CN103143059B - 一种具有多级孔径结构的纳米复合骨缺损修复支架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多级孔径结构的纳米复合骨缺损修复支架及其制备方法，从仿生角度出发，为了更好的模拟天然骨组织中细胞外基质的组分、结构与功能，选用壳聚糖、胶原、透明质酸和羟基磷灰石组分的组合，利用冷冻干燥相分离技术结合原位复合方法制备类似天然骨细胞外基质的人工骨缺损修复支架。本发明制备程序简单，工艺条件温和，制备的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架在组成与结构上与天然骨基质类似，性能优越，具有可塑性，可被加工成所需要的形状。

Description

一种具有多级孔径结构的纳米复合骨缺损修复支架

技术领域

本发明属于骨组织修复支架材料制造领域，具体涉及一种具有多级孔径结构的纳米复合骨缺损修复支架及其制备方法。

背景技术

生物医学材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有十分重要的意义。近几十年来，生物医学材料的研究与开发取得了很大进展，使成千上万的患者获得了康复，大大提高了人类的生命质量。硬组织材料是生物医学材料的重要组成部分，人体硬组织生物活性替代材料应具有行使替代部位的生理功能，如支撑作用或骨引导作用、能模拟人体骨的生长与吸收、参与植入部位的新陈代谢、与组织进行物质交换等。具有高度生物活性的人体硬组织替代材料一直是国内外学者研究的热点。按照仿生学的原理，越是与机体相似的材料越是能够被机体接纳。研制一种与天然骨组织结构、性能相一致的骨替代材料，一直是骨组织工程材料研究的目标。

天然骨是由无机和有机基质巧妙结合在一起形成的天然复合体，其中无机质大部分是羟基磷灰石 (HAP)，有机质大部分是纤维性胶原蛋白和少量多糖。从广义上说，它可近似看作以骨胶原为基体材料、羟基磷灰石为增强材料而构成的有机-无机复合材料。基于此，胶原基纳米羟基磷灰石类复合材料成为了近年来骨材料研究的热点之一。但由于该类材料存在机械性能差和降解速率过快，无法与骨生长速度很好地匹配等缺点，使其难以单独成为良好的骨组织工程支架。近几年来，研究者们通过仿生合成、交联处理、引入第三相等方法来提高胶原基纳米羟基磷灰石复合材料的性能。

壳聚糖是一种带正电荷的天然聚多糖，其结构与细胞外基质的主要成分—糖胺聚糖十分类似，降解产物对人体无毒副作用，具有良好的生物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。壳聚糖的力学性能强于胶原，在体液环境中降解速率能满足骨组织工程的需要，并且能和胶原很好的复合，增加胶原的稳定性。透明质酸(HYA)是细胞外基质中的一种重要天然多糖，具有高度含水能力，可以特异地与CD44受体结合，在调节细胞行为方面有重要作用。在胶原中复合透明质酸，可以利用其优越的生物功能，促进细胞分化与增殖，有助于得到新生组织。

基于此，本发明利用壳聚糖、透明质酸、胶原的分子交联技术和纳米羟基磷灰石的自组装仿生学原理结合冷冻干燥相分离技术，在成分仿生的基础上进行结构仿生制备类似天然骨组织细胞外基质的人工骨缺损修复支架。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多级孔径结构的纳米复合骨缺损修复支架及其制备方法。本发明制得的三维立体多孔支架具有较大孔隙率和微米/纳米多级孔径结构，有利于细胞粘附生长、细胞外基质沉淀、营养与氧气进入、代谢产物的排出；支架上含有细胞特异性识别位点，有利于细胞粘附、生长，更重要的是能激活细胞特异基因表达，维持正常细胞的表型表达。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

从仿生角度出发，选用壳聚糖、胶原、透明质酸和羟基磷灰石组分的组合，利用冷冻干燥相分离技术结合原位复合方法，在成分仿生的基础上进行结构仿生制备类似天然骨组织细胞外基质的人工骨缺损修复支架。多级孔径结构是指纳米复合骨缺损修复支架具有微米级、纳米级的多级孔径分布。

一种制备如上所述的具有多级孔径结构的纳米复合骨缺损修复支架的方法包括以下步骤：

（1）将透明质酸溶解于去离子水中，壳聚糖和胶原溶解于体积分数为1～2%的乙酸溶液中；

（2）缓慢将透明质酸溶液加入到壳聚糖/胶原的乙酸溶液中，搅拌0.5～1h，使其充分混合均匀；

（3）在剧烈搅拌下，按照HAP的化学计量比Ca/P = 1.67在步骤（2）的混合溶液中分别加入2～3mol/L可溶性钙盐溶液和1.2～1.8mol/L可溶性磷酸盐溶液；

（4）往步骤（3）的混合溶液中加入交联剂，常温交联4～8h，最终混合液注入模具，移至2～4℃冰箱预冷冻3～5h，再放入-10～-80℃冷冻至少12h；

（5）将步骤（4）所得的冷冻样品转入冷冻干燥机中进行冷冻干燥至完全脱水；

（6）将步骤（5）的干燥样品置于0.5～1.5mol/L的碱溶液中浸泡8～15h，再用去离子水反复浸洗至中性，-10～-80℃冷藏后进行冷冻干燥，即得到具有多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架。

步骤（3）所述的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、磷酸氢二钠或磷酸二氢钠。

步骤（1）所述的胶原为I型活性胶原蛋白，透明质酸选用它的钠盐。

步骤（3）的可溶性钙盐溶液和可溶性磷酸盐溶液，二者间隔20～40min加入。

步骤（4）所述的交联剂为1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)；交联剂EDC的浓度为2～4mg/mL，NHS的浓度为1～3mg/mL。

步骤（6）的碱溶液是0.5～1.5mol/L KOH或NaOH的乙醇/水(v:v=1～2:1)溶液。

步骤（4）的最终混合液中，壳聚糖的浓度为16～20g/L，胶原的浓度为2.5～5 g/L，透明质酸的浓度为0.5～1.5 g/L，加入的Ca/P前驱体溶液理论形成HAP量为10～20 g/L。

本发明的显著优点在于：壳聚糖在组成和结构上与糖胺聚糖具有部分相似性，且生物相容性好；透明质酸是一种糖胺聚糖，存在于细胞外基质中，具有保湿、促进离子溶质和营养物质运输的功能，能通过与其他基质分子相互作用，保持细胞外基质的稳定性和弹性；胶原蛋白是细胞外基质的重要成分之一，本身含有RGD生物活性短肽，可特异性识别并与细胞表面整连蛋白受体键合，促进细胞的黏附与生长。原位形成的羟基磷灰石类似人体内生物矿化生成的羟基磷灰石，无毒、安全、具有良好的生物相容性、骨传导性。因此，选用壳聚糖/胶原/透明质酸为有机基质，可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为无机相纳米羟基磷灰石的先驱物，采用冷冻干燥相分离技术原位构筑与人体骨组织细胞外基质相近的人工骨缺损修复支架，相对于其他骨缺损修复支架有以下优点：

（1）纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架含有精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸(RGD)序列，可特异性识别并与细胞表面整连蛋白受体键合，促进细胞的黏附与生长；

（2）纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架具有微米级、纳米级的多级孔径结构；这种多级孔径结构有利于细胞的附着、铺展、迁移，培养液和代谢产物的运输及交换，从而有利于细胞生长；

（3）采用原位复合的制备方法，使得羟基磷灰石在支架上实现了纳米级分散，相界面的结合力得到加强，改善了支架的力学性能；

（4）可以通过改变交联剂的用量来控制交联度，得到具有不同生物降解性能和力学性能的复合支架；

（5）该复合支架的制备工艺条件温和，操作方便。

附图说明

图1-3具有多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架的SEM扫描电子显微镜图。

图4是具有多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架图3的放大图（箭头所指是支架上的纳米颗粒）。

图5是具有多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架上附着的纳米粒的XRD衍射图谱。

图6具有多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架的Hoechst33258荧光染色图（100X）。

图7-9 SD乳鼠成骨细胞与具有多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架组装体的Hoechst33258荧光染色图（100X）。

具体实施方式

实施例1

1）配制2mol/L的可溶性钙盐溶液，1.2mol/L的可溶性磷酸盐溶液；壳聚糖、胶原、透明质酸、理论形成HAP的质量比为16：3 ：0.5：10；

2）按照上述配比称取一定量的透明质酸溶解于去离子水中，一定量的壳聚糖、胶原溶解于1%(v/v)乙酸溶液；

3）缓慢将透明质酸溶液加入到壳聚糖/胶原乙酸溶液中，搅拌1h，使其充分混合均匀；

4）在剧烈搅拌下，按照HAP的化学计量比Ca/P = 1.67往上述有机组分混合溶液中分别加入一定体积的可溶性钙盐和可溶性磷酸盐溶液，二者间隔20min加入；

5）接着加入一定量的交联剂进行交联，常温交联5h ；EDC的浓度为2mg/mL ，NHS的浓度为1mg/mL；最终混合液注入模具，移至4℃冰箱预冷冻5h，再放入-10℃冷冻12h；

6）将步骤（5）所得的冷冻样品转入冷冻干燥机中进行冷冻干燥至完全脱水；

7）将上述所得干燥样品置于0.5mol/L KOH的乙醇/水溶液中浸泡10h，再用去离子水反复浸洗至中性，-10℃冷藏后进行冷冻干燥，即得到具有微米/纳米多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架。

实施例2

1）配制2mol/L的可溶性钙盐溶液，1.8mol/L的可溶性磷酸盐溶液；壳聚糖、胶原、透明质酸、理论形成HAP的质量比为18：2.5 ：1：12；

2）按照上述配比称取一定量的透明质酸溶解于去离子水中，一定量的壳聚糖、胶原溶解于1.5%(v/v)乙酸溶液；

3）缓慢将透明质酸溶液加入到壳聚糖/胶原乙酸溶液中，搅拌0.5h，使其充分混合均匀；

4）在剧烈搅拌下，按照HAP的化学计量比Ca/P = 1.67往上述步骤（3）有机组分溶液中分别加入一定体积的可溶性钙盐和可溶性磷酸盐溶液，二者间隔30min加入；

5）往上述混合溶液中加入一定量的交联剂进行交联，常温交联6h ；EDC的浓度为3mg/mL ，NHS的浓度为1.5mg/mL；最终混合液注入模具，移至4℃冰箱预冷冻4h，再放入-20℃冷冻24h；

6）将步骤（5）所得的冷冻样品转入冷冻干燥机中进行冷冻干燥至完全脱水；

7）将上述所得干燥样品置于1mol/L NaOH的乙醇/水溶液中浸泡10h，再用去离子水反复浸洗至中性，-20℃冷藏后进行冷冻干燥，即得到具有微米/纳米多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架。

实施例3

1）配制2.5mol/L的可溶性钙盐溶液，1.2mol/L的可溶性磷酸盐溶液；壳聚糖、胶原、透明质酸、理论形成HAP的质量比为18：4 ：1：15；

2）按照上述配比称取一定量的透明质酸溶解于去离子水中，一定量的壳聚糖、胶原溶解于2%(v/v)乙酸溶液；

3）缓慢将透明质酸溶液加入到壳聚糖/胶原乙酸溶液中，搅拌1h，使其充分混合均匀；

4）在剧烈搅拌下，按照HAP的化学计量比Ca/P = 1.67往上述步骤（3）有机组分溶液中分别加入一定体积的可溶性钙盐和可溶性磷酸盐溶液，二者间隔40min加入；

5）往上述混合溶液中加入一定量的交联剂进行交联，常温交联7h ；EDC的浓度为4mg/mL ，NHS的浓度为3mg/mL；最终混合液注入模具，移至4℃冰箱预冷冻4h，再放入-80℃冷冻12h；

6）将步骤（5）所得的冷冻样品转入冷冻干燥机中进行冷冻干燥至完全脱水；

7）将上述所得干燥样品置于1mol/L KOH的乙醇/水溶液中浸泡12h，再用去离子水反复浸洗至中性，-80℃冷藏后进行冷冻干燥，即得到具有微米/纳米多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架。

实施例4

1）配制2.5mol/L的可溶性钙盐溶液，1.8mol/L的可溶性磷酸盐溶液；壳聚糖、胶原、透明质酸、理论形成HAP的质量比为20：5 ：1.5：20；

2）按照上述配比称取一定量的透明质酸溶解于去离子水中，一定量的壳聚糖、胶原溶解于1%(v/v)乙酸溶液；

3）缓慢将透明质酸溶液加入到壳聚糖/胶原乙酸溶液中，搅拌0.8h，使其充分混合均匀；

4）在剧烈搅拌下，按照HAP的化学计量比Ca/P = 1.67往上述步骤（3）有机组分溶液中分别加入一定体积的可溶性钙盐和可溶性磷酸盐溶液，二者间隔30min加入；

5）往上述混合溶液中加入一定量的交联剂进行交联，常温交联8h ；EDC的浓度为3mg/mL ，NHS的浓度为2mg/mL；最终混合液注入模具，移至4℃冰箱预冷冻3h，再放入-10℃冷冻24h；

6）将步骤（5）所得的冷冻样品转入冷冻干燥机中进行冷冻干燥至完全脱水；

7）将上述所得干燥样品置于1.5mol/L NaOH的乙醇/水溶液中浸泡15h，再用去离子水反复浸洗至中性，-10℃冷藏后进行冷冻干燥，即得到具有微米/纳米多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架。

实施例5

1）配制3mol/L的可溶性钙盐溶液，1.2mol/L的可溶性磷酸盐溶液；壳聚糖、胶原、透明质酸、理论形成HAP的质量比为20：4 ：1：15；

2）按照上述配比称取一定量的透明质酸溶解于去离子水中，一定量的壳聚糖、胶原溶解于2%(v/v)乙酸溶液；

3）缓慢将透明质酸溶液加入到壳聚糖/胶原乙酸溶液中，搅拌1h，使其充分混合均匀；

4）在剧烈搅拌下，按照HAP的化学计量比Ca/P = 1.67往上述步骤（3）有机组分溶液中分别加入一定体积的可溶性钙盐和可溶性磷酸盐溶液，二者间隔25min加入；

5）往上述混合溶液中加入一定量的交联剂进行交联，常温交联6h ；EDC的浓度为2mg/mL ，NHS的浓度为1.5mg/mL；最终混合液注入模具，移至4℃冰箱预冷冻5h，再放入-80℃冷冻24h；

6）将步骤（5）所得的冷冻样品转入冷冻干燥机中进行冷冻干燥至完全脱水；

7）将上述所得干燥样品置于1mol/L KOH的乙醇/水溶液中浸泡12h，再用去离子水反复浸洗至中性，-80℃冷藏后进行冷冻干燥，即得到具有微米/纳米多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架。

实施例6

1）配制3mol/L的可溶性钙盐溶液，1.8mol/L的可溶性磷酸盐溶液；壳聚糖、胶原、透明质酸、理论形成HAP的质量比为16：5 ：0.5：12；

2）按照上述配比称取一定量的透明质酸溶解于去离子水中，一定量的壳聚糖、胶原溶解于1.5%(v/v)乙酸溶液；

3）缓慢将透明质酸溶液加入到壳聚糖/胶原乙酸溶液中，搅拌0.5h，使其充分混合均匀；

4）在剧烈搅拌下，按照HAP的化学计量比Ca/P = 1.67往上述步骤（3）有机组分溶液中分别加入一定体积的可溶性钙盐和可溶性磷酸盐溶液，二者间隔35min加入；

5）往步骤（4）混合溶液中加入一定量的交联剂进行交联，常温交联5h ；EDC的浓度为4mg/mL，NHS的浓度为3mg/mL；最终混合液注入模具，移至4℃冰箱预冷冻4h，再放入-20℃冷冻12h；

6）将步骤（5）所得的冷冻样品转入冷冻干燥机中进行冷冻干燥至完全脱水；

7）将上述所得干燥样品置于0.5mol/L NaOH的乙醇/水溶液中浸泡12h，再用去离子水反复浸洗至中性，-20℃冷藏后进行冷冻干燥，即得到具有微米/纳米多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架。

将SD乳鼠成骨细胞与所制备的支架进行复合培养，考察具有微米/纳米多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架的细胞学特性。

结论：本制备方法可以使得原位复合支架根据实际需要预成型成各种形状；由SEM图可以观察到支架形成较好的相互贯穿的连通孔隙结构，具有微米级、纳米级的多级孔径分布，支架孔壁上有均匀分布的细小的纳米颗粒。由支架的XRD图谱，可发现支架中的无机结晶物的衍射峰与HAP的特征峰一致，且其衍射峰存在宽化、弥散现象，表明支架中无机相的结晶粒度低，晶格发育不完整，与天然骨的无机相类似。SD乳鼠成骨细胞与支架联合培养，使用Hoechst33258荧光染料染色，观察细胞在支架上的粘附、增殖、生长情况。从荧光染色图可以看出，加入细胞悬液4h后，已有细胞在支架上粘附；48 h后支架上细胞数量明显增加，72 h后可以观察到细胞在支架上呈均匀分布，支架上的细胞数量越来越多；在联合培养过程中成骨细胞一直保持着良好的生长状态，说明复合支架的细胞相容性好。

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 (1)

1.一种具有多级孔径结构的纳米复合骨缺损修复支架，其特征在于：从仿生角度出发，选用壳聚糖、胶原、透明质酸和羟基磷灰石组分的组合，利用冷冻干燥相分离技术结合原位复合方法，在成分仿生的基础上进行结构仿生制备类似天然骨组织细胞外基质的人工骨缺损修复支架；

以壳聚糖、胶原、透明质酸为有机相，可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为无机相纳米羟基磷灰石的先驱物；

多级孔径结构是指纳米复合骨缺损修复支架具有微米级、纳米级的多级孔径分布；

制备方法包括以下步骤：

（1）将透明质酸溶解于去离子水中，壳聚糖和胶原溶解于体积分数为1～2%的乙酸溶液中；

（2）缓慢将透明质酸溶液加入到壳聚糖/胶原的乙酸溶液中，搅拌0.5～1h，使其充分混合均匀；

（3）在剧烈搅拌下，按照HAP的化学计量比Ca/P = 1.67在步骤（2）的混合溶液中分别加入2～3mol/L可溶性钙盐溶液和1.2～1.8mol/L可溶性磷酸盐溶液；

（4）往步骤（3）的混合溶液中加入交联剂，常温交联4～8h，最终混合液注入模具，移至2～4℃冰箱预冷冻3～5h，再放入-10～-80℃冷冻至少12h；

（5）将步骤（4）所得的冷冻样品转入冷冻干燥机中进行冷冻干燥至完全脱水；

（6）将步骤（5）的干燥样品置于0.5～1.5mol/L的碱溶液中浸泡8～15h，再用去离子水反复浸洗至中性，-10～-80℃冷藏后进行冷冻干燥，即得到具有多级孔径结构的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/胶原/透明质酸骨缺损修复支架；

步骤（3）所述的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、磷酸氢二钠或磷酸二氢钠；

步骤（1）所述的胶原为I型活性胶原蛋白，透明质酸选用它的钠盐；

步骤（3）的可溶性钙盐溶液和可溶性磷酸盐溶液，二者间隔20～40min加入；

步骤（4）所述的交联剂为1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺；交联剂1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺的浓度为2～4mg/mL，N-羟基琥珀酰亚胺的浓度为1～3mg/mL；

步骤（6）的碱溶液是0.5～1.5mol/L KOH或NaOH的乙醇/水溶液，其中乙醇与水的体积比为1～2:1；

步骤（4）的最终混合液中，壳聚糖的浓度为16～20g/L，胶原的浓度为2.5～5 g/L，透明质酸的浓度为0.5～1.5 g/L，加入的Ca/P前驱体溶液理论形成HAP量为10～20 g/L。