。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种骨组织工程支架材料，其特征在于，所述的支架材料包括磷酸钙双相粉体和医学上可接受的粘结剂，所述的支架材料为多孔结构，孔径为100-600μm，连通孔径为45-130μm，孔隙率为45-93％；所述的磷酸钙双相粉体由羟基磷灰石和磷酸三钙构成，它们的摩尔比为0-1。

2.如权利要求1所述的支架材料，其特征在于，所述支架材料的多孔结构由制备过程中添加的石蜡微球形成，所述的石蜡微球的孔径范围包括选自下述的一种或多种组合：150-300μm、300-500μm、500-710μm。

3.如权利要求1所述的支架材料，其特征在于，所述孔径为150-400μm，孔隙率为60-93％。

4.一种如权利要求1-3任一所述的骨组织工程支架材料的制备方法，其特征在于，所述的方法包括步骤：

(a)将磷酸钙双相粉体和医学上可接受的粘结剂混合，得到混合物1；

(b)将混合物1和粒径为100-710μm的石蜡微球混合得到混合物2；和

(c)将混合物2进行煅烧得到如权利要求1-3任一所述的骨组织工程支架材料；

所述的石蜡微球和磷酸钙双相粉体的质量比5∶1-9∶1；

所述的磷酸钙双相粉体含有羟基磷灰石和磷酸三钙，它们的摩尔比为0-1。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中所述的煅烧包括下述过程：以0.3-2℃/min的升温速率升至120℃-600℃保温0-4小时，再以1-8℃/min的升温速率升至950℃-1500℃保温1-6小时，冷却得到如权利要求1-3任一所述的骨组织工程支架材料；优选在步骤(c)中将混合物2在模具中静压成型、干燥后在马弗炉中进行煅烧。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的石蜡微球是不同粒径范围的混合微球，包括300-500μm和150-300μm的微球的混合，500-710μm和150-300μm的微球的混合，和300-500μm和500-710μm的微球的混合。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的医学上可接受的粘结剂和磷酸钙双相粉体的质量比为0.1-0.8。

8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的医学上可接受的粘结剂选自硅溶胶、聚乙烯醇(PVA)、甲基纤维素、聚丙稀酰铵、或其混合。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述的硅溶胶的浓度为5-25w/v％；优选15-25w/v％。

10.如权利要求1-3任一所述的骨组织工程支架材料的用途，其特征在于，被用于或用作构建组织工程骨移植物。

Images