CN103463685B - 一种高强度可降解多孔结构组织工程支架的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强度可降解多孔结构组织工程支架的制备方法，将主盐、合金元素添加剂、氯化钠、硼酸、稳定剂、表面活性剂以及蒸馏水混合均匀制得电解液，将多孔模板进行导电化处理后在电解液中进行电沉积制备出多孔金属，将多孔金属支架进行气体保护热处理和表面生物活性陶瓷层的沉积。本发明制备出的组织工程支架具备天然及人工多孔材料所具有的多孔结构，有利于细胞的生长，并且这种支架具有良好的力学性能和可降解性，可用于硬组织的修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种组织工程支架的制备方法。
背景技术
组织工程支架是一种人工合成的具有三维结构的框架，它起到了模拟细胞外基质的作用，从而使细胞在这种三维结构上黏附、增殖、迁移、分化，最终使组织得以重建。这种技术突破了传统的器官移植和生物材料植入的一些限制（如免疫原性、来源有限、价格昂贵等），可用于修复受损的组织或器官而不需要辅助的治疗，不仅可以提高治愈率，而且可以大大降低治疗成本。
到目前为止，以可降解的高分子为基础材料的组织工程支架得到了比较深入的研究，取得了重要进展。所制备的支架在软组织，如血管、皮肤、韧带以及神经等的修复或重建中具有较大潜力。此外，生物活性陶瓷以及金属支架，如钛合金、不锈钢等，也得到了一定的研究。这些材料所制备的支架存在一些不同的缺点，最主要的问题是力学性能与可降解性不能很好的匹配，如高分子支架可降解，但其力学性能较差，只能用于软组织的修复；生物活性陶瓷模量较高，但脆性较大，虽然可用于一些硬组织的修复，但却不能用于修复承受拉应力的硬组织。
钛合金、不锈钢等金属材料具有良好的力学性能，如高强度、高模量、良好的韧性、优异的延展性等，同时又具有良好的加工成型性。这些优异的性能使金属材料很早便已广泛地应用于医用植入材料，如骨固定材料、关节置换材料、骨板、牙齿等。但是这些材料不可降解，当其作为组织工程支架植入体内时会以异物的形式长期存在于体内。这会产生一些负面影响，如应力屏蔽，应力松驰，血管支架还会产生再狭窄等。这些缺点限制了它们的应用。因此，可降解的金属材料成为解决这些问题很有希望的途径。
一直以来，腐蚀被认为是导致金属材料失效的主要原因之一，但一些金属（如铁、镁等）的腐蚀却成为植入材料的一个优点，它们可被用作降解植入材料。将其植入体内，这些材料会随着新组织的形成逐渐降解。而且铁和镁是人体必须的元素，不会对人体产生较大的负面影响。因此，这类材料必将成为一种革命性的植入材料而被广泛的应用于生物医学领域。
到目前为止，镁基和铁基可降解的医用金属材料已得到了开创性的研究。虽然对镁合金的研究越来越多，但与铁相比，其力学性能较低。更重要的是，在生理环境中的降解速度太快，以致新形成的骨还不能够承受必要的载荷就已发生破坏，而且在腐蚀的过程中严重析氢，这些难以克服的缺点使其应用受到限制。与镁相比，铁的降解速度较慢，且具有更优异的力学性能和良好的生物相容性。已有动物体内实验表明，铁作为血管支架在植入后没有炎症、内膜增生或者血栓形成，因此没有引起明显的血管阻塞[Liu B,Zheng YF.Effects of alloying elements(Mn,Co,Al,W,Sn,B,C and S)onbiodegradability and in vitro biocompatibility of pure iron.Acta Biomater.2011;7:1407-20.]。Moravej等采用电铸技术制备的铁箔具有良好的力学性能和合适的腐蚀速率，有望用作可降解的血管支架材料[Moravej M,Prima F,Fiset M,Mantovani D.Electroformed iron as new biomaterial for degradable stents:Development process andstructure–properties relationship.Acta Biomater.2010;6:1726-35.]。Nie等采用等通道转角挤压法制备出大块纳米晶纯铁棒，这种材料具有更强的腐蚀抗力和良好的体外相容性，能够刺激纤维母细胞的增殖，促进内皮化，抑制血管平滑肌细胞的生存能力[Nie FL,Zheng YF,Wei SC,Hu C,Yang G.In vitro corrosion,cytotoxicity and hemocompatibility ofbulk nanocrystalline pure iron.Biomed Mater.2010;5.]。Wegener等采用粉末冶金法制备了一种多孔铁基合金，具有可调节的力学性能，对细胞增殖没有产生不利的影响，有望用作可降解的骨修复或骨固定材料[Wegener B,Sievers B,Utzschneider S,Muller P,Jansson V,Rossler S,et al.Microstructure,cytotoxicity and corrosion ofpowder-metallurgical iron alloys for biodegradable bone replacement materials.Mater SciEng B-Adv.2011;176:1789-96.]。但是，这些方法制备出来的材料为铁箔或块体材料，它们不具有多孔结构或者孔径太小，不利于细胞的生长，因此不能满足组织工程对支架的要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种组织工程支架的制备方法，以铁为原材料，通过电沉积法制备三维多孔支架，将这种支架用于组织工程，可以解决目前已有的组织工程支架所存在的问题，如力学性能差，不能用于硬组织的修复；孔径小，对体液的渗透及细胞迁移产生阻力；三维多孔结构特征不明显以及不可降解等。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
（1）电解液的配制：将主盐、合金元素添加剂、氯化钠、硼酸、稳定剂、表面活性剂以及蒸馏水混合均匀，制得的电解液中主盐、合金元素添加剂、氯化钠、硼酸、稳定剂、表面活性剂的浓度分别为120-400g/L、5-150g/L、10-50g/L、20-50g/L、0.5-10g/L、0.0004-0.006g/L；
（2）将多孔模板进行导电化处理：通过气相沉积导电层、化学镀金属导电层或涂覆导电胶方法对多孔模板进行处理，使其具有导电性；
（3）多孔材料的电沉积制备：以导电化处理的多孔模板为电极，在电解液中进行电沉积制备出多孔金属；
（4）热处理：将通过电沉积制备出的多孔金属支架进行气体保护热处理，去除其中的有机质基体，提高其力学性能；
（5）表面生物活性陶瓷层的沉积：对经过热处理的多孔金属进行表面生物活性陶瓷层的沉积。
所述的主盐包括FeSO4和FeCl2，合金元素添加剂包括MnCl2·4H2O、ZnSO4·7H2O、Na2SnO3·3H2O、Na2WO4·2H2O、NaH2PO4、Na2MoO4·2H2O、MnSO4·H2O，稳定剂包括抗坏血酸、氟化物、氨基酸，表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、柠檬酸钠、十二烷基硫酸钠、氨磺酸。
所述的多孔模板包括天然和人工的模板，天然模板包括脱细胞骨基质支架、丝瓜络、蚕茧，人工模板包括聚酯类海绵、静电纺丝多孔支架。
所述的电沉积方法包括恒压法、恒流法和脉冲法。
所述的生物活性陶瓷层为羟基磷灰石，其沉积方法包括电沉积法、仿生矿化法和自组装法。
本发明的有益效果是：以天然及人工合成的多孔材料为模板，通过电沉积制备铁基支架。这种支架具有天然及人工模板材料所具备的多孔结构形态，且具有良好的力学性能，为细胞的生长提供了合适的形态上的支持，可用于硬组织的修复。通过热处理去除有机质，从而排除了基体模板及其导电化处理可能对细胞生长带来的危害。通过对表面沉积生物活性陶瓷，可提高植入初期的细胞成活率，降低炎症反应。植入一定阶段后，表面的生物活性陶瓷层分解，露出的基体开始缓慢降解。最终可完成硬组织的修复。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
实施例1：纯铁支架
1.配制电解液。将FeCl2（200-400g/L）、NaCl（15-40g/L）、硼酸（20-40g/L）、抗坏血酸（0.5-5g/L）、十二烷基苯磺酸钠（0.0005-0.0045g/L）以及蒸馏水混合，配制成均匀溶液，调节pH为2-5，然后过滤。
2.多孔模板导电化处理。将开孔聚酯海绵进行清洗、除油、粗化、敏化、活化、解胶等一系列处理，最后通过化学镀的方法使其表面具有一层金属导电层。
3.电沉积制备多孔材料。以导电化处理后的开孔海绵为阴极，纯铁片为阳极进行电沉积，采用恒电流法，电流密度3-15A/dm2，时间60-150min。
4.多孔材料的热处理。将电沉积后的多孔金属材料在氮氢混合气氛保护下，进行连续热处理，在400-600℃保温20-120min，随后升温，在800-970℃保温40-120min。
5.表面活性陶瓷层的沉积。将NaCl、CaCl2、Na2HPO4·2H2O与去离子水配制成均匀溶液，使Ca/P=1.67，用TRIS和盐酸调节pH为7.4。在37℃采用恒压法进行电沉积，电压1.2-4.0V，时间30min到150min。
实施例2：铁锰合金支架
1.配制电解液。将FeCl2（200-350g/L）、MnCl2·4H2O（5-60g/L），NaCl（10-35g/L）、硼酸（25-50g/L）、氟化物（1-10g/L）、柠檬酸钠（0.001-0.005g/L）以及蒸馏水混合，配制成均匀溶液，调节pH为1.5-4.5，然后过滤。
2.多孔模板导电化处理。将脱细胞骨基质支架浸泡在石墨导电胶中，搅拌、挤压，使其表面均匀地涂覆一层石墨导电胶，离心甩干，然后自然风干。
3.电沉积制备多孔材料。以导电化处理后的脱细胞骨基质支架为阴极，纯铁片为阳极进行电沉积，采用恒压法，电压0.8-4.8V，时间60-180min。
4.多孔材料的热处理。将电沉积出来的多孔金属材料在氢气氛保护下，进行连续热处理，在200-500℃保温20-120min，随后升温，在800-960℃保温30-90min。
5.表面活性陶瓷层的沉积。将Ca(NO3)2·4H2O、NH4H2PO4、NH4NO3，与去离子水配制成均匀溶液，使Ca/P=1.67，用硝酸和氨水调节pH为3.5-5.0。在60℃采用恒压法时行电沉积，电压0.6-2.4V，时间30min到90min。
实施例3：铁锌合金支架
1.配制电解液。将FeSO4（180-350g/L）、ZnSO4·7H2O(40-120g/L)、NaCl(15-35g/L)、硼酸(25-35g/L)、氨基酸（1-6g/L）、十二烷基硫酸钠（0.001-0.0045g/L）以及蒸馏水混合，配制成均匀溶液，调节pH为2.5-6，然后过滤。
2.多孔模板导电化处理。选用孔径较小且尺寸分布较为均匀的丝瓜络，对其进行清洗、粗化，只留下纤维，然后浸泡在石墨导电胶中，搅拌、挤压，使丝瓜络表面均匀涂覆一层石墨导电胶，离心甩干，然后自然风干。
3.电沉积制备多孔材料。以导电化处理后的丝瓜络为阴极，纯铁片为阳极进行电沉积。采用恒电流法，电流密度4-20A/dm2，时间60-180min。
4.多孔材料的热处理。将电沉积出来的多孔金属材料在氮氢混合气氛保护下，进行连续热处理，在300-550℃保温20-120min，随后升温，在800-970℃保温60-120min。
5.表面活性陶瓷层的沉积。将Ca(NO3)2·4H2O，(NH4)2HPO4、NaNO3，与去离子水配制成均匀溶液，使Ca/P=1.67，用硝酸和氨水调节pH为3.5-5.0。在25℃采用恒流法进行电沉积，电流密度0.2-1.2mA/cm2，时间10min到120min。
实施例4：铁锡合金支架
1.配制电解液。将FeCl2（200-320g/L）、Na2SnO3·3H2O（20-100g/L）、NaCl（15-40g/L）、硼酸（20-40g/L）、氨基酸（0.5-6g/L）、柠檬酸钠（0.001-0.006g/L）以及蒸馏水混合，配制成均匀溶液，调节pH为2-6.5，然后过滤。
2.多孔模板导电化处理。将蚕茧切成小方块，将其剥离为通透性较好的薄层，然后浸泡在石墨导电胶中，搅拌、挤压，使其表面均匀涂覆一层石墨导电胶，离心甩干，然后自然风干。
3.电沉积制备多孔材料。以导电化处理后的蚕茧为阴极，纯铁片为阳极进行电沉积。采用恒电流法，电流密度4-16A/dm2，时间30-120min。
4.多孔材料的热处理。将电沉积出来的多孔金属材料在氮氢混合气氛保护下，进行连续热处理，在250-500℃保温20-120min，随后升温，在800-970℃保温60-150min。
5.采用仿生矿化法沉积活性陶瓷层。将多孔支架在超声波中进行清洗，去除表面油污灰尘等杂质，然后放入100-500g/L的NaOH溶液中，在35-90℃下浸泡40-1200min，取出后清洗、干燥，在500-780℃真空热处理60min。最后将试样浸泡在模拟体液中，温度为36.5℃，时间5-25天。
实施例5：铁钨合金支架
1.配制电解液。将FeSO4（120-200g/L）、Na2WO4·2H2O（100-150g/L）、NaCl（10-30g/L）、硼酸（25-40g/L）、抗坏血酸（1-5g/L）、十二烷基硫酸钠（0.001-0.005g/L）、以及蒸馏水混合，配制成均匀溶液，调节pH为1.5-6.5，然后过滤。
2.多孔模板导电化处理。将采用静电纺丝法制备的多孔纤维薄膜浸泡在石墨导电胶中，搅拌、挤压，使其表面均匀涂覆一层石墨导电胶，离心甩干，然后自然风干。
3.电沉积制备多孔材料。以导电化处理后的静电纺丝多孔纤维薄膜为阴极，纯铁片为阳极进行电沉积。采用脉冲法进行电沉积，脉冲电压-4.5-0V，时间60min到150min。
4.多孔材料的热处理。将电沉积出来的多孔金属材料在氮氢混合气氛保护下进行连续热处理，在200-600℃保温20-120min，随后升温，在800-970℃保温40-120min。
5.采用自组装法沉积活性陶瓷层。将多孔支架在超声波中进行清洗，去除表面油污灰尘等杂质。选择合适的试剂（如EDTA-2Na、葡萄糖酸钠、酒石酸钠、柠檬酸钠、HEDTA、二羟乙基甘氨酸(DEG)、机多元膦酸、有机硅烷、磷酸丝氨酸蛋白等）配制预处理溶液，调节pH在4-11，将支架放入溶液中处理10-60min，清洗、干燥。然后再放入15-30g/L的Ca(NO3)2·4H2O溶液中，向其中缓慢加入适量的10-20g/L的Na2HPO4溶液并不断搅拌，加完后继续搅拌3-60min，然后静置60-90min，取出后清洗、干燥；最后置于pH为7.4的过饱和钙磷溶液中，在37℃下放置一周至两周，期间每天更换一次溶液。最后取出清洗、干燥。
实施例6：铁磷合金支架
1.配制电解液。将FeCl2（200-320g/L）、NaH2PO4（5-20g/L）、NaCl（25-50g/L）、硼酸（25-50g/L）、氟化物（0.5-5g/L）、柠檬酸钠（0.0008-0.004g/L）以及蒸馏水混合，配制成均匀溶液，调节pH为1.5-5，然后过滤。
2.多孔模板导电化处理。将开孔聚酯海绵进行清洗、除油、粗化处理，采用气相沉积法在其表面沉积一层金属导电层。
3.电沉积制备多孔材料。以导电化处理后的开孔海绵为阴极，纯铁片为阳极进行电沉积。采用恒压法进行电沉积，电压0.6-2.4V，时间40min到180min。
4.多孔材料的热处理。将电沉积出来的多孔金属材料在氮氢混合气氛保护下，进行连续热处理，在400-600℃保温20-120min，随后升温，在800-970℃保温40-120min。
5.表面活性陶瓷层的沉积。将Ca(NO3)2·4H2O、NH4H2PO4、NH4NO3，与去离子水配制成均匀溶液，使Ca/P=1.67，用硝酸和氨水调节pH为3.5-5.0。在25℃采用脉冲法进行电沉积，脉冲电压-2.2-0V，时间30min到90min。
实施例7：铁钼合金支架
1.配制电解液。将FeCl2（150-200g/L）、Na2MoO4·2H2O（60-150g/L）、NaCl（20-45g/L）、硼酸（20-40g/L）、氨基酸（0.5-5g/L）、柠檬酸钠（0.0004-0.0035g/L）以及蒸馏水混合，配制成均匀溶液，调节pH为2-7，然后过滤。
2.多孔模板导电化处理。将开孔聚酯海绵进行清洗、除油、粗化处理，然后浸泡在石墨导电胶中，搅拌、挤压，使其表面均匀涂覆一层石墨导电胶，离心甩干，然后自然风干。
3.电沉积制备多孔材料。以导电化处理后的开孔海绵为阴极，纯铁片为阳极进行电沉积。采用恒压法进行电沉积，电压0.6-2.4V，时间40min到180min。
4.多孔材料的热处理。将电沉积出来的多孔金属材料在氮氢混合气氛保护下，进行连续热处理，在400-600℃保温20-120min，随后升温，在800-970℃保温40-120min。
5.表面活性陶瓷层的沉积。将Ca(NO3)2·4H2O、NH4H2PO4，与去离子水配制成均匀溶液，使Ca/P=1.67，用硝酸和氨水调节pH为3.5-5.0。在25℃采用脉冲法进行电沉积，脉冲电压-2.5-0V，时间30min到90min。
实施例8：铁锰锌合金支架
1.配制电解液。将FeSO4（120-200g/L）、ZnSO4·7H2O(40-120g/L)、MnSO4·H2O（20-90g/L）、NaCl(25-40g/L)、硼酸(25-40g/L)、抗坏血酸（0.5-5g/L）、氨磺酸（0.001-0.0035g/L）以及蒸馏水混合，配制成均匀溶液，调节pH为2-5.5，然后过滤。
2.多孔模板导电化处理。将开孔聚酯海绵进行清洗、除油、粗化处理，然后浸泡在石墨导电胶中，搅拌、挤压，使其表面均匀涂覆一层石墨导电胶，离心甩干，然后自然风干。
3.电沉积制备多孔材料。以导电化处理后的开孔海绵为阴极，纯铁片为阳极进行电沉积。采用恒电流法，电流密度4-150A/dm2，时间60-180min。
4.多孔材料的热处理。将电沉积出来的多孔金属材料在氮氢混合气氛保护下，进行连续热处理，在400-600℃保温20-120min，随后升温，在800-970℃保温40-120min。
5.表面活性陶瓷层的沉积。将Ca(NO3)2·4H2O、NH4H2PO4，与去离子水配制成均匀溶液，使Ca/P=1.67，用硝酸和氨水调节pH为2.5-5.0。在25-65℃采用恒流法进行电沉积，电流密度0.2-1.5mA/cm2，时间30min到150min。
Claims (4)
1.一种高强度可降解多孔结构组织工程支架的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)将主盐、合金元素添加剂、氯化钠、硼酸、稳定剂、表面活性剂以及蒸馏水混合均匀，制得的电解液中主盐、合金元素添加剂、氯化钠、硼酸、稳定剂、表面活性剂的浓度分别为120-400g/L、5-150g/L、10-50g/L、20-50g/L、0.5-10g/L、0.0004-0.006g/L；
(2)通过气相沉积导电层、化学镀金属导电层或涂覆导电胶方法对多孔模板进行处理，使其具有导电性；
(3)以导电化处理的多孔模板为阴极，纯铁片为阳极进行电沉积，在电解液中进行电沉积制备出多孔金属；
(4)将通过电沉积制备出的多孔金属支架进行气体保护热处理；
(5)对经过热处理的多孔金属进行表面生物活性陶瓷层的沉积；
所述的主盐包括FeSO4和FeCl2，合金元素添加剂包括MnCl2·4H2O、ZnSO4·7H2O、Na2SnO3·3H2O、Na2WO4·2H2O、NaH2PO4、Na2MoO4·2H2O、MnSO4·H2O，稳定剂包括抗坏血酸、氟化物、氨基酸，表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、柠檬酸钠、十二烷基硫酸钠、氨磺酸。
2.根据权利要求1所述的高强度可降解多孔结构组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述的多孔模板包括天然和人工的模板，天然模板包括脱细胞骨基质支架、丝瓜络、蚕茧，人工模板包括聚酯类海绵、静电纺丝多孔支架。
3.根据权利要求1所述的高强度可降解多孔结构组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述的电沉积方法包括恒压法、恒流法和脉冲法。
4.根据权利要求1所述的高强度可降解多孔结构组织工程支架的制备方法，其特征在于：所述的生物活性陶瓷层为羟基磷灰石，其沉积方法包括电沉积法、仿生矿化法和自组装法。
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2013
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