CN101745144A - 骨诱导性多孔钛人工骨的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种骨诱导性多孔钛人工骨制备方法。该方法将多孔钛块体加工成所需形状并清洗干净；再将其表面活化：将其放入由硫酸、盐酸和去离子水配成的酸溶液中处理，接着放入氢氧化钠碱溶液中；或放入氢氟酸、硝酸和去离子水配成的酸溶液中处理，接着放入双氧水溶液中；或放入氢氟酸、硝酸和去离子水配成的酸溶液中处理，接着放入含五氯化钽的双氧水溶液中；其特征为不需预沉积钙磷层就可使多孔钛表面均匀活化，在模拟体液中于36.5℃浸泡，28天内可诱导类骨磷灰石沉积；可赋予多孔钛人工骨以骨诱导性。本发明制备的骨诱导性多孔钛人工骨用于骨组织修复、替换或增强，增强植入部位骨组织再生和界面结合；且工艺简单、操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物医用材料制备技术，特别涉及一种骨诱导性多孔钛人工骨的制备新方法，属于生物医学材料领域。
背景技术
从临床的观点来看，理想的骨替换修复材料应该具有优异的力学性能，良好的生物相容性，骨传导性以及骨诱导性。
以羟基磷灰石(HA)为代表的磷酸钙类生物陶瓷材料与自然骨的无机成分类似，不仅具有良好的生物相容性和骨传导性，而且特定多孔结构的磷酸钙陶瓷还具有骨诱导性，即在不外加生长因子或成骨细胞的非骨环境下能诱导骨的形成。但由于其强度低、脆性大以及在生理环境中抗疲劳性差而仅限于非负重部位的骨缺损修复。
多孔钛及其合金因其不仅具有良好的生物相容性，而且具有优异的力学性能使其能够用作承重部位的骨缺损修复而引起了广泛的兴趣。它的弹性模量可以通过改变孔隙率来调整，使其达到与被替换骨组织近似匹配的力学性能，从而减轻或消除应力屏蔽。连通的三维多孔结构有利于水分和营养物质在植入体内部传输，促进骨组织向内生长形成生物固定，从而增强植入体与骨之间的界面稳定性。然而，钛是一种生物惰性材料，自身的骨传导性是有限的。因此，一些表面改性方法用来提高多孔钛的生物活性以及骨诱导性。Vehof等和van den Dolder J等分别在多孔钛纤维网眼上装载成骨细胞或骨形态发生蛋白，植入动物体内后异位诱导了骨形成和提高了材料的骨愈合能力(Vehof，J.W.M.et al.Bone formation in calcium-phosphate-coated titanium mesh.Biomaterials，2000；21(19)：2003-2009.Vehof，J.W.M.et al.Histologicalcharacterization of the early stages of bone morphogenetic protein-inducedosteogenisis.Journal of Biomedical Materials Research，2002；61(3)：440-449.vanden Dolder J.et al.Bone tissue reconstruction using titanium fiber meshcombined with rat bone marrow stromal cells.Biomaterials，2003；24：1745-50)。Habibovic等在多孔钛合金植入体上制备仿生磷酸八钙涂层，发现这种植入体能够提高植入体的骨传导性和赋予其骨诱导性(Pamela Habibovic et al，Biologicalperformance of uncoated and octacalcium phosphate-coated Ti6Al4V，Biomaterials，26(2005)23-36)。Fujibayashi等和Takemoto等对等离子喷涂的多孔钛进行化学和热处理，植入狗背部肌肉后异位诱导了骨的形成(Fujibayashi S，et al.Osteoinduction of porous bioactive titanium metal.Biomaterials，2004；25(3)：443-450.Takemoto M，et al.Osteoinductive porous titanium implants：Effect of sodium removal by dilute HCl treatment.Biomaterials，2006；27(13)：2682-2691.)。然而，细胞或骨形态发生蛋白/支架构建物存在运输、保存及长期安全性等问题。至于在多孔钛上制备仿生磷酸八钙涂层，它与基体之间弱的结合强度以及涂层的厚度在多孔钛植入体的内外表面不均匀仍然是一个问题。因此仅仅通过对多孔钛基体进行直接表面活化，而不需在表面预先沉积钙磷层，就能赋予其骨诱导性的表面活化方法具有广阔的前景。目前有报道认为具有骨诱导性的生物材料在骨植入部位比不具有骨诱导性的材料显示出更好的成骨性能(Pamela Habibovic，et al.Osteoinductive biomaterials-properties and relevance in bone repair，JOURNALOF TISSUE ENGINEERING AND REGENERATIVE MEDICINE，2007；1：25-32)。因此，制备骨诱导性多孔钛人工骨具有很大的实用价值。
发明内容
本发明的目的正是针对上述骨诱导性多孔钛人工骨制备方法的不足之处和用作骨组织修复的广阔应用前景，提供一种工艺简单、成本较低的表面活化新方法来制备具有骨诱导性的多孔钛人工骨，以进一步加快骨的愈合过程。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下措施构成的技术方案来实现的。
本发明用于骨诱导性多孔钛人工骨的制备方法，依次包括以下工艺步骤：
(1)加工清洗
将用浆料发泡法制备好的多孔钛块体，或其他方法制备好的多孔钛块体经机加工成所需要的形状后，依次用石油醚，丙酮，无水乙醇和去离子水分别超声清洗20分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，即得多孔钛人工骨；
(2)对多孔钛人工骨进行表面活化
或酸碱处理
将清洗好的多孔钛人工骨放入由体积比为1∶1∶2的98wt％硫酸、38wt％盐酸和去离子水配制成的酸溶液中，在70℃烘箱中放置0.5-1小时；取出后用去离子水冲洗干净，然后放入1-6M/L氢氧化钠碱溶液中，在70℃烘箱中保持5小时，再用去离子水轻轻冲洗干净后在室温下晾干，即得骨诱导性多孔钛人工骨；
或双氧水处理
将清洗好的多孔钛人工骨放入由体积比为1∶10∶89的55wt％氢氟酸、65wt％硝酸和去离子水配制成的酸溶液中，在室温下处理30-90秒，取出后在去离子水中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，然后放入30wt％双氧水溶液中，于80℃下处理2-4天，再用去离子水轻轻冲洗干净后在室温下晾干，即得骨诱导性多孔钛人工骨；
或包含五氯化钽的双氧水处理
将清洗好的多孔钛人工骨放入由体积比为1∶10∶89的55wt％氢氟酸、65wt％硝酸和去离子水配成的酸溶液中，在室温下处理30-90秒，取出后在去离子水中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，然后放入包含1-5mM/L五氯化钽的30wt％双氧水溶液中于80℃下处理2-4天，取出后在去离子水中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，即得骨诱导性多孔钛人工骨。
上述技术方案中，所述多孔钛块体为具有多孔结构的多孔钛块体，或具有多孔结构的钛合金块体。
上述技术方案中，所述多孔钛块体的多孔结构中，其中宏观大孔尺寸大于100μm，且宏观大孔之间相互贯通，同时其孔壁具有几微米至数十微米的微孔。
本发明还可采用其它表面活化方法如阳极氧化法等，将多孔钛人工骨活化处理后，再用去离子水冲洗干净并在室温下晾干，即得骨诱导性多孔钛人工骨。表面活化处理其特征是能够使多孔钛的外部和内部连通孔隙表面均匀活化，不需预沉积钙磷层，但在模拟体液中进行生物活性评价时，活化后的表面在模拟体液中于36.5℃浸泡，在28天内可诱导类骨磷灰石在多孔钛的外部和内部连通孔隙表面沉积，说明多孔钛人工骨可具有骨诱导性。
本发明方法制备的骨诱导性多孔钛人工骨的生物活性评价：
本发明将经过活化处理得到的骨诱导性多孔钛人工骨在模拟体液中浸泡评价其生物活性，模拟体液是指Kokubo等发明的模拟人体血清中无机离子组成的溶液，溶液的离子浓度为142mM Na+，5mM K+，1.5mM Mg2+，2.5mM Ca2+，147.8mM Cl-，4.2mM HCO3 -，1mM HPO4 2-和0.5mM SO4 2-，当骨诱导性多孔钛人工骨在模拟体液中于36.5℃浸泡时，在28天内观察到类骨磷灰石在其表面沉积，证明其具有良好的生物活性。
本发明方法制备的骨诱导性多孔钛人工骨的骨诱导性评价：
本发明将经过体外生物活性评价的、具有诱导类骨磷灰石沉积能力的骨诱导性多孔钛人工骨经过灭菌后植入成年犬的背部肌肉3-12个月，在骨诱导性多孔钛人工骨的内部孔隙中观察到骨组织形成时，证明其具有骨诱导性。
本发明方法制备的骨诱导性多孔钛人工骨具有以下优点和积极的技术效果：
1、本发明工艺简单、设备要求和原料成本低、操作方便。
2、本发明制备的骨诱导性多孔钛人工骨有利于加快骨组织缺损或骨组织替换部位的骨愈合过程。
3、本发明制备的骨诱导性多孔钛人工骨既具有骨诱导性生物活性陶瓷的优点，同时因其具有优异的力学性能而克服了骨诱导性生物活性陶瓷脆性的缺点，可用于承重和非承重部位的骨组织替换或骨组织缺损修复。
4、本发明采用对多孔钛人工骨表面活化处理，其特点是能够使多孔钛的外部和内部连通孔隙表面均匀活化，不需预沉积钙磷层，但在模拟体液中进行生物活性评价时，活化后的表面在模拟体液中于36.5℃浸泡，在28天内可诱导类骨磷灰石在多孔钛的外部和内部连通孔隙表面沉积。
附图说明
图1为本发明酸碱处理中的一个最佳实施例制备的骨诱导性多孔钛人工骨在模拟体液中浸泡1天后的图片，其中，(a)为在其表面沉积的类骨磷灰石的扫描电镜图，(b)为植入成年犬的背部肌肉3个月的组织切片图；(c)为兔桡骨段缺损修复1月的大体图，(d)为兔桡骨段缺损修复1月的组织切片图；
图2为本发明双氧水处理中的一个最佳实施例制备的骨诱导性多孔钛人工骨在模拟体液中浸泡1天后的图片，其中，(a)为在其表面沉积的类骨磷灰石的扫描电镜图，(b)为植入成年犬的背部肌肉5个月的组织切片图；
图3为本发明包含五氯化钽的双氧水处理中的一个最佳实施例制备的骨诱导性多孔钛人工骨在模拟体液中浸泡1天后的图片，其中，(a)为在其表面沉积的类骨磷灰石的扫描电镜图，(b)为植入成年犬的背部肌肉5个月的组织切片图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合效果图对本发明进行具体的描述和进一步的详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。
实施例1
将用浆料发泡法制备好的多孔钛块体经机加工成长4mm，宽5mm，高12mm的样品，其孔尺寸主要分布在100-700μm，平均大孔尺寸为270μm，孔壁粗糙，有2-70微米的微孔分布于大孔壁上。将样品依次用石油醚，丙酮，无水乙醇和去离子水分别超声清洗20分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，即得多孔钛人工骨。将清洗好的多孔钛人工骨放入由体积比为1∶1∶2的98wt％硫酸、38wt％盐酸和去离子水配成的酸溶液中，在70℃烘箱中放置1小时；取出后用去离子水冲洗干净，然后放入6M/L氢氧化钠溶液中，在70℃保持5小时，再用去离子水轻轻冲洗干净后在室温下晾干，即制备出骨诱导性多孔钛人工骨。这种骨诱导性多孔钛人工骨在30ml模拟体液中于36.5℃浸泡1天，即可在其内外表面观察到类骨磷灰石沉积，扫描电镜图片如图1(a)所示；这种骨诱导性多孔钛人工骨经γ射线灭菌后植入成年犬的背部肌肉3个月，即可在其内部孔隙中观察到骨组织的形成，组织学切片观察如图1(b)所示。
将本实例制备的骨诱导性多孔钛人工骨用于兔桡骨段缺损修复1月，其修复效果如图1(c)所示，组织切片如图1(d)所示，骨诱导性多孔钛人工骨与骨组织界面结合良好无间隙，孔内大量骨组织填充，表明骨诱导性多孔钛人工骨用于骨组织修复，有利于增强修复部位的骨组织再生和界面结合，在骨组织修复方面具有广阔的应用前景。
实施例2
将用浆料发泡法制备好的多孔钛块体经机加工成直径4mm，高10mm的样品，其孔尺寸主要分布在100-700μm，平均大孔尺寸为320μm，孔壁粗糙，有2-70微米的微孔分布于大孔壁上。将样品依次用石油醚，丙酮，无水乙醇和去离子水分别超声清洗20分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，即得多孔钛人工骨。将清洗好的多孔钛人工骨放入由体积比为1∶10∶89的55wt％氢氟酸、65wt％硝酸和去离子水配成的酸溶液中，在室温下处理90秒，取出后在去离子水中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干；然后放入30wt％双氧水溶液中于80℃下处理3天，再用去离子水轻轻冲洗干净后在室温下晾干，即可制备出骨诱导性多孔钛人工骨。这种骨诱导性多孔钛人工骨在30ml模拟体液中于36.5℃浸泡1天，即可在其内外表面观察到类骨磷灰石沉积，扫描电镜图片如图2(a)所示；这种骨诱导性多孔钛人工骨经γ射线灭菌后植入成年犬的背部肌肉5个月，即可在其内部孔隙中观察到骨组织的形成，组织学切片观察如图2(b)所示。
实施例3
将用浆料发泡法制备好的多孔钛合金块体经机加工成边长为5mm的正方体样品，其孔尺寸主要分布在100-700μm，平均大孔尺寸为450μm，孔壁粗糙，有2-80微米的微孔分布于大孔壁上。将样品依次用石油醚，丙酮，无水乙醇和去离子水分别超声清洗20分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，即得多孔钛人工骨。将清洗好的多孔钛人工骨放入由体积比为1∶10∶89的55wt％氢氟酸、65wt％硝酸和去离子水配成的酸溶液中，在室温下处理90秒，取出后在去离子水中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干；然后放入包含3mM/L五氯化钽的30wt％双氧水溶液中于80℃下处理3天，取出后在去离子水中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，即制备出骨诱导性多孔钛人工骨。这种骨诱导性多孔钛人工骨在30ml模拟体液中于36.5℃浸泡1天，即可在其内外表面观察到类骨磷灰石沉积，扫描电镜图片如图3(a)所示；这种骨诱导性多孔钛人工骨经γ射线灭菌后植入成年犬的背部肌肉5个月，即可在其内部孔隙中观察到骨组织的形成，组织学切片观察如图3(b)所示。
以上实施例通过表面活化方法制备的骨诱导性多孔钛人工骨，在模拟体液中浸泡后，证明其具有良好的生物活性；骨诱导性多孔钛人工骨经过灭菌后植入成年犬的背部肌肉，在骨诱导性多孔钛人工骨的内部孔隙中观察到骨组织形成，证明其具有骨诱导性。因此，本发明制备的骨诱导性多孔钛人工骨用于骨组织修复，将有利于增强修复部位的骨组织再生和界面结合，在骨组织修复方面具有广阔的应用前景。
Claims (3)
1.一种骨诱导性多孔钛人工骨的制备方法，其特征在于依次包括以下工艺步骤：
(1)加工清洗
将制备好的多孔钛块体经机加工成所需要的形状后，依次用石油醚，丙酮，无水乙醇和去离子水分别超声清洗20分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，即得多孔钛人工骨；
(2)对多孔钛人工骨进行表面活化
或酸碱处理
将清洗好的多孔钛人工骨放入由体积比为1∶1∶2的98wt％硫酸、38wt％盐酸和去离子水配制成的酸溶液中，在70℃烘箱中放置0.5-1小时；取出后用去离子水冲洗干净，然后放入1-6M/L氢氧化钠碱溶液中，在70℃烘箱中保持5小时，再用去离子水轻轻冲洗干净后在室温下晾干，即得骨诱导性多孔钛人工骨；
或双氧水处理
将清洗好的多孔钛人工骨放入由体积比为1∶10∶89的55wt％氢氟酸、65wt％硝酸和去离子水配制成的酸溶液中，在室温下处理30-90秒，取出后在去离子水中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，然后放入30wt％双氧水溶液中，于80℃下处理2-4天，再用去离子水轻轻冲洗干净后在室温下晾干，即得骨诱导性多孔钛人工骨；
或包含五氯化钽的双氧水处理
将清洗好的多孔钛人工骨放入由体积比为1∶10∶89的55wt％氢氟酸、65wt％硝酸和去离子水配成的酸溶液中，在室温下处理30-90秒，取出后在去离子水中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，然后放入包含1-5mM/L五氯化钽的30wt％双氧水溶液中于80℃下处理2-4天，取出后在去离子水中超声清洗15分钟，再用去离子水冲洗干净后在室温下晾干，即得骨诱导性多孔钛人工骨。
2.根据权利要求1所述的骨诱导性多孔钛人工骨的制备方法，其特征在于所述多孔钛块体为具有多孔结构的多孔钛钛块，或具有多孔结构的钛合金块体。
3.根据权利要求1或2所述的骨诱导性多孔钛人工骨的制备方法，其特征在于所述多孔钛块体的多孔结构中，其中宏观大孔孔尺寸大于100μm，且宏观大孔之间相互贯通，同时其孔壁具有几微米至数十微米的微孔。
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