CN102875824A - 生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架及其制备方法，利用壳聚糖和透明质酸的电荷互补特性形成聚电解质复合物；以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为无机相前驱体，采用原位仿生合成方法，在聚电解质复合物基质上原位形成低结晶度纳米羟基磷灰石，制备出生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架。本发明在材料制备机理方面充分考虑了有机生物大分子和低结晶度羟基磷灰石的特性，采用比较温和的制备工艺条件，制备所得的材料可以根据使用需要，对材料进行随意赋形再加工。

Description

生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架

技术领域

本发明属于组织工程技术和纳米制造领域，具体涉及一种生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架及其制备方法。

背景技术

创伤、骨肿瘤端切除、骨组织炎症及先天性缺陷等骨缺损疾病在骨科临床上十分常见。临床上常采用骨移植手术治疗骨缺损疾病，就应用数量而言，骨移植手术已成为仅次于输血的人体组织移植。因此,骨修复材料的研究与开发具有潜在的社会和市场价值。传统的骨修复材料一般采用：自体移植材料、异体移植材料和惰性骨修复材料，由于它们各自的不足，均不能完全满足临床需要。骨组织工程的出现与发展，为最终解决这一临床难题带来了希望；模仿人体骨组织的结构和组分制备出理想的骨修复材料，是骨组织工程长期以来的目标。

天然骨是具有复杂分级结构的生物复合系统，其主要的有机质为纤维性胶原蛋白和蛋白多糖，而占骨质量2/3的无机盐类，其主要组成为结晶程度较弱的羟基磷灰石 (Hydroxyapatite， 简写为HAP)。人工合成的羟基磷灰石在组成成分上与自然骨组织钙盐一致，其大小、形状、结构、类似人体内生物矿化生成的HAP，且无毒、安全、具有良好的生物相容性、骨传导性，因此引起了全世界材料工作者和医学工作者的广泛关注。目前羟基磷灰石已被临床用做相容性骨缺损的修复和填充整形的骨材料；然而，人工合成的羟基磷灰石脆性大、不易成型，限制了它的应用。近年来，国内外的研究者将焦点转移到HAP与可降解聚合物的结合上，但在具有有机、无机组份类骨相互作用和HAP在基质上能否均匀分散等问题上，目前未取得较满意的突破。

壳聚糖是一种天然有机高分子多糖也是现今所发现的唯一具有明显碱性，带有正电荷的天然多糖，具有多个可利用的活性基团，易溶于稀酸。壳聚糖在内溶菌酶、甲壳酶的作用下水解成低聚糖，降解产物为对人体无毒的N-乙酰氨基葡萄糖和氨基葡萄糖，降解过程中产生的低分子量甲壳素(胺)或寡聚糖在体内不积累，无免疫原性，无毒性，无刺激性，无热原反应，无致突变乃致死性突变效应，具有良好的生物可降解性和生物相容性。在外形方面，壳聚糖可制成管状、膜、片、微粒等多种形状的多孔材料，已广泛应用于生物领域。目前研究己证明壳聚糖不仅与人神经细胞、成骨细胞、软骨细胞、皮肤细胞、肝脏细胞等具有良好的相容性，而且具有促进和诱导某些细胞生长的作用，是良好的细胞外基质材料，植入体内无排斥反应，在神经、骨骼、肌腱、皮肤等器官的修复中具有广泛的应用前景。

透明质酸是一种酸性粘多糖，本身带有负电荷，是细胞外基质的主要组分之一；透明质酸分子表面有大量亲水性基团，在水溶液中可结合大量水分子。同时，透明质酸中含有较多的酸性基团，对于细胞外液中Ca²⁺，Mg²⁺，K⁺，Na⁺等阳离子有较大亲和力，因此也能调节这些阳离子在组织中的分布。另外，透明质酸具有较大的粘弹性，附着于组织表面，能缓冲组织之间的机械摩擦，在体液(尤其是关节液)中起润滑、保护作用。由于透明质酸结构疏松，含水及多孔性而特别适于细胞的迁移及增殖，防止细胞在迁移到位及增殖够数之前过早地进行分化。

壳聚糖和透明质酸的分子结构极其类似，两者却带相反电荷，以透明质酸对壳聚糖进行化学修饰制备聚多糖生物活性聚电解质复合物，并模拟生物矿化过程在该活性聚电解质复合物上原位形成纳米羟基磷灰石，最终获得具有生物活性的复杂分级结构的骨组织工程支架材料。本发明根据目前骨组织工程支架仿生制备所存在的问题，结合国内外发展趋势及临床对该类材料的要求，从材料组份、材料与细胞的相互作用入手, 旨在通过活性材料的相互结合赋予新复合材料具有较完善的性能，期望更好的修复受损骨组织。

发明内容

本发明充分考虑了天然骨组织的结构特点及所制备的支架材料对细胞相容性、细胞生长与细胞功能的影响，针对目前用于骨组织工程的各种材料在机械性能、生物相容性、细胞亲和活性等方面的一些不足，先用壳聚糖、透明质酸预组装成活性聚电解质复合物，并模拟生物矿化过程在该复合物上原位形成纳米羟基磷灰石从而制备出纳米复合聚电解质支架材料。该方法的制备工艺条件温和，操作简便，成本比较低，制备所得到的支架材料可以根据使用部位和形状的具体要求，进行加工塑形。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架的制备方法，壳聚糖是一种含有氨基的阳离子多糖，而透明质酸是一种阴离子聚多糖，利用两者的电荷互补特性形成聚电解质复合物；以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为无机相前驱体，采用原位仿生合成方法，在聚电解质复合物基质上原位形成低结晶度纳米羟基磷灰石，实现了纳米粒的均匀分散，改善了羟基磷灰石的分散性，提高了有机、无机相的相互作用，从而制备出具有优异力学及生物学性能的骨修复材料。

所述的方法包括以下步骤：

（1）将壳聚糖与透明质酸溶解于乙酸溶液中，搅拌使其充分混合均匀；

（2）往上述有机组分混合液中分别加入可溶性钙盐和可溶性磷酸盐溶液；

（3）在步骤（2）的混合液中加入交联剂 EDC，混合液注入模具，移至冰箱预冷冻，再转入冷冻干燥机中进行干燥；

（4）将干燥样品置于碱液中浸泡，再用去离子水浸泡清洗，冷冻后进行干燥，即得到生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架。

各步骤的工艺参数如下：

（1）壳聚糖和透明质酸的质量比为1：0.025-0.25，乙酸溶液的体积分数为1-2%；

（2）可溶性钙盐溶液的浓度为2mol/L，可溶性磷酸盐溶液的浓度为1.2 mol/L，二者间隔0.5-1.0h加入，再持续搅拌1-2h；

（3）加入交联剂 EDC，加入量与透明质酸的质量一致，常温交联4-6h；4℃冰箱静置4-6h，随后放入-5℃～-80℃冰箱冷冻，再放入冷冻干燥机进行冷冻干燥至完全脱水；

（4）将干燥样品置于质量分数为5-10％NaOH的乙醇/去离子水中至少浸泡8h，再用去离子水反复浸泡清洗至中性，-5℃～-80℃冷冻后进行冷冻干燥获得产品。

为了使有机组分能充分溶解并混合均匀，未加入交联剂前的混合液的反应温度在25-40℃，而加入交联剂后的混合液应于常温下进行交联反应。

步骤（2）的混合液中，无机相Ca/P摩尔比为n(Ca²⁺):n(PO₄ ^3-)=1.67:1。

碱液中乙醇和去离子水的体积比1:1。

在步骤（3）的最终混合液中，壳聚糖的浓度为15-20 g/L，透明质酸的浓度为0.5-5 g/L，加入的Ca/P前驱体液理论形成HAP量为6-16 g/L。

可溶性钙盐是硝酸钙或氯化钙；可溶性磷酸盐是磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠或磷酸氢二钠；透明质酸选用它的钠盐。

一种如上所述的方法制得的生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架。

本发明的显著优点在于：根据骨组织工程支架仿生制备所存在的问题及临床对骨修复材料的要求，充分考虑材料的性能及材料与细胞的相互作用，制备生物活性纳米复合聚电解质支架。

制备所得的支架相对于其他复合支架有以下优点：

（1）选用壳聚糖、透明质酸和羟基磷灰石组分的组合，复合材料的生物相容性、生物活性好，且组成成分的配比可以调节；

（2）采用原位仿生合成的方法，使得羟基磷灰石在支架上实现了纳米分散，大大减小了相界面能，从而改善复合支架力学性能；

（3）采用骨髓间充质干细胞建立支架材料的体外评价模型，结果表明该材料细胞亲和性好；

（4）该聚电解质复合支架的制备工艺较简单，操作方便，成本低。

附图说明

图1-2是圆柱状生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架。

图3-4是生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架的SEM扫描电子显微镜图。

图5是生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架的XRD图。

图6是生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架与成人骨髓间充质干细胞体外培养的HE染色图。

具体实施方式

实施例1

1）配制2mol/L硝酸钙溶液，1.2mol/L磷酸氢二钾溶液；壳聚糖、透明质酸质量比为1:0.25；

2）将所述配比的壳聚糖/透明质酸溶于2%乙酸溶液，充分搅拌均匀；

3）往上述的壳聚糖/透明质酸混合液中缓慢地加入一定量的硝酸钙溶液，磷酸氢二钾溶液，其中n(Ca²⁺):n(PO₄ ^3-)=1.67:1，37℃恒温搅拌1h；有机组分与理论形成HAP的质量比1:0.8；

4）加入交联剂 （EDC的质量与透明质酸的质量相同)，常温交联6h；混合液注入模具，并移至4℃冰箱静置4h，随后放入-5℃冰箱至少冷冻12h,再进行冷冻干燥至完全脱水；

5）将干燥样品置于5％Na0H的乙醇／去离子水中常温浸泡10h，再用去离子水反复浸洗至中性，-5℃冷冻后再放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥最终获得产品。

采用健康成人骨髓间充质干细胞建立体外评价模型，通过MTT增殖实验、细胞蛋白含量和ALP活性测定、扫描电镜(SEM)观察、HE切片观察结合倒置相差显微镜动态观察材料—细胞相互作用，考察原位仿生合成生物活性骨修复支架材料的生物学特性。

实施例2

1）配制2mol/L氯化钙溶液，1.2mol/L磷酸氢二钾溶液；壳聚糖、透明质酸的质量比为1:0.2；

2）将所述配比的壳聚糖/透明质酸溶于2%乙酸溶液，充分搅拌均匀；

3）往上述的壳聚糖/透明质酸混合液中缓慢地加入一定量的氯化钙溶液，磷酸氢二钾溶液，其中n(Ca²⁺):n(PO₄ ^3-)=1.67:1，37℃恒温搅拌1h；有机组分与理论形成HAP的质量比1:0.7；

4）加入交联剂（EDC的质量与透明质酸的质量相同)，常温交联5h；混合液注入模具，并移至4℃冰箱静置4 h，随后放入-10℃冰箱至少冷冻12h，再进行冷冻干燥至完全脱水；

5）将干燥样品置于5％Na0H的乙醇／去离子水中常温浸泡10h，再用去离子水反复浸洗至中性，-10℃冷冻后再放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥最终获得产品。

采用健康成人骨髓间充质干细胞建立体外评价模型，通过MTT增殖实验、细胞蛋白含量和ALP活性测定、扫描电镜(SEM)观察、HE切片观察结合倒置相差显微镜动态观察材料—细胞相互作用，考察原位仿生合成生物活性骨修复支架材料的生物学特性。

实施例3

1）配制2mol/L硝酸钙溶液，1.2mol/L磷酸二氢钾溶液；壳聚糖、透明质酸的质量比为1:0.15；

2）将所述配比的壳聚糖/透明质酸溶于2%乙酸溶液，充分搅拌均匀；

3）往上述的壳聚糖/透明质酸混合液中缓慢地加入一定量的硝酸钙溶液，磷酸二氢钾溶液，其中n(Ca²⁺):n(PO₄ ^3-)=1.67:1，37℃恒温搅拌1h；有机组分与理论形成HAP的质量比1:0.6；

4）加入交联剂（EDC的质量与透明质酸的质量相同)，常温交联4h；混合液注入模具，并移至4℃冰箱静置5 h，随后放入-20℃冰箱至少冷冻12h，再进行冷冻干燥至完全脱水；

5）将干燥样品置于5％Na0H的乙醇／去离子水中常温浸泡10h，再用去离子水反复浸洗至中性，-20℃冷冻后再放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥最终获得产品。

采用健康成人骨髓间充质干细胞建立体外评价模型，通过MTT增殖实验、细胞蛋白含量和ALP活性测定、扫描电镜(SEM)观察、HE切片观察结合倒置相差显微镜动态观察材料—细胞相互作用，考察原位仿生合成生物活性骨修复支架材料的生物学特性。

实施例4

1）配制2mol/L氯化钙溶液，1.2mol/L磷酸二氢钾溶液；壳聚糖、透明质酸的质量比为1:0.1；

2）将所述配比的壳聚糖/透明质酸溶于2%乙酸溶液，充分搅拌均匀；

3）往上述壳聚糖/透明质酸混合液中缓慢地加入一定量的氯化钙溶液，磷酸二氢钾溶液，其中n(Ca²⁺):n(PO₄ ^3-)=1.67:1，37℃恒温搅拌1h；有机组分与理论形成HAP的质量比1:0.5；

4）加入交联剂（EDC的质量与透明质酸的质量相同)，常温交联6h；混合液注入模具，并移至4℃冰箱静置6 h，随后放入-80℃冰箱至少冷冻12h，再进行冷冻干燥至完全脱水；

5）将干燥样品置于5％Na0H的乙醇／去离子水中常温浸泡10h，再用去离子水反复浸洗至中性，-80℃冷冻后再放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥最终获得产品。

采用健康成人骨髓间充质干细胞建立体外评价模型，通过MTT增殖实验、细胞蛋白含量和ALP活性测定、扫描电镜(SEM)观察、HE切片观察结合倒置相差显微镜动态观察材料—细胞相互作用，考察原位仿生合成生物活性骨修复支架材料的生物学特性。

实施例5

1）配制2mol/L硝酸钙溶液，1.2mol/L磷酸氢二钠溶液；壳聚糖、透明质酸的质量比为1:0.05；

2）将所述配比的壳聚糖/透明质酸溶于2%乙酸溶液，充分搅拌均匀；

3）往混合均匀的壳聚糖/透明质酸混合液中缓慢地加入一定量的硝酸钙溶液，磷酸氢二钠溶液，其中n(Ca²⁺):n(PO₄ ^3-)=1.67:1，37℃恒温搅拌1h，有机组分与理论形成HAP的质量比1:0.4；

4）加入交联剂（EDC的质量与透明质酸的质量相同)，常温交联5h；混合液注入模具，并移至4℃冰箱静置5h，随后放入-10℃冰箱至少冷冻12h，再进行冷冻干燥至完全脱水；

5）将干燥样品置于10％Na0H的乙醇／去离子水中常温浸泡10h，再用去离子水反复浸洗至中性，-10℃冷冻后再放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥最终获得产品。

采用健康成人骨髓间充质干细胞建立体外评价模型，通过MTT增殖实验、细胞蛋白含量和ALP活性测定、扫描电镜(SEM)观察、HE切片观察结合倒置相差显微镜动态观察材料—细胞相互作用，考察原位仿生合成生物活性骨修复支架材料的生物学特性。

实施例6

1）配制2mol/L氯化钙溶液，1.2mol/L磷酸二氢钠溶液；壳聚糖、透明质酸的质量比为1:0.025；

2）将所述配比的壳聚糖/透明质酸溶于2%乙酸溶液，充分搅拌均匀；

3）往上述壳聚糖/透明质酸混合液中缓慢地加入一定量的氯化钙溶液，磷酸二氢钠溶液，其中n(Ca²⁺):n(PO₄ ^3-)=1.67:1，37℃恒温搅拌1h；有机组分与理论形成HAP的质量比1:0.3；

4）加入交联剂（EDC的质量与透明质酸的质量相同)，常温交联4h；混合液注入模具，并移至4℃冰箱静置6 h，随后放入-20℃冰箱至少冷冻12h，再进行冷冻干燥至完全脱水；

5）将干燥样品置于10％Na0H的乙醇／去离子水中常温浸泡10h，再用去离子水反复浸洗至中性，-20℃冷冻后再放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥最终获得产品。

采用健康成人骨髓间充质干细胞建立体外评价模型，通过MTT增殖实验、细胞蛋白含量和ALP活性测定、扫描电镜(SEM)观察、HE切片观察结合倒置相差显微镜动态观察材料—细胞相互作用，考察原位仿生合成生物活性骨修复支架材料的生物学特性。

结论：本发明获得的骨组织工程支架具有如下性质：可以根据不同缺损形状实现随意赋行；从扫描电镜（SEM）图可以观察到，支架形成较好的相互贯穿连通孔隙结构，支架上均匀地覆盖着细小的纳米级颗粒。由支架的XRD图谱发现支架中的无机结晶物的衍射峰为HAP的特征峰，结合SEM图说明支架上原位形成的纳米颗粒为纳米羟基磷灰石（nHAP）。HE染色显示了骨髓间充质干细胞能很好地在支架上进行粘附、增殖、生长，说明支架具有良好的细胞相容性。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：利用壳聚糖和透明质酸的电荷互补特性形成聚电解质复合物；以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为无机相前驱体，采用原位仿生合成方法，在聚电解质复合物基质上原位形成低结晶度纳米羟基磷灰石，制备出生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架。

2.根据权利要求1所述的生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

（1）将壳聚糖与透明质酸溶解于乙酸溶液中，搅拌使其充分混合均匀；

（2）往上述有机组分混合液中分别加入可溶性钙盐和可溶性磷酸盐溶液；

（3）在步骤（2）的混合液中加入交联剂 EDC，混合液注入模具，移至冰箱预冷冻，再转入冷冻干燥机中进行干燥；

（4）将干燥样品置于碱液中浸泡，再用去离子水浸泡清洗，冷冻后进行干燥，即得到生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架。

3.根据权利要求2所述的生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：各步骤的工艺参数如下：

（1）壳聚糖和透明质酸的质量比为1：0.025-0.25，乙酸溶液的体积分数为1-2%；

（2）可溶性钙盐溶液的浓度为2mol/L，可溶性磷酸盐溶液的浓度为1.2 mol/L，二者间隔0.5-1.0h加入，再持续搅拌1-2h；

（3）加入交联剂 EDC，加入量与透明质酸的质量一致，常温交联4-6h；4℃冰箱静置4-6h，随后放入-5℃～-80℃冰箱冷冻，再放入冷冻干燥机进行冷冻干燥至完全脱水；

（4）将干燥样品置于质量分数为5-10％NaOH的乙醇/去离子水中至少浸泡8h，再用去离子水反复浸泡清洗至中性，-5℃～-80℃冷冻后进行冷冻干燥获得产品。

4.根据权利要求3所述的生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：为了使有机组分能充分溶解并混合均匀，未加入交联剂前的混合液的反应温度在25-40℃，而加入交联剂后的混合液应于常温下进行交联反应。

5.根据权利要求3所述的生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：步骤（2）的混合液中，无机相Ca/P摩尔比为n(Ca²⁺):n(PO₄ ^3-)=1.67:1。

6.根据权利要求3所述的生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：碱液中乙醇和去离子水的体积比1:1。

7.根据权利要求3所述的生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：在步骤（3）的最终混合液中，壳聚糖的浓度为15-20 g/L，透明质酸的浓度为0.5-5 g/L，加入的Ca/P前驱体液理论形成HAP量为6-16 g/L。

8.根据权利要求2所述的生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架的制备方法，其特征在于：可溶性钙盐是硝酸钙或氯化钙；可溶性磷酸盐是磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠或磷酸氢二钠；透明质酸选用它的钠盐。

9.一种如权利要求1所述的方法制得的生物活性纳米复合聚电解质三维多孔骨组织工程支架。

Images