CN102429745A

CN102429745A - 一种横向梯度孔结构的纳米人工骨支架及其制备方法

Info

Publication number: CN102429745A
Application number: CN2011102879645A
Authority: CN
Inventors: 许硕贵; 周斌; 夏琰; 唐骏; 杜艾; 卢春闻; 张猛
Original assignee: Second Military Medical University SMMU
Current assignee: Second Military Medical University SMMU
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: CN102429745B

Abstract

本发明涉及医用人工骨移植材料的技术领域。目前尚无文献报道具有如天然骨一样的横向梯度孔结构的纳米人工骨支架。本发明的目的是提供一种生物活性好、力学性能优良，且具有如天然骨一样的横向梯度孔结构的纳米人工骨支架。本发明将羟基磷灰石(HA)溶于食盐(NaCl)溶剂中制成HA溶胶，然后将聚己内酯(PCL)缓慢溶解于HA溶胶中，而后在较高的温度下加热去除溶剂，最后层层浇铸到特制的模具中制得HA/PCL复合材料。本发明获得了类似天然骨结构，具有横向梯度孔结构的人工骨支架，且在制得的人工骨支架上细胞具有较高的增殖率，同时支架保持良好的生物力学性能。

Description

一种横向梯度孔结构的纳米人工骨支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及医用人工骨移植材料的技术领域，具体涉及一种具有横向梯度孔结构的纳米羟基磷灰石/聚己内酯人工骨支架及其制备方法。

背景技术

目前，骨移植已经成为仅次于输血的人体组织移植，广泛分布于矫形、口腔及颅面等多个领域。人们已利用聚己内酯(poly-e-caprolactone，PCL)构建三维骨组织工程多孔支架并获得成功，这些可降解材料被证明具有良好的生物相容性。而羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)具有良好生物相容性和生物活性，植入骨组织后能在界面上和骨形成很强的化学性键合，具有骨传导和骨诱导性。HA块状陶瓷已用于临床上骨的修复替换，但其脆性、不容易吸收的缺点大大制约了其应用的范围。最新的文献报道了PCL与HA混和后对骨传导及成骨细胞增殖、分化的促进作用，同时增加了支架的力学性能(参见文献[1]Ma PX，Zhang R，Xiao G，Franceschi R.Engineering new bonetissue in vitro onhighly porous poly(alpha-hydroxyl acids)/hydroxyapatite composite scaffolds.JBiomed Mater Res，2001；54：284-93；[2]Ishaug SL，Crane GM，Miller MJ，et al.Bone formation by three-dimensional stromal osteoblast culture in biodegradablepolymer scaffolds.J Biomed Mater Res 1997；36：17-28)。因此将生物可降解材料和生物陶瓷联合应用，借用两种材料的优势，来制作人工骨支架材料，是当今全世界的研究热点之一。

粒子制孔法(参见文献[3]苏佳灿，李明，禹宝庆，张春才.纳米羟基磷灰石/聚己内酯复合生物活性多孔支架研究.无机材料学报，2009；24(3)：485-490)由于其制作方法较为简单，原材料获取容易，因此成为现今主流的制造方法之一。在使用粒子制孔的过程中，随使用的NaCl颗粒大小的不同，将制得不同大小的孔结构。现已证实在一定的范围内，随着孔径的增大，细胞增殖数目也会随之上升，但生物力学强度反而会相对下降。

实际上，天然骨是一种具有梯度结构的纳米级多孔复合材料，外层是起支撑作用的密质骨，逐渐向髓腔过渡是孔径从几百微米到几毫米的松质骨，天然骨的这种梯度结构，使其具有良好的生物力学性能。而通过普通粒子制孔法制得的人工骨支架，整体的孔径大小基本相同，这在细胞增殖和生物力学性能上势必产生矛盾。

目前尚无文献报道具有如天然骨一样的横向梯度孔结构的纳米人工骨支架。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物活性好、力学性能优良，且具有如天然骨一样的横向梯度孔结构的纳米人工骨支架。

为了解决使用普通粒子制孔法制得的人工骨支架在细胞增殖和生物力学性能上所产生的矛盾，本发明在制作过程中，对实验方法和模具都进行了创新和改进。

本发明选择溶液浇铸法，将羟基磷灰石(HA)溶于食盐(NaCl)溶剂中制成HA溶胶，然后将PCL缓慢溶解于HA溶胶中，而后在较高的温度下加热去除溶剂，最后层层浇铸到特制的模具中制得HA/PCL复合材料。这样就获得了类似天然骨结构，具有横向梯度孔结构的人工骨支架。

本发明提供一种横向梯度孔结构的纳米人工骨支架的制备方法，采用“浇铸/食盐微粒浸出法”，即“溶剂浇铸/滤出致孔法”，它采用食盐(NaCl)作为制孔剂，通过调整食盐颗粒的大小来控制支架的孔径大小，通过选择加入食盐的量来控制支架的孔隙率。

本发明的一种横向梯度孔结构的纳米人工骨支架的制备方法，其具体步骤如下：

(I)将食盐筛分成100um～200um和200um～300um的颗粒备用；

(II)将HA含量10％～30％(质量比)，PCL含量90％～70％(质量比)的HA/PCL复合材料加热至100℃熔融，向其中加溶剂二甲基乙酰胺，升温至120～130℃，缓缓搅拌，直至试样变成溶液状物质；

(III)根据孔径大小与孔隙率的需要，向上面所得的溶液状物质中加入一定粒径和质量的食盐，不停搅拌使得食盐在溶液中分布均匀，同时让溶剂逐渐蒸发；

(IV)待溶剂基本蒸发完全后，将试样取出，放入由聚四氟乙烯管制成的模具中压制成型；待成型后的试样冷却固化后，将其从模具中取出，放入去离子水中浸泡，每24小时换一次水，换水3～4次，以溶解食盐成孔，同时洗去残留的溶剂二甲基乙酰胺。

步骤(II)所述的羟基磷灰石/聚己内酯复合材料中，HA与PCL的比例较佳地为：羟基磷灰石为10％，聚己内酯为90％；羟基磷灰石为20％，聚己内酯为80％；羟基磷灰石为30％，聚己内酯为70％。

所述的模具如图6所示，较佳地，是由6mm的聚四氟乙烯棒(A)、6mm的聚四氟乙烯管(C)和8mm的聚四氟乙烯管(D)由里至外逐层嵌套组成。

步骤(IV)中，最佳地，在6mm的聚四氟乙烯管(C)中加入含200um～300um的食盐颗粒的羟基磷灰石/聚己内酯复合材料，用6mm的聚四氟乙烯棒(A)挤压；在6mm的聚四氟乙烯管(C)和8mm的聚四氟乙烯管(D)中间加入含100um～200um食盐颗粒的羟基磷灰石/聚己内酯复合材料，用6mm的聚四氟乙烯管(C)挤压。

上述的6mm的聚四氟乙烯管(C)和8mm的聚四氟乙烯管(D)，管壁厚度以1mm为佳。

本发明还提供了根据上述方法制得的一种横向梯度孔结构的纳米人工骨支架。

按照本发明的方法，通过改变HA与PCL的比例、加入食盐的量及食盐的粒径大小，可以制备出不同比例(HA含量10％～30％，PCL含量90％～70％)、不同孔隙率(60％～90％)、不同孔径(100um～300um)的多孔状HA/PCL人工骨支架。

本发明较好地解决了原先人工骨支架在细胞增殖和生物力学性能上的矛盾，使支架上在具有较高细胞增殖率的同时，还具有不错的生物力学强度。

本发明经检测：能制造出具有横向梯度孔结构的纳米-羟基磷灰石/聚己内酯人工骨支架。且在制得的人工骨支架上，细胞具有较高的增殖率，同时支架保持良好的生物力学性能。制作方法较简单，制作原材料较易获得。

附图说明

图1是采用本发明制得的人工骨支架的正面图。

图2是采用本发明制得的人工骨支架的显微镜下图(200倍)。

图3是图2 100-200um的显微镜下图(500倍)。

图4是图2 200-300um的显微镜下图(500倍)。

图5是制做内层结构的模具示意图。

其中A：6mm的聚四氟乙烯棒；B：含食盐的HA/PCL复合材料；C：6mm的聚四氟乙烯管(管壁为1mm)。

图6是制做外层结构的模具示意图。

其中A：6mm的聚四氟乙烯棒；B：含食盐的HA/PCL复合材料；C：6mm的聚四氟乙烯管(管壁为1mm)；D：8mm的聚四氟乙烯管(管壁为1mm)。

图7不同孔隙率、不同孔径的多孔材料的压缩模量随温度的变化图。

其中曲线a：200～300μm孔径，62.5％孔隙率；

曲线b：100～200μm孔径，77.1％孔隙率；

曲线c：200～300μm孔径，80.8％孔隙率；

曲线d：横向梯度孔结构的多孔复合材料。

具体实施方式

现结合实施例和附图，对本发明作进一步描述，但本发明的实施并不仅限于此。

实施例1：制备10％HA的横向梯度孔结构的纳米-羟基磷灰石/聚己内酯人工骨支架

用不锈钢筛子将食盐筛分成100um～200um和200um～300um的颗粒备用。将HA含量为10％的HA/PCL复合材料3g加热至100℃熔融，向其中加入30mL溶剂二甲基乙酰胺，升温至120～130℃，缓缓搅拌，直至试样变成溶液状物质。向其中加入200～300μm粒径大小的食盐12g，不停搅拌使得食盐在溶液中分布均匀，同时让溶剂逐渐蒸发。待溶剂基本蒸发完全后，将试样取出，放入内径为6mm、管壁厚1mm的聚四氟乙烯管中，再用直径为6mm的聚四氟乙烯棒从上下两头向中间挤压，使管中的复合材料成型为6mm的柱体，即得到梯度渐变孔结构支架的最内层(参见图5)。将直径6mm的聚四氟乙烯棒用内径为6mm的聚四氟乙烯管套住，再用内径为8mm的聚四氟乙烯管将套住6mm直径的棒的管套住，这样8mm的管与6mm的棒之间便有了1mm的间隙，将含有100～200μm粒径大小食盐10g的复合材料加入间隙中，再在6mm的棒上套上内径6mm的管。6mm的管其内壁贴着6mm的棒、外壁贴着8mm的管的内壁，将其从上下两头向中间挤压，6mm的棒与8mm的管的间隙内材料便被压成了环状，作为横向梯度渐变孔结构支架的中间层(参见图6)。利用8mm的聚四氟乙烯棒与内径1cm的聚四氟乙烯管之间的间隙及不含食盐的HA/PCL复合材料，按照与中间层相同的方法，制得梯度渐变孔结构支架的最外层。将上面制得的最内层、中间层及最外层嵌套起来，放入1cm的模具中，加热至100℃熔融并挤压，使层与层之间结合起来，冷却后取出，放入去离子水中浸泡，每24小时换一次水，换水3～4次，以溶解食盐成孔，同时洗去残留的二甲基乙酰胺，最后便得到了10％HA含量的具有梯度渐变孔结构的HA/PCL人工骨支架。(参见图1到图4)

实施例2：制备20％HA横向梯度孔结构的纳米-羟基磷灰石/聚己内酯人工骨支架。

用不锈钢筛子将食盐筛分成100um～200um和200um～300um的颗粒备用。将HA含量为20％的HA/PCL复合材料3.5g加热至100℃熔融，向其中加入30mL溶剂二甲基乙酰胺，升温至120～130℃，缓缓搅拌，直至试样变成溶液状物质。向其中加入200～300μm粒径大小的食盐12.5g，不停搅拌使得食盐在溶液中分布均匀，同时让溶剂逐渐蒸发。待溶剂基本蒸发完全后，将试样取出，放入内径为6mm、管壁厚1mm的聚四氟乙烯管中，再用直径为6mm的聚四氟乙烯棒从上下两头向中间挤压，使管中的复合材料成型为6mm的柱体，即得到梯度渐变孔结构支架的最内层(参见图5)。将直径6mm的聚四氟乙烯棒用内径为6mm的聚四氟乙烯管套住，再用内径为8mm的聚四氟乙烯管将套住6mm直径的棒的管套住，这样8mm的管与6mm的棒之间便有了1mm的间隙，将含有100～200μm粒径大小食盐10.5g的复合材料加入间隙中，再在6mm的棒上套上内径6mm的管。6mm的管其内壁贴着6mm的棒、外壁贴着8mm的管的内壁，将其从上下两头向中间挤压，6mm的棒与8mm的管的间隙内材料便被压成了环状，作为横向梯度渐变孔结构支架的中间层(参见图6)。利用8mm的聚四氟乙烯棒与内径1cm的聚四氟乙烯管之间的间隙及不含食盐的HA/PCL复合材料，按照与中间层相同的方法，制得梯度渐变孔结构支架的最外层。将上面制得的最内层、中间层及最外层嵌套起来，放入1cm的模具中，加热至100℃熔融并挤压，使层与层之间结合起来，冷却后取出，放入去离子水中浸泡，每24小时换一次水，换水3～4次，以溶解食盐成孔，同时洗去残留的二甲基乙酰胺，最后便得到了20％HA含量的具有梯度渐变孔结构的HA/PCL人工骨支架。

实施例3：制备30％HA横向梯度孔结构的纳米-羟基磷灰石/聚己内酯人工骨支架。

用不锈钢筛子将食盐筛分成100um～200um和200um～300um的颗粒备用。将HA含量为30％的HA/PCL复合材料3g加热至100℃熔融，向其中加入30mL溶剂二甲基乙酰胺，升温至120～130℃，缓缓搅拌，直至试样变成溶液状物质。向其中加入200～300μm粒径大小的食盐13.7g，不停搅拌使得食盐在溶液中分布均匀，同时让溶剂逐渐蒸发。待溶剂基本蒸发完全后，将试样取出，放入内径为6mm、管壁厚1mm的聚四氟乙烯管中，再用直径为6mm的聚四氟乙烯棒从上下两头向中间挤压，使管中的复合材料成型为6mm的柱体，即得到梯度渐变孔结构支架的最内层(参见图5)。将直径6mm的聚四氟乙烯棒用内径为6mm的聚四氟乙烯管套住，再用内径为8mm的聚四氟乙烯管将套住6mm直径的棒的管套住，这样8mm的管与6mm的棒之间便有了1mm的间隙，将含有100～200μm粒径大小食盐13g的复合材料加入间隙中，再在6mm的棒上套上内径6mm的管。6mm的管其内壁贴着6mm的棒、外壁贴着8mm的管的内壁，将其从上下两头向中间挤压，6mm的棒与8mm的管的间隙内材料便被压成了环状，作为横向梯度渐变孔结构支架的中间层(参见图6)。利用8mm的聚四氟乙烯棒与内径1cm的聚四氟乙烯管之间的间隙及不含食盐的HA/PCL复合材料，按照与中间层相同的方法，制得梯度渐变孔结构支架的最外层。将上面制得的最内层、中间层及最外层嵌套起来，放入1cm的模具中，加热至100℃熔融并挤压，使层与层之间结合起来，冷却后取出，放入去离子水中浸泡，每24小时换一次水，换水3～4次，以溶解食盐成孔，同时洗去残留的二甲基乙酰胺，最后便得到了30％HA含量的具有梯度渐变孔结构的HA/PCL人工骨支架。

实施例4：本发明的实施例1制得的人工骨支架的检测

压缩模量可以反映支架材料的力学性能。我们对HA含量均为10％，但不同孔径，不同孔隙率的多孔材料，采用DMA8000动态力学分析仪对它们的压缩模量进行了测量，结果如图7所示。

图中曲线a：200～300μm孔径，62.5％孔隙率；

曲线b：100～200μm孔径，77.1％孔隙率；

曲线c：200～300μm孔径，80.8％孔隙率；

曲线d：根据实施例1制得的10％HA的横向梯度孔结构的多孔复合材料。

横向梯度孔结构的多孔材料的压缩模量随温度的变化图。从图7中我们可以看出，具有横向梯度孔结构的多孔支架材料的压缩模量明显高于单一孔结构的支架材料，即其力学性能明显优于单一孔结构的支架材料。

Claims

1.一种具有横向梯度孔结构的纳米人工骨支架的制备方法，其具体步骤如下：

(I)将食盐筛分成100um～200um和200um～300um的颗粒备用；

(II)将质量比为10％～30％：90％～70％的羟基磷灰石/聚己内酯复合材料，加热至100℃熔融，向复合材料中加溶剂二甲基乙酰胺，升温至120～130℃，缓缓搅拌，直至复合材料变成溶液状物质；

(III)向步骤(II)所得的溶液状物质中，分别加入步骤(I)得到的100um～200um或200um～300um的食盐颗粒，不停搅拌使得食盐颗粒在溶液状物质中分布均匀，同时让溶剂逐渐蒸发；

(IV)将步骤(III)得到的含不同大小的食盐颗粒的羟基磷灰石/聚己内酯复合材料，放入由聚四氟乙烯管制成的模具中压制成型，里面为含200um～300um食盐颗粒的羟基磷灰石/聚己内酯复合材料，外面为含100um～200um食盐颗粒的羟基磷灰石/聚己内酯复合材料；待成型后的复合材料冷却固化后，将其从模具中取出，放入去离子水中浸泡，每24小时换一次水，换水3～4次，以溶解食盐成孔，同时洗去残留的溶剂二甲基乙酰胺。

2.根据权利要求1所述的一种具有横向梯度孔结构的纳米人工骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(II)羟基磷灰石/聚己内酯复合材料中，羟基磷灰石为10％，聚己内酯为90％。

3.根据权利要求1所述的一种具有横向梯度孔结构的纳米人工骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(II)羟基磷灰石/聚己内酯复合材料中，羟基磷灰石为20％，聚己内酯为80％。

4.根据权利要求1所述的一种具有横向梯度孔结构的纳米人工骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(II)羟基磷灰石/聚己内酯复合材料中，羟基磷灰石为30％，聚己内酯为70％。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种具有横向梯度孔结构的纳米人工骨支架的制备方法，其特征在于，所述的模具是由6mm的聚四氟乙烯棒、6mm的聚四氟乙烯管和8mm的聚四氟乙烯管由里至外逐层嵌套组成。

6.根据权利要求5所述的一种具有横向梯度孔结构的纳米人工骨支架的制备方法，其特征在于，步骤(IV)中，在6mm的聚四氟乙烯管中加入含200um～300um食盐颗粒的羟基磷灰石/聚己内酯复合材料，用6mm的聚四氟乙烯棒挤压；在6mm的聚四氟乙烯管和8mm的聚四氟乙烯管中间加入含100um～200um食盐颗粒的羟基磷灰石/聚己内酯复合材料，用6mm的聚四氟乙烯管挤压。

7.根据权利要求6所述的一种具有横向梯度孔结构的纳米人工骨支架的制备方法，其特征在于，所述的6mm的聚四氟乙烯管和8mm的聚四氟乙烯管，管壁厚度为1mm。

8.一种根据权利要求1至7任一方法制得的具有横向梯度孔结构的纳米人工骨支架。