CN101954118A - 一种用于硬组织修复的含水凝胶/纳米羟基磷灰石复合支架的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物医用材料科学领域，具体涉及一种用于促进硬组织修复的水凝胶/羟基磷灰石复合支架的制备方法，具体步骤有：静电纺丝法制备小血管；利用热压/盐析的方法制备以小血管为预留通道内壁的可降解三维支架材料；将以环糊精和三嵌段聚合物以及纳米羟基磷灰石形成的可注射超分子水凝胶注入预留通道中；将所得到的支架放入生长因子培养液中浸泡，修饰。本发明制得的支架材料的组成、性质、形状更适合于骨表面血管化形成，新生细胞和养分可以通过预留通道中的水凝胶进入支架内侧，诱导骨生成，从而更好的完成骨缺损的修复,本发明的骨修复效果相比于其他骨修复材料明显提高，力学性能、血管化功能和骨修复功能都比普通的骨修复材料效果明显。

Description

一种用于硬组织修复的含水凝胶/纳米羟基磷灰石复合支架的制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料科学领域，具体涉及一种用于硬组织修复的水凝胶/羟基磷灰石复合支架的制备方法。
背景技术
1993年，Langer和Vacanti提出，组织工程的基本含义是应用工程学和生命科学的基本原理和技术，在体外构建具有生物功能的替代物，用于修复组织缺损，替代失去功能或衰竭的组织、器官的部分或全部功能。 骨组织工程支架材料则是一类研究开发修复和改善损伤骨组织形态和功能的生物替代物的一门学科。骨组织工程一方面作为种子细胞和生长因子的载体将其运送到缺损部位，另一方面还给新生骨提供制成的作用，好的骨支架必须在力学性能、诱导再生性能、安全性能等都有适当保证。然而目前的骨组织支架性能还比较欠缺，离实际应用还有较大差距，除了材料本身性能与人体骨性能差距较大外，骨组织工程血管化不足也是一个重要原因。
体外构建的细胞-支架复合物植入人体后，周边的细胞可依靠渗透作用植入组织床获得营养和氧气，但距支架边缘200μm以上的细胞却存在营养供应不足，必须得到血运系统重建存活。而且，血液中的生长因子或促生长物质可刺激干细胞成熟分化，促进组织形成。在骨愈合过程中，矿物质的沉积也需要充足的血运，因此，组织工程骨的血管化对缺损骨修复具有非常重要的意义。
目前，促进组织工程血管化的方法主要有联合细胞培养、生长因子应用、纤维外科血供重建。其中，支架材料的三维多孔结构、化学组成、降解特性、孔表面粗糙度、表面修饰等特性也在较大程度上影响细胞的迁入、贴附和新生血管的走向、数量、密度。
除此之外，目前的骨支架材料具有不同规则、各向同性的孔隙结构以及相对较低的孔隙贯通性，使新生骨组织往往在支架的外缘形成，组织了细胞渗透到支架内部，妨碍了支架内部体液的相互交换，最终导致支架内部长入组织的坏死。      
因为支架材料性能对于骨血管化形成意义重大，并决定了骨组织工程修复的效果，所以需要一种新的支架制备方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于硬组织修复的水凝胶/羟基磷灰石复合支架的制备方法。从选材和制备工艺上进行创新设计，解决了材料性能不足、血管化难形成、组织难以渗透到支架内部等缺点。
本发明提出的一种用于硬组织修复的水凝胶/羟基磷灰石复合支架的制备方法，具体步骤如下：
(1)制备小血管：配置血管原料溶液后，进行静电纺丝，静电纺丝参数为电压16-18kv，转速500-600r/min，高度10-12cm，制备直径为0.5-2mm的小血管，切成长度为2cm的小段；
(2)制备含有预留通道的可降解三维支架材料：配置可降解聚合物溶液，盐滤致孔，加入步骤(1)所得的小血管热压成型，得到含有预留通道的可降解三维支架材料；
(3)含超分子水凝胶的可降解三维支架材料的制备：先将α-环糊精和纳米羟基磷灰石组分混合，超声15分钟，与水溶性聚合物混合，立即注入步骤(2)所得的支架材料的预留通道中，3分钟后，完全凝胶，形成预留通道中含有超分子水凝胶的可降解三维支架材料；
其中，纳米羟基磷灰石、α-环糊精混合水溶液的质量分数为5%-10%，纳米羟基磷灰石与α-环糊精混合的质量比为1:25-50，水溶性聚合物的质量浓度为5%-15%，水溶性聚合物与α-环糊精和纳米羟基磷灰石混合溶液的体积比为1:3；
(4)含有生长因子的三维支架的制备：将步骤(3)得到的含超分子水凝胶的可降解三维支架材料浸没在含有生长因子的溶液中5分钟，即得所需产物，可植入骨缺损位置进行骨修复。
本发明中，步骤(1)所述的血管原料溶液为胶原、聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）或聚己内酯（PCL）中的一至几种溶解在六氟异丙醇中制得，其中质量比各为胶原:聚乳酸为3:7，胶原:聚乳酸:聚乙醇酸为2:7:1，聚乳酸:聚己内酯为5:5。
本发明中，步骤(2)所述的可降解聚合物溶液为质量比为3:7或5:5或1:9的聚乳酸/聚己内酯。
本发明中，步骤(3)所述的水溶性聚合物聚己内酯聚乳酸的六臂星型聚合物、聚乙二醇-聚己内酯-聚乙二醇三嵌段共聚物或聚乳酸聚羟基乙酸中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：因为这种预留通道中植入含有纳米羟基磷灰石水凝胶的三维多孔可降解支架材料使用时占有生长因子，使得支架材料的组成、性质、形状更适合于骨表面血管化形成，同时设计含有水凝胶的预留通道，新生细胞和养分可以通过预留通道中的水凝胶进入支架内侧，从而更好的完成骨缺损的修复，而且含有纳米羟基磷灰石在水凝胶降解过程中释放，可以更好的诱导骨生成，本发明的骨修复效果相比于其他骨修复材料明显提高。力学性能、血管化功能和骨修复功能都比普通的骨修复材料效果明显。
附图说明
图1是被生长因子修饰的含小血管的超分子水凝胶支架示意图。1是由α-CD和聚合物组成的超分子水凝胶，2是修饰在小血管和超分子水凝胶表面的用于促进组织修复的生长因子，3是用于促进骨组织分化的羟基磷灰石，4是分散在超分子水凝胶中的小血管。
图2是实施例1以小血管作为预留通道的复合支架环境扫描电镜图(放大倍率：100倍)。
图3是实施例1以小血管作为预留通道的复合支架环境扫描电镜图(放大倍率：500倍)。
图4是实施例2以小血管作为预留通道的三维支架材料的纵截面环境扫描电镜图(放大倍率：100倍)。
图5是实施例2以小血管作为预留通道的三维支架材料的纵截面环境扫描电镜图(放大倍率：200倍)。
图6是以小血管作为预留通道的三维支架材料图片。
具体实施方式
    下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1.
第一步：将浓度为8%胶原和PLA按质量比为1:2溶解在六氟异丙醇中，待完全溶解后，静电纺丝，纺丝参数为：电压18kv，转速为500r/min，高度为10cm，制备直径为0.5mm的小血管，切成长度为2cm的小段，备用；
第二步：将PLA和PCL按1:1的质量比混合，氯仿溶解后加入氯化钠，放置1h，盐滤致孔，加入小血管热压成型，得到含有预留通道的可降解三维支架材料；
第三步：将 1g可降解水溶性聚合物PEG2000溶解在10ml水中，将0.1gα-环糊精和0.005g纳米羟基磷灰石溶解在10ml水中，超声分散15分钟，将两种溶液按1:1体积比混合，立即注入支架材料的预留通道中，3分钟后，完全凝胶，形成预留通道中含有超分子水凝胶的可降解三维支架材料。
第四步：将第三步得到的预留通道中注入超分子水凝胶的可降解三维支架材料浸没在含有生长因子的溶液中5分钟，即可植入骨缺损位置，进行骨修复。
图2、图3分别是放大倍数为100和500的以小血管作为预留通道的复合支架的环境扫描电镜图片。图片说明了小血管在热压过程中保持了较好的形态，并且形成了畅通的预留通道。
实施例2
第一步：将浓度为8%胶原和PLA按质量比为1:3溶解在六氟异丙醇中，待完全溶解后，静电纺丝，纺丝参数为：电压16kv，转速为600r/min，高度为12cm，制备直径为1.0mm的小血管，切成长度为2cm的小段，备用；
第二步：将PLA和PCL按1:1的质量比混合，氯仿溶解后加入氯化钠，放置1h，盐滤致孔，加入小血管热压成型，得到含有预留通道的可降解三维支架材料；
第三步：将 1g可降解水溶性聚合物PEG2000溶解在10ml水中，将0.1gα-环糊精和0.005g纳米羟基磷灰石溶解在10ml水中，超声分散15分钟，将两种溶液按1:1体积比混合，立即注入支架材料的预留通道中，3分钟后，完全凝胶，形成预留通道中含有超分子水凝胶的可降解三维支架材料。
第四步：将第三步得到的预留通道中注入超分子水凝胶的可降解三维支架材料浸没在含有生长因子的溶液中5分钟，即可植入骨缺损位置，进行骨修复。
图4、图5分别是放大倍数为100和200倍的以小血管作为预留通道的三维支架材料的纵截面环境扫描电镜图，说明了小血管在支架中的并未发生坍塌堵塞现象，能够较好的发挥预留通道的作用。
实施例3
第一步：将浓度为8%胶原和PLA按质量比为1:2溶解在六氟异丙醇中，待完全溶解后，静电纺丝，纺丝参数为：电压18kv，转速为500r/min，高度为10cm，制备直径为0.5mm的小血管，切成长度为2cm的小段，备用；
第二步：将PLA和PCL按1:2的质量比混合，氯仿溶解后加入氯化钠，放置1h，盐滤致孔，加入小血管热压成型，得到含有预留通道的可降解三维支架材料；
第三步：将 1g可降解水溶性聚合物PEG-PCL-PEG溶解在10ml水中，将0.1gα-环糊精和0.005g纳米羟基磷灰石溶解在10ml水中，超声分散15分钟，将两种溶液按1:1体积比混合，立即注入支架材料的预留通道中，3分钟后，完全凝胶，形成预留通道中含有超分子水凝胶的可降解三维支架材料。
第四步：将第三步得到的预留通道中注入超分子水凝胶的可降解三维支架材料浸没在含有生长因子的溶液中5分钟，即可植入骨缺损位置，进行骨修复。
实施例4
第一步：将浓度为8%PCL、PLA、胶原按质量比为1:1:1溶解在六氟异丙醇中，待完全溶解后，静电纺丝，纺丝参数为：电压18kv，转速为500r/min，高度为10cm，制备直径为0.5mm的小血管，切成长度为2cm的小段，备用；
第二步：将PLA和PCL按1:1的质量比混合，氯仿溶解后加入氯化钠，放置1h，盐滤致孔，加入小血管热压成型，得到含有预留通道的可降解三维支架材料；
第三步：将 1g可降解水溶性聚合物PLGA溶解在10ml水中，将0.1gα-环糊精和0.005g纳米羟基磷灰石溶解在10ml水中，超声分散20分钟，将两种溶液按1:1体积比混合，立即注入支架材料的预留通道中，3分钟后，完全凝胶，形成预留通道中含有超分子水凝胶的可降解三维支架材料。
第四步：将第三步得到的预留通道中注入超分子水凝胶的可降解三维支架材料浸没在含有生长因子的溶液中10分钟，即可植入骨缺损位置，进行骨修复。

Claims (4)

1.一种用于硬组织修复的水凝胶/羟基磷灰石复合支架的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)制备小血管：配置血管原料溶液后，进行静电纺丝，静电纺丝参数为电压16-18kv，转速500-600r/min，高度10-12cm，制备直径为0.5-2mm的小血管，切成小段，备用；
(2)制备含有预留通道的可降解三维支架材料：配置可降解聚合物溶液，盐滤致孔，加入步骤(1)所得的小血管热压成型，得到含有预留通道的可降解三维支架材料；
(3)含超分子水凝胶的可降解三维支架材料的制备：先将α-环糊精和纳米羟基磷灰石组分混合，超声15分钟，与水溶性聚合物混合，注入步骤(2)所得的支架材料的预留通道中，3分钟后，完全凝胶，形成预留通道中含有超分子水凝胶的可降解三维支架材料；其中，纳米羟基磷灰石、α-环糊精混合水溶液的质量分数均为5%-10%，纳米羟基磷灰石与α-环糊精混合的质量比为1:25-1：50，水溶性聚合物的质量浓度为5%-15%，水溶性聚合物与α-环糊精和纳米羟基磷灰石混合溶液的体积比为1:3；
(4)含有生长因子的三维支架的制备：将步骤(3)得到的含超分子水凝胶的可降解三维支架材料浸没在含有生长因子的溶液中5分钟，即得所需产物，可植入骨缺损位置进行骨修复。
2.根据权利要求1所述的一种用于硬组织修复的水凝胶/羟基磷灰石复合支架的制备方法，其特征在于步骤(1)所述的血管原料溶液为胶原、聚乳酸、聚乙醇酸或聚己内酯中的一至几种溶解在六氟异丙醇中制得，其中质量比各为胶原:聚乳酸为3:7，胶原:聚乳酸:聚乙醇酸为2:7:1，聚乳酸：聚己内酯为5:5。
3.根据权利要求1所述的一种用于硬组织修复的水凝胶/羟基磷灰石复合支架的制备方法，其特征在于步骤(2)所述的作为三维支架的可降解聚合物溶液为质量比为3:7或5:5或1:9的聚乳酸/聚己内酯。
4.根据权利要求1所述的一种用于硬组织修复的水凝胶/羟基磷灰石复合支架的制备方法，其特征在于步骤(3)所述的水溶性聚合物为聚己内酯聚乳酸的六臂星型聚合物、聚乙二醇-聚己内酯-聚乙二醇三嵌段共聚物或聚乳酸聚羟基乙酸中的一种。
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