CN102743793B - 一种复合材料及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料，它包含PEG-PCL-PEG共聚物和脱细胞骨基质。本发明还公开了该复合材料的制备方法和用途。本发明提供的复合材料空间结构良好，体内骨缺损修复效果优良，使用方便，成本低廉，可用于制备骨修复材料/药物，市场应用前景良好。

Description

一种复合材料及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及复合材料，特别涉及一种用于骨修复的复合材料。

背景技术

因严重创伤、骨肿瘤、骨髓炎等多种原因导致的骨缺损十分常见，根据中华骨伤学会的统计，全国每年因骨折住院或门诊治疗的患者多达3000多万人次。骨损伤通常的治疗方法是行骨移植修复手术，但是块状植骨材料不能很好的填充骨缺损，且手术方法存在潜在风险，而将骨修复材料施与创面的微创外科技术，具有非侵害或微创的优点，有良好的应用前景。

常见的骨修复原料有羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、磷酸钙（calciumphosphate，CaP）、双相磷酸钙（biphasic calcium phosphate，BCP）、磷酸钙骨水泥(CPC)、硫酸钙、脱细胞骨基质等。羟基磷灰石，又称羟磷灰石，是钙磷灰石（Ca5(PO4)3(OH)）的自然矿物化，是最为常用的骨修复原料。脱细胞骨基质是（acellular matrix,ACM），是指异体组织经细胞灭活处理后，制备成无活体细胞存在的细胞外基质成分，具有良好骨诱导性质。但是，单一骨修复原料在体内不易成型或成型后易于松散，需要将上述骨修复的材料置于载体上，施与受损处。

PEG-PCL-PEG共聚物，聚乙二醇-聚己内酯-聚乙二醇三嵌段共聚物，是一种交联剂，具有良好的生物相容性，可注射性能，在37℃人体温度范围内形成凝胶，具有可降解特性，降解产物无毒。

但是，ShaoZhi Fu，“injectable biodegradable thermosensitive hydrogelcomposite for orthopedic tissue engineering.1.preparation and characterization ofnanohydroxuapatite/poly(ethylene glycol)-poly(ε-caprolactone)-poly(ethyleneglycol)hydrogel nanpcomposites”J.Phys.Chem.B2009,113.16518-16525公开了将羟基磷灰石与PEG-PCL-PEG共聚物复合的方法，还公开了制得的复合材料的各种体外特性，但无体内特性数据，其中，图7透射电镜示意图揭示了，羟基磷灰石与PEG-PCL-PEG共聚物的复合材料分布不均匀，出现团聚现象，导致其不能用于体内治疗。

也就是说，在PEG-PCL-PEG共聚物中加入羟基磷灰石等骨修复颗粒材料，形成的复合材料易团聚，分布不均匀，不能体内使用，不具有临床应用前景。

发明内容

本发明的发明目的是提供PEG-PCL-PEG共聚物与脱细胞骨基质的复合材料。

本发明复合材料，它包含PEG-PCL-PEG共聚物和脱细胞骨基质。

所述PEG-PCL-PEG共聚物为100～500g/L，脱细胞骨基质为30～150g/L。优选地，所述PEG-PCL-PEG共聚物为200～400g/L，脱细胞骨基质为100～140g/L。优选地，所述PEG-PCL-PEG共聚物为300g/L，脱细胞骨基质为33.33~128.57g/L，进一步优选地，所述PEG-PCL-PEG共聚物为PEG-PCL-PEG为300g/L，脱细胞骨基质为128.57g/L。

所述PEG-PCL-PEG共聚物为PEG₅₅₀-PCL₂₂₀₀-PEG₅₅₀共聚物。

所述PEG-PCL-PEG共聚物由如下方法制备：

a、取ε-己内酯、单甲基聚乙二醇、辛酸亚锡、Sn(Oct)₂和HMDI；

b、将ε-己内酯、单甲基聚乙二醇、辛酸亚锡加入到反应体系中，通入干燥高纯氮气，逐渐升温至130℃反应6小时，在300Pa的高真空状态下反应1小时后停止反应，得到MPEG-PCL共聚物；

c、称取干燥后的MPEG-PCL共聚物至三口烧瓶中，在氮气气氛下加热至80℃，加入Sn(Oct)₂和HMDI，反应5小时，升温至130℃反应1小时，在300Pa高真空状态下反应半小时后停止反应，得到PEG-PCL-PEG共聚物。

Sn(Oct)₂：异辛酸亚锡；HMDI：4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯；MPEG：单甲基聚乙二醇；PCL：ε-己内酯。

所述脱细胞骨基质由如下方法制备：

Ⅰ、将骨材料于室温下用10％过氧化氢处理48～72小时，蒸馏水洗净；

Ⅱ、将经步骤Ⅰ处理后的骨材料在室温下用氯仿或乙醇处理8小时，蒸馏水洗净；

Ⅲ、将经步骤Ⅱ处理后的骨材料液氮冷冻，粉碎，过200目筛，即得脱细胞骨基质。

所述骨材料为骨干、半关节骨段、全关节骨段、骨粒、骨板或生物衍生骨材料。

本发明复合材料的制备方法包括如下步骤：

（1）称取所述配比的PEG-PCL-PEG共聚物和脱细胞骨基质；

（2）将PEG-PCL-PEG共聚物溶解于水中，搅拌均匀，乳化后置于冰上，再加入脱细胞骨基质，搅拌均匀，即得复合材料。

本发明复合材料可用于制备骨修复材料/药物中。

本发明将脱细胞骨基质与PEG-PCL-PEG复合，构建的复合材料分布均匀，未发生团聚，用于体内骨缺损修复，效果优良，可用于临床骨缺损的修复，克服了骨修复颗粒材料与PEG-PCL-PEG共聚物的复合材料，分布不均匀，难以用于临床骨缺损修复的缺陷，并且，本发明复合材料的制备方法简单，成本低廉，使用方便，应用前景良好。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

附图说明

图1本发明复合材料体外相转变示意，a、e为PEG-PCL-PEG共聚物，b、f为本发明C组复合材料，c、g为本发明D组复合材料，d、h为本发明E组复合材料；

图2PEG-PCL-PEG共聚物扫描电子显微镜观察结果；

图3本发明C组复合材料扫描电子显微镜观察结果；

图4本发明D组复合材料扫描电子显微镜观察结果；

图5本发明E组复合材料扫描电子显微镜观察结果；

图6本发明复合材料体外细胞相容性分析；

图7本发明复合材料修复新西兰大白兔颅骨缺损模型建立，图7a为制备的新西兰大白兔颅骨缺损模型，图7b为将对照材料和本发明材料植入缺损处后即时效果；

图8采用本发明复合材料进行颅骨缺损修复的组织学分析，图8a为HE染色结果，前、中、后三张图均依次放大，图8b为Masson染色结果，前、中、后三张图均依次放大；

图9采用本发明复合材料修复颅骨缺损的影像学Micro-CT评估，图9a所示为样本扫描俯视结果，图9b所示为样本扫描截面结果，左侧均为单纯PEG-PCL-PEG阴性对照组，右侧均为本发明复合材料实验组。

具体实施方式

实施例1本发明复合材料的制备

1、制备方法

（1）制备PEG-PCL-PEG共聚物

将22g(0.19mol)的ε-己内酯、11g(0.02mol)单甲基聚乙二醇、0.16g（占总反应物0.5wt%）辛酸亚锡加入到反应体系中，通入干燥高纯氮气，逐渐升温至130℃反应6小时（因温度升高很快，而且不到130℃几乎不会发生反应，此处“逐渐升温至130℃反应6小时”，即：升温至130℃后，再反应6小时），在300Pa的高真空状态下反应1小时后停止反应，得到MPEG-PCL（PEC）二嵌段共聚物。

称取16.5g(5mmol)干燥后的MPEG-PCL（PEC）共聚物至三口烧瓶中，在氮气气氛下加热至80℃，加入165mg（占MPEG-PCL的0.5wt%）的Sn(Oct)2和0.42g（2.5mmol）HMDI，反应5小时，升温至130℃反应1小时，在300Pa的高真空状态下反应半小时后停止反应，得到PEG-PCL-PEG（PECE）三嵌段共聚物，透析后冷冻干燥，再行灭菌，然后装入可密闭的无菌容器中备用。

（2）制备脱细胞骨基质的微粒

取新鲜同种异体骨或异种骨（如牛骨、猪骨等），去除附着的软组织、软骨、骨髓，蒸馏水冲洗，于室温下用10％过氧化氢处理48～72小时，每24小时换液1次，蒸馏水冲洗干净，室温下用氯仿/乙醇处理8小时，蒸馏水冲洗干净，液氮冷冻，研磨，过200目筛（粒径范围为75±4.1μm），25KGyγ射线辐照灭菌备用。

（3）复合材料的制备

按表1所示的配方制备本发明复合材料：

表1本发明复合材料的配方

其中，PEG-PCL-PEG和脱细胞骨基质可以是市售的，也可以按照步骤（1）和步骤（2）所述方法制备。

制备步骤如下（下述操作均在无菌条件下完成）：

①分别取无菌的配方量的PEG-PCL-PEG共聚物于容器中，用纯净水溶解，并搅拌均匀；

②将搅拌均匀的PEG-PCL-PEG共聚物进行乳化后置于冰上；

③取配方量的无菌的脱细胞骨基质分散于其中，并搅拌均匀，即得本发明复合材料；

④分装密封保存备用。

实施例2本发明复合材料温度敏感性等特性检测实验

1、实验材料

PEG-PCL-PEG共聚物，按实施例1所述方法制备。

实施例1表1中C、D、E、F组本发明复合材料。

2、实验方法

（1）温度敏感性检测：将PEG-PCL-PEG共聚物和本发明复合材料放置于可调空气恒温孵箱内，将温度从4℃逐渐升至37℃，观察材料相转变；

（2）显微结构检测：电镜扫描PEG-PCL-PEG共聚物和本发明复合材料，并观察结果；

（3）体外细胞相容性检测：将PEG-PCL-PEG共聚物以及实施例1中E组本发明复合材料在培养基中浸泡24小时，将100%、50%以及25%浸出液加入到正常培养的细胞中，以MTT法在1天，3天和5天的时间点进行细胞吸光值的测定。以无浸出液培养基培养的细胞为阴性对照，以含0.1%苯酚的培养基处理的细胞为阳性对照。

3、实验结果

（1）经检测，F组复合材料在室温下凝固，PEG-PCL-PEG共聚物和C、D、E组复合材料在室温下流动，37℃转变为凝胶，结果见图1。说明PEG-PCL-PEG共聚物的浓度为300g/L时，脱细胞基质浓度小于等于128.57g/L，形成的本发明复合材料具有温度敏感的相变能力，脱细胞基质浓度大于等于200g/L，形成的复合材料则不具有温度敏感的相变能力。

（2）电镜检测结果如图2所示，PEG-PCL-PEG共聚物的孔径为40~60μm。

如图3~5所示，PEG-PCL-PEG共聚物的浓度为300g/L时，脱细胞基质浓度小于等于128.57g/L，本发明复合材料均具有良好的网状结构，且分布均匀，未出现团聚。

（3）体外细胞相容性检测结果见图6。由图6可知，与对照组相比，复合材料不会影响细胞的生长和增殖，本发明复合材料无细胞毒性。

实验证明，在一定浓度范围内，本发明复合材料具有良好的温度敏感性，更重要的是，具有温度敏感性的本发明复合材料均具有良好的网状结构，分布均匀，未出现团聚，且无细胞毒性，可以用于体内修复骨缺损。

实施例3采用本发明复合材料修复新西兰大白兔颅骨缺损

1、造模：选取健康成年新西兰大白兔6只，分别制备双侧颅顶骨1cm×0.5cm×0.2cm的骨膜与颅骨缺损模型。

2、实验分组：左侧植入单纯PEG-PCL-PEG，作为阴性对照，右侧植入本发明复合材料（实施例1表1中E组复合材料），作为实验组，如图7所示。

3、实验方法

对实验动物进行大体标本观察、组织学观察和影像学Micro-CT检查。

常规组织学观察：术后1月，标本固定染色，HE染色和Masson染色；

常规Micro-CT检查：术后1月，将样本固定后进行Micro-CT扫描分析。

4、实验结果

（1）大体标本观察结果

动物术后头顶缝线处均有不同程度肿胀，1周后症状消失；术后各时期，移植材料周围软组织未见变性、坏死和囊性变。

术后4周，对照组植入材料被吸收，实验组植入物与宿主骨界线不清，结合牢固，推之不动，有骨痂向材料中央延伸。

（2）组织学观察结果：

图8a为HE染色结果，可见本发明复合材料在颅骨缺损修复中，炎症反应十分微弱，有利于缺损的修复。

图8b为Masson染色结果，本发明的骨复合材料修复的颅骨缺损，胶原含量十分丰富，新生骨活性生长空间内见活性骨细胞生长。

（3）影像学Micro-CT检查结果：

如图9所示，右侧的实验组新生骨从缺损的中间和边缘区域同时生长，不论从修复面积还是新生骨密度都优于对照组，说明本发明复合材料与对照组相比，本发明复合材料能较好填充颅骨缺损，

实验说明，本发明复合材料用于体内骨缺损修复时，可促进骨细胞增殖产生新骨，新骨与宿主骨逐渐融合，修复处的炎症反应弱，对周围组织无副作用。

实验证明，本发明复合材料确实可用于体内骨缺损修复，而且，修复功效良好。

综上，本发明提供的复合材料具有良好的空间结构，分布均匀，无团聚，可用于体内修复，并且，体内修复实验证实其在体内的骨缺损修复效果优良，同时，还具有良好的注射性能，临床使用方便，制备方法简单，成本低廉，用于制备骨修复材料/药物，具有良好的应用前景和经济效益。

Claims (5)

1.一种复合材料，其特征在于：它包含PEG-PCL-PEG共聚物和脱细胞骨基质，其中，PEG-PCL-PEG共聚物为300 g/L，脱细胞骨基质为128.57 g/L；

其中，所述PEG-PCL-PEG共聚物由如下方法制备：

a、取ε-己内酯、单甲基聚乙二醇、辛酸亚锡、Sn(Oct)₂和HMDI；

b、将ε-己内酯、单甲基聚乙二醇、辛酸亚锡混合，通入干燥高纯氮气，升温至130℃，反应6 小时，再在300Pa 的高真空状态下反应1 小时，得到MPEG-PCL共聚物；

c、称取干燥后的MPEG-PCL共聚物至三口烧瓶中，在氮气气氛下加热至80℃，加入Sn(Oct)₂和HMDI，反应5 小时，升温至130℃，反应1 小时，在300Pa 高真空状态下反应半小时后停止反应，得到PEG-PCL-PEG共聚物；

其中，所述脱细胞骨基质由如下方法制备：

Ⅰ、将骨材料于室温下用10％过氧化氢处理48～72小时，蒸馏水洗净；

Ⅱ、将经步骤Ⅰ处理后的骨材料在室温下用氯仿或乙醇处理8小时，蒸馏水洗净；

Ⅲ、将经步骤Ⅱ处理后的骨材料液氮冷冻，粉碎，过200目筛，即得脱细胞骨基质。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述PEG-PCL-PEG共聚物为PEG₅₅₀-PCL₂₂₀₀-PEG₅₅₀共聚物。

3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：步骤Ⅰ所述骨材料为骨干、半关节骨段、全关节骨段、骨粒、骨板或生物衍生骨材料。

4.权利要求1~3任意一项所述复合材料的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：

（1）称取所述配比的PEG-PCL-PEG共聚物和脱细胞骨基质；

（2）将PEG-PCL-PEG共聚物溶解于水中，搅拌均匀，乳化后置于冰上，再加入脱细胞骨基质，搅拌均匀，即得复合材料。

5.权利要求1~3任意一项所述复合材料在制备骨修复材料/药物中的用途。