CN102302386B - 药物缓释型仿生骨支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种药物缓释型仿生骨支架的制备方法。该方法的具体步骤为：首先构建骨支架的外形轮廓负型和宏观存储孔道模型，将外形轮廓负型和孔道模型输入成形机进行模型制造，使用熔融沉积成形工艺制备。宏观孔模型决定了药物载入腔的形状，本发明的宏观孔模型由固定在底座上的内外两层弧壁构成，内层由两段弧壁组成外层由四段弧壁组成，各层弧壁对称分布。将孔道模型、左右半环先后嵌入支架负型底座，得到支架的组合式负型。将β-磷酸钙浆料注入组合式负型，经真空静置除泡、低温冷冻、去除负型、真空冷冻干燥和高温烧结，获得有存储孔道的缓释型可生物降解的仿生骨支架。支架中储存孔道相互独立，可加载不同种类的小分子药物，或者实现同种药物的浓度梯度载入。

Description

药物缓释型仿生骨支架的制备方法

技术领域

    本发明涉及骨组织工程领域一种仿生骨支架的制备方法，特别涉及一种缓释型仿生骨支架的制备方法。

背景技术

骨修复重建是一个复杂而有序的生物学过程，该过程除需要三维骨支架、种子细胞外，各种生物活性因子也是影响因素之一，这些因子包括：转化生长因子、碱性成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子、血管内皮细胞生长因子、骨形成蛋白等药物。骨修复过程分为不同的阶段：细胞募集、干细胞分化和血管入侵及成骨，各阶段需要药物辅助的治疗。载入支架的药物将伴随着替代材料的降解而缓慢释放，在骨修复过程中诱导并促进骨和血管的形成与生长。通常人体内源性生长因子的剂量不足，外源性生长因子通常一次性施药且半衰期短、局部用药很快将被体液稀释和蛋白酶代谢。因此，寻找一种既可以作为骨缺损替代材料又能将生长因子载入其中、使之在局部缓慢释放并维持一定浓度的生物替代材料是亟待解决的关键问题之一。

二十世纪七十年代出现的缓释控释给药系统旨在提高药物的疗效，降低、减少药物毒副作用和减少给药次数，减轻病患的痛苦并降低医疗费用。药物缓释系统主要指在预定时间内，控制药物释放的速率并以一定方式维持药物在病灶部位的浓度，实现药物的靶向释放。

传统的药物载入方式是将骨支架浸入含有药物的溶剂中或均匀混合药物和基质浆料后成型支架，这些载入方式在支架植入初期存在大量药物短期内集中释放，后续阶段无法供应足够剂量的药物，维持组织修复正常进行。这些系统不能存储足够剂量的药物、释放集中且速率快，无法满足缺损修复过程对不同药物的需求。为获得具有存储功能的药物释放系统，设计了具有存储功能及药物缓释性能的仿生骨支架负型模型。

通常骨修复所需要的活性因子遇酸碱及高温环境会失去活性，需要在温和环境下存储操作。因此，本发明使用间接成形，制备具有分级缓释性能的仿生支架。首先，使用熔融沉积工艺制得支架外形轮廓负型和内部孔道模具；接着，使用冷冻干燥工艺成型β-磷酸钙多孔支架，该工艺的基本思想是：预冻浆料，使溶剂形成冰晶，冰晶真空加热升华越过液态，留下孔隙得到多孔支架，通过控制冰晶形态及浆料浓度控制支架孔形态和孔隙率。基于熔融沉积工艺制得支架模具、结合冷冻干燥工艺使用β-磷酸钙浆料成型孔形态和孔隙率可控的多孔可降解支架。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种缓释型仿生骨支架的制备方法，以获得一种具有存储功能的缓释型仿生支架。缓释型仿生支架除了可以满足骨修复对一般三维生物替代材料的要求外，还能够载入并存储多种小分子药物，诱导并促进骨组织修复。

为了达到上述目的，本发明的缓释型骨支架的制备方法的构思是：在构建支架设计初期引入储存缓释的概念，使用CAD软件(UG NX6.0，西门子，德国)构建支架外形轮廓负型和宏观存储孔道模型，将外形轮廓负型和孔道模型转换成STL格式导出，使用熔融沉积成形工艺制备。宏观孔模型决定了药物载入仓的形状，本发明的宏观孔模型由固定在底座上的内外两层弧壁构成，各弧壁独立且均匀分散（图2）。将孔道模型、左右半环先后嵌入支架负型底座，得到支架的组合式负型。将β-磷酸钙浆料注入组合式负型，经真空静置除泡、低温冷冻、去除负型、真空冷冻干燥和高温烧结，获得有存储孔道的缓释型可生物降解的仿生骨支架。支架中储存孔道相互独立，可加载不同种类的小分子药物，或者实现同种药物的浓度梯度载入。

根据上述构思，本发明采用以下技术方案：

一种药物缓释型仿生骨支架的制备方法，其特征在于该方法具体的工艺步骤如下：

(1)构建骨支架外形轮廓负型和宏观孔模型：首先设计出外形轮廓与骨支架缺损部位吻合的负型；负型包括三个部分，即底座、左半环和右半环；存储孔道模型决定了药物加载仓的形状，所述的存储孔道模型由内外两层加底座构成，每层是由圆阵列得到的规则三维弧段组成，内层有两段弧，外层有四段；

(2)制备骨支架外形负型和宏观孔模型：将步骤（1）得到的骨支架外形负型和宏观孔模型，输入成形机进行模型制造，得到骨支架外形负型和宏观孔模型，经过后处理，得组合骨支架负型；

(3)基质浆料灌注：将步骤（1）所得存储孔道模型嵌入步骤（2）所得骨支架外形负型的底座中，然后把骨支架外形负型的的左右半环嵌入底座，得到存储孔道模型与外形负型的组合式支架负型，将摇匀的β-磷酸钙基质浆料灌入组合式负型中，置于真空中进行消泡处理，除去浆料中的气泡；

(4) 冷冻干燥、高温烧结获得缓释型仿生骨支架：将处理后的浆料进行低温预冷冻，然后去除组合式负型，接着真空冷冻干燥，得到圆柱外形并包含存储孔道的β-磷酸钙基的仿生支架；将支架放入高温实验炉中进行高温烧结去除支架中残留的粘结剂，得到β-磷酸钙陶瓷仿生骨支架；

(5) 装载生物活性因子并封装：将生长因子载入上述缓释型仿生骨支架的存储孔道中，支架具有两层共六个相互独立的宏观孔道，层与层之间能实现生长因子的浓度梯度装载；使用β-磷酸钙粉末和去离子水混合均匀得到β-磷酸钙浆基，将装载了生物活性因子的仿生骨支架浸入浆基，支架的表面形成一层β-磷酸钙裹衣，真空低温干燥，重复该过程两次，得到缓释型的仿生骨支架体系。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出的实质性特点和显著优势： 本发明采用CAD软件设计与缺损部位吻合的外形轮廓负型和药物存储孔道模型。熔融沉积工艺结合冷冻干燥法成型的多孔支架具有存储孔道(图3)，相互独立的存储孔道能装载浓度梯度分布的生长因子。最后，使用β-磷酸钙粉末和蒸馏水混合均匀的浆料封装载有药物的支架。将载有药物的支架浸入浆料中，真空干燥，重复该过程两次，得到完成封装的可降解缓释仿生支架。本发明使用间接成型仿生支架，装载的生物活性因子可避免在高温支架制备环境中失活；载药支架植入体内，药物通过β-磷酸钙支架的降解而释放，该过程缓慢且持续时间长；存储孔道的空间分布实现了药物的浓度梯度载入，满足骨修复不同时期对生长因子的需求。

本发明的缓释型仿生支架解决了骨修复过程中生物填充材料和生长因子一体化的问题，还实现在同一支架中载入不同的生长因子实现药物的梯度分布，即多类型生长因子缓释体系。

附图说明

图1为本发明的骨支架外形负型结构图。

图2 为本发明的骨支架的存储孔道模型结构图。

图3为本发明的骨支架负型和宏观孔模型经布尔运算后的支架模型。

图4为本发明的熔融沉积成形工艺制造的轮廓负型。

图5为本发明的熔融沉积成形工艺制造的储存孔模型。

图6为本发明的骨支架负型组装得到组合式负型模具。

图7为本发明的宏观孔模型的组装得到组合式负型模具。

图8为本发明方法获得的具有内部宏观孔的骨支架。

图9为本发明方法制得的骨支架载入生长因子封装成的分级缓释仿生骨支架。

具体实施

    本发明的一个优选实例，结合附图详细说明如下：

首先，借助CAD软件构建骨支架外形轮廓负型如图1和存储孔道模型如图2。骨支架外形负型决定支架宏观外形，本实施例中骨支架外形轮廓为圆柱形。为解决生长因子的梯度分布和多种生长因子的载入，骨支架的存储孔道模型由分布在两层共六个相互对称且独立的弧壁组成，其中内层分布有两个相互独立的弧壁，外层有四个相互独立的弧壁。图3是本发明支架负型和宏观孔道模型经布尔运算得到的支架模型。

接着，借助于熔融沉积成形工艺制造获得支架负型和存储孔道模型，如图4、图5；将得到的骨支架负型与宏观孔孔模型组装，获得骨支架的组合式负型模具，如图6和图7所示。

然后，把浆料灌进组合式负型中，抽真空除泡、低温冷冻、去除组合式负型、真空低温干燥，得到有宏观孔道的缓释型仿生骨支架，如图8所示。

最后，将生长因子载入支架存储孔道后封装，封装完成的支架如图9所示，表面浆料干燥后得到控制释放型仿生骨支架。

Claims (1)

1.一种药物缓释型仿生骨支架的制备方法，其特征在于该方法具体的工艺步骤如下：

(1)构建骨支架外形轮廓负型和存储孔道模型：首先设计出外形轮廓与骨支架缺损部位吻合的负型；负型包括三个部分，即底座、左半环和右半环；存储孔道模型决定了药物加载仓的形状，所述的存储孔道模型由内外两层加底座构成，每层是由圆阵列得到的规则三维弧段组成，内层有两段弧，外层有四段；

(2)制备骨支架外形负型和存储孔道模型：将步骤（1）得到的骨支架外形负型和存储孔道模型，输入成形机进行模型制造，得到骨支架外形负型和存储孔道模型，经过后处理，得组合骨支架负型；

(3)基质浆料灌注：将步骤（2）所得存储孔道模型嵌入步骤（2）所得骨支架外形负型的底座中，然后把骨支架外形负型的的左右半环嵌入底座，得到存储孔道模型与外形负型的组合式支架负型，将摇匀的β-磷酸钙基质浆料灌入组合式负型中，置于真空中进行消泡处理，除去浆料中的气泡；

(4) 冷冻干燥、高温烧结获得缓释型仿生骨支架：将处理后的浆料进行低温预冷冻，然后去除组合式负型，接着真空冷冻干燥，得到圆柱外形并包含存储孔道的β-磷酸钙基的仿生支架；将支架放入高温实验炉中进行高温烧结去除支架中残留的粘结剂，得到β-磷酸钙陶瓷仿生骨支架；

(5) 装载生物活性因子并封装：将生长因子载入上述缓释型仿生骨支架的存储孔道中，支架具有两层共六个相互独立的宏观孔道，层与层之间能实现生长因子的浓度梯度装载；使用β-磷酸钙粉末和去离子水混合均匀得到β-磷酸钙浆基，将装载了生物活性因子的仿生骨支架浸入浆基，支架的表面形成一层β-磷酸钙裹衣，真空低温干燥，重复该过程两次，得到缓释型的仿生骨支架体系。

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