CN102294049A - 生物活性玻璃与壳聚糖复合骨修复材料及其制法和用途 - Google Patents

Abstract

一种用于生物活性玻璃与壳聚糖复合骨修复材料，由下法制得：将壳聚糖加入到稀盐酸溶液中，搅拌至壳聚糖完全溶解，得到溶液Ⅰ；在β-甘油磷酸钠中加蒸馏水，搅拌，过滤除菌得溶液Ⅱ；将溶液Ⅱ和溶液Ⅰ混合，搅拌1-2小时得溶液Ⅲ；取生物活性玻璃加入溶液Ⅲ中，搅拌36-48小时得溶液Ⅳ；将所制成的溶液Ⅳ注入模具后烘干至Ⅳ液成凝胶状，-80℃冷冻后干燥得到生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料。本发明制备工艺较简单，工艺参数较易控制。生物活性玻璃分散性和热稳定性较好，制备出的生物活性玻璃与壳聚糖复合骨修复材料有良好的生物活性及生物相容性，力学性能良好。

Description

生物活性玻璃与壳聚糖复合骨修复材料及其制法和用途

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，具体为一种用于骨修复的生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于创伤、感染、肿瘤、先天畸形等各种原因导致骨缺损仍然是临床上未能解决的难题。虽然自体骨移植是目前治疗上述问题的最佳选择，但以其来源有限，且自体骨移植可对供区造成一定损害，有时甚至带来一些并发症，常不能完全满足临床需求。自1992年Nakahara等将细胞和多孔羟基磷灰石结合，提出“骨组织工程”的概念以来，骨组织工程已成为骨修复研究领域的热点，并为骨缺损的修复开辟了新的途径。

骨组织工程学的基本思路是：将特异性成骨细胞种植于具有一定生物特性的并在人体内可逐渐降解吸收的支架材料上，经三维立体培养，形成细胞生物材料复合物移入机体特定的部位，在支架材料逐步被人体降解吸收的同时，细胞不断增殖并分泌基质，最终形成新的具有与原功能和形态一致的骨组织。

生物活性玻璃（Bioactive Glass，BG）是一种多相复合材料，具有不同程度的表面溶解能力，生物相容性好。在人体组织液的作用下，可通过生物环境中的化学反应，在生物活性玻璃和溶液界面形成一层多孔Si0₂凝胶层。随着骨胶原纤维的长入以及玻璃体内Ca²⁺和P0₄ ^-离子向纤维周围扩散、沉积与钙化，最终形成与人体骨骼无机盐相似的羟基磷灰石。随着骨胶原纤维的长入以及玻璃体内Ca²⁺和P0₄ ^-离子向纤维周围扩散、沉积与钙化，最终形成与人体骨骼无机盐相似的羟基磷灰石。

生物活性玻璃与骨之间的界面键合形成后，与正常愈合的骨折界面强度等效。生物活性玻璃还具有良好的骨传导和骨形成促进作用，能够在材料组织界面引起细胞内和细胞外反应，其S相和G2/M相的细胞数量明显增加。Valimaki等将生物活性玻璃微球植入鼠胫骨骨缺损处发现，它能引起骨基质持续有效地增加，骨改建加速。而Yuan等将生物活性玻璃(45S5)粉末制成多孔的玻璃陶瓷植入狗的大腿肌肉内3个月，组织学检查显示其组成与正常骨组织一致，而非病理性骨化。

壳聚糖对多种组织细胞的黏附和增殖具有促进作用，是一种理想的天然可降解的阳离子多糖。壳聚糖还具有天然的药物活性、抗肿瘤活性、消炎作用，能加快创伤愈合,作为细胞、生长因子载体和支架材料已被用于皮肤、神经、骨和软骨以及肝脏组织工程中，还成功地用作手术缝合线、伤口敷料、药物缓释剂、缺损填充物及组织工程支架。壳聚糖作为术后防粘连膜、透析膜、药物控制、毒物吸附分离剂、载药微球、骨科齿科修复材料在生物医学中也被广泛的应用。另外CS还与硫酸软骨素共混形成透光性、通透性、生物降解性、生物相容性很好的膜片，为活性人工角膜培养提供了适合角膜细胞帖附生长、无免疫原性、可生物降解性的载体支架。

壳聚糖与骨细胞具有较好的组织相容性，这也是决定壳聚糖在骨组织工程中应用的关键因素。其生物功能性亲水表面，可促进细胞黏附、增殖、分化。韩国Seol等发现，植人壳聚糖海绵支架的大鼠颅骨成骨细胞其数目和钙沉积量随时间而不断增加，碱性磷酸酶的活性也有提高。Lahiji等在体外研究中发现，壳聚糖可促进成骨细胞增生和表达I型胶原。说明壳聚糖作为支架材料不仅可以支持成骨细胞生长，还能促进其功能表达，具有良好的生物相容性。壳聚糖与糖胺聚糖的结构类似，在体内可被降解为氨基葡萄糖，被人体吸收。作为一种生物可降解性材料，壳聚糖的降解率与其结晶度及脱乙酰化作用呈反比。其在体内的一般不引起抗原反应。很多研究者，如Li等都检验了宿主细胞对壳聚糖植人物的反应。总的说来，这些材料引起了最小的异物反应，并且没有纤维包裹。

由此可见，生物活性玻璃陶瓷在体内显示了长期的结构稳定性，良好的生物相容性。并且，它还具有一定的骨传导能力，有研究发现，将颗粒状的生物活性玻璃和生物活性玻璃纤维植入动物骨组织均显示其有成骨作用。尽管如此，生物活性玻璃仍然存在一定的缺陷：①生物活性玻璃含有的硅成分在体内不能完全降解，其代谢机理尚不清楚；②生物玻璃的机械强度较低，脆性大，尤其是其抗弯强度差；③生物玻璃对细胞的调节机制尚不完全明确。因此，现今国际上对于生物活性玻璃的研究主要侧重于如下几个方面：①进一步改进玻璃制备工艺，包括采用溶胶一凝胶法、液相反应技术等低温制备技术，以避免传统高温熔融法对其材料生物活性的影响。②通过调整玻璃材料组分的构成及应用表面改性技术，开发出具有更高生物活性和完全降解性能的新型生物玻璃，以满足临床需求。③将生物玻璃和其它生物材料相复合，从而提高其抗拉强度、抗弯强度以及弹性模量。使之与人体骨组织的力学性能相匹配，满足材料在不同降解阶段的力学要求。④进一步从材料的微观结构以及分子基因水平研究生物玻璃对细胞的调控作用，从而从仿生学角度，制备与人体骨结构成分接近的支架材料。

本发明选择生物活性玻璃与壳聚糖复合支架。在此过程中，一方面，我们采用的冷冻干燥技术可避免高温熔融法对生物活性玻璃活性的影响；另一方面，我们利用合适的造孔剂来调控于支架材料的形状、孔尺寸、孔隙率。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料及其制备方法和应用，该复合支架材料强度和热稳定性较好，可用作骨修复材料。

本发明提供的技术方案是：

一种用于骨修复的生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料，由下法制得：将壳聚糖加入到0.1mmol/ml的稀盐酸溶液中，搅拌至壳聚糖完全溶解，得到壳聚糖浓度为2.0g/100ml的溶液Ⅰ；在β-甘油磷酸钠中加蒸馏水（优选三蒸水），搅拌至其完全溶解得56g/100ml的β-甘油磷酸钠水溶液，过滤除菌得溶液Ⅱ；按1：7的质量比例将溶液Ⅱ和溶液Ⅰ混合， 200-400 rpm下搅拌1-2小时得溶液Ⅲ；按生物活性玻璃与壳聚糖质量比为3：2~1：2的比例，取生物活性玻璃加入溶液Ⅲ中， 200-400 rpm下搅拌36-48小时得溶液Ⅳ；将所制成的溶液Ⅳ注入模具后烘干至Ⅳ液成凝胶状，-80℃冷冻后干燥得到断裂强度2.1 MPa以上的生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料。

所述生物活性玻璃为80um-100um的粉末，所述壳聚糖的脱乙酰度≥92%。

本发明生物活性玻璃与壳聚糖质量比为1.5：1~1.2：1时，得到的生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料的断裂强度在4.3 MPa以上。当生物活性玻璃与壳聚糖质量比为1.5：1得到的生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料的断裂强度约为5 MPa。

本发明所述的生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料作为骨修复材料或骨固定材料的应用。

本发明的突出特点是：

① 本发明的生物活性玻璃与壳聚糖复合骨修复支架材料制备工艺参数较易控制。

② 本发明的生物活性玻璃的粒径较小，分散性较好 ，粒径为80-100um。

③复合支架具有明确相互贯通的多孔结构，孔径大小约在100μm -300μm，各孔径之间、不同层次之间有通道相连，具备利于细胞、组织生长的三维空间结构。

④ 本发明的复合支架材料热稳定性较好，在45℃以前没有任何的质量丢失（图5所示：为复合支架材料DSC热分析结果提示45℃以前没有任何的质量丢失）。

 本发明的复合支架材料具有良好的力学性能，并具有良好的生物相容性（图6所示：为复合支架材料与干细胞共培养5天光镜下图片，可见大量的细胞黏附于材料表面；图7所示：为复合支架材料与干细胞共培养5天电镜下图片，可见大量的细胞黏附于材料表面；图8所示：为复合支架材料与对照组细胞增殖情况有图可见，从生长曲线看，细胞接种后，复合材料组和对照组随时问延长保持正常的增殖速度，两组之间差异无显著性意义）。

附图说明   

图 1 为实例1为生物活性玻璃与壳聚糖复合材料的形状图片。

图 2为生物活性玻璃与壳聚糖复合骨修复支架材料透射电镜形貌图（标尺为10 um）。

图3为生物活性玻璃与壳聚糖复合骨修复支架材料透射电镜形貌图（标尺为50 um）。

图4为生物活性玻璃与壳聚糖复合骨修复支架材料透射电镜形貌图（标尺为100 um）。

图 5 为生物活性玻璃与壳聚糖复合骨修复支架材料的DSC曲线图。

图 6为复合支架材料与干细胞共培养5天电镜下图片，可见大量的细胞黏附于材料表面。

图 7 为复合支架材料与对照组细胞增殖情况有图可见，从生长曲线看，细胞接种后，复合材料组和对照组随时问延长保持正常的增殖速度，两组之间差异无显著性意义。

具体实施方式

下列实施例仅用于进一步说明本发明，本领域一般技术人员可以根据本说明书公开的内容，采用其它多种方式具体实施本发明。

将36%的盐酸加入双蒸水配置成0.1mmol/ml的稀盐酸溶液。取4 g壳聚糖加入到0.1mmol/ml的稀盐酸200ml溶液，制成壳聚糖终浓度为2.0%的0.1mmol/ml的稀盐酸溶液200 ml，用磁力搅拌器的搅拌24h后CS完全溶解后得溶液Ⅰ；称量14 g β-甘油磷酸钠，加三蒸水至总溶液量为25 ml，搅拌至其完全溶解后过滤除菌得溶液Ⅱ。将Ⅱ液在冰浴条件下缓慢加入Ⅰ液中以1：7的比例（质量比）混合，置于磁力搅拌器上搅拌，搅拌速度200-400 rpm，搅拌1小时得溶液Ⅲ。电子天平分别称取生物活性玻璃加入溶液Ⅲ中制的生物活性玻璃与壳聚糖质量比为1.5：1的比例，置于磁力搅拌器上搅拌，搅拌速度200-400 rpm，搅拌48小时得溶液Ⅳ。将所制成的Ⅳ液注入模具后放入37℃烘箱内烘干30min，当Ⅳ液成凝胶状后放置于低温冰箱，-80℃冷冻后，-40℃冷冻干燥后得到用于骨修复的生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料。

生物活性玻璃与壳聚糖以不同质量配比，根据生物活性玻璃的比例的不同，按实施例1的方法制备不同比例的复合支架材料。并对其进行孔隙率及断裂强度的检测，结果见表1。

表1：复合材料的理化特性和力学性能（

±s，n=5）

     通过图1-4可以看出，生物活性玻璃与壳聚糖复合支架具有明确相互贯通的多孔结构，孔径大小约在100μm -300μm，各孔径之间、不同层次之间有通道相连，具备利于细胞、组织生长的三维空间结构。可见生物活性玻璃以针状的形式分散在壳聚糖支架之间，未见生物活性玻璃聚集，说明生物活性玻璃已充分分散。生物活性玻璃均匀排列，被壳聚糖支架充分包裹结合紧密。

将生物活性玻璃/壳聚糖支架制成12mm，高5mm的圆柱体，表面磨平后在DCS热分析仪上检测(如图5) 。结果表明BG/CS支架材料在45℃以前没有质量的丢失，说明复合材料在正常体温下无质量丢失。

对生物活性玻璃/壳聚糖支架材料的体外矿化实验。实验方法如下：将生物活性玻璃/壳聚糖复合支架材料用去离子水中超声清洗30min，取出于40℃下烘干。按样品在模拟生理溶液(SBF)中浸泡，放置于37℃恒温静态的模拟生理溶液中，并且每天更换SBF液。分别浸泡1，3，5，7 d后取出样品，用去离子水和丙酮反复冲洗多次后，置于40℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥24 h后，镀金后采用日立公司S-570扫描电镜观察复合支架材料的矿化情况。所形成的HCA晶粒细而长，相互交错在一起。能够提供给细胞在其上粘附、增殖和分化；从而得知复合支架材料具有较好的矿化能力和生物活性。

图6为BG/CS支架与BMSCs共培养5天后电镜照片，可见细胞生长良好，沿材料铺展生长，细胞呈多角形，细胞伸出多个细长的伪足与材料相连，细胞周围并且有大量细胞外基质分泌。

图7为BG/CS支架材料与对照组细胞增殖情况。有图可见，从生长曲线看，细胞接种后，BG/CS材料组和对照组随时问延长保持正常的增殖速度，两组之间差异无显著性意义(P>0．05)。

Claims (8)

1.一种生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料，由下法制得：将壳聚糖加入到0.1mmol/ml的稀盐酸溶液中，搅拌至壳聚糖完全溶解，得到壳聚糖浓度为2.0g/100ml的溶液Ⅰ；在β-甘油磷酸钠中加蒸馏水，搅拌至其完全溶解得56g/100ml的β-甘油磷酸钠水溶液，过滤除菌得溶液Ⅱ；按1：7的质量比例将溶液Ⅱ和溶液Ⅰ混合， 200-400 rpm下搅拌1-2小时得溶液Ⅲ；按生物活性玻璃与壳聚糖质量比为3：2~1：2的比例，取生物活性玻璃加入溶液Ⅲ中， 200-400 rpm下搅拌36-48小时得溶液Ⅳ；将所制成的溶液Ⅳ注入模具后烘干至Ⅳ液成凝胶状，-80℃冷冻后干燥得到生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料。

2.如权利要求1所述的支架材料，其特征在于：所述生物活性玻璃为80um-100um的粉末，所述壳聚糖的脱乙酰度≥92%。

3.如权利要求1或2所述的支架材料，其特征在于：生物活性玻璃与壳聚糖质量比为1.5：1~1.2：1。

4. 如权利要求1或2所述的支架材料，其特征在于：生物活性玻璃与壳聚糖质量比为1.5：1。

5.如权利要求1或2所述的支架材料，其特征在于：所述蒸馏水为三蒸水。

6.权利要求1所述的支架材料的制备方法，其特征在于：将壳聚糖加入到0.1mmol/ml的稀盐酸溶液中，搅拌至壳聚糖完全溶解，得到壳聚糖浓度为2.0 g/100ml的溶液Ⅰ；在β-甘油磷酸钠中加蒸馏水，搅拌至其完全溶解得56g/100ml的β-甘油磷酸钠水溶液，过滤除菌得溶液Ⅱ；按1：7的质量比例将溶液Ⅱ和溶液Ⅰ混合， 200-400 rpm下搅拌1小时得溶液Ⅲ；按生物活性玻璃与壳聚糖质量比为3：2~1：2的比例，取生物活性玻璃加入溶液Ⅲ中， 200-400 rpm下搅拌36-48小时得溶液Ⅳ；将所制成的Ⅳ液注入模具后烘干至Ⅳ液成凝胶状，-80℃冷冻后干燥得到用于骨修复的生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述生物活性玻璃为80um-100um的粉末，所述壳聚糖的脱乙酰度≥92%。

8.如权利要求1或2或3所述的生物活性玻璃与壳聚糖复合支架材料作为骨修复材料或骨固定材料的应用。

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