CN103948959A - 一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法 - Google Patents

一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，包括：将钙盐、磷酸盐、胶原混合溶解，得到电解液；将聚合物制备的三维支架固定于电极作为阴极，空白铂电极为阳极，放入电解液中，进行电化学共沉积，得到复合支架，然后进行后处理，洗涤，晾干，即得。本发明制备的复合支架具有三维结构和生物降解性，并且具有与天然骨相似的成分，从结构和成分上仿生天然骨；此外，这种支架复合的方法简单、制备时间短且条件温和。

Description

一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法
技术领域
本发明属于三维复合骨支架的制备领域，特别涉及一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法。
背景技术
在骨组织修复过程中，骨支架起着支撑细胞生长、引导组织再生、控制组织结构等至关重要的作用，是决定其成败的关键因素之一。对聚合物支架能够最大限度的仿生天然骨，才能起到促进骨组织修复的作用。
从材料学角度看，骨基质是天然的生物矿化材料，主要由水、有机物和无机盐等组成。骨组织由有机成分和无机成分组成，其有机成分的95％是胶原，还有少量的非胶原蛋白、多糖、脂类等；无机成分则主要是羟基磷灰石等磷酸钙盐，是自然骨结晶部分的主要成分，具有良好的生物相容性和骨传导作用，可以引导骨的生长并与骨组织形成牢固的骨性结合。鉴于此，含有磷酸钙盐和胶原成分的复合支架能最大限度的仿生骨组织。
近年来，国内外有不少关于磷酸钙盐/胶原复合骨支架制备的研究。大多研究是利用各种技术在医用金属表面制备磷酸钙盐或胶原涂层，如专利CN101381881A利用电化学沉积技术，以一定浓度的钙盐、磷酸盐和壳聚糖配置为电解液，在生物医用金属基材上制备羟基磷灰石/壳聚糖涂层。这样制备的复合支架能在金属表面制得均匀杂化的羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层，但是此支架以金属为基底，其生物相容性和生物降解性并不理想。当前，随着组织工程的发展，具有生物可降解性的复合材料成为骨支架材料的研究热点。如专利CN102512709B采用静电纺丝技术制备磷酸钙纳米纤维膜和胶原纳米纤维膜，并以这两种纳米纤维膜为纳米结构单元进行复合制备了纳米人工骨，制备的纳米人工骨在微纳米尺度范围具有精细结构。但是这样制备的纳米人工骨没有三维结构，不能模拟细胞外基质的结构，不利于骨细胞的深入生长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，该方法制备的复合支架具有三维结构和生物降解性，并且与天然骨具有相似的成分，从结构和成分上仿生天然骨；这种支架复合的方法简单、制备时间短且条件温和。
本发明的一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，包括：
(1)将钙盐、磷酸盐、胶原混合溶解，得到电解液；
(2)将聚合物制备的三维支架固定于电极作为阴极，空白铂电极为阳极，放入电解液中，进行电化学沉积，得到复合支架，然后进行后处理，洗涤，晾干，即得聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架。
所述步骤(1)中钙盐为Ca(NO3)2；磷酸盐为NH4H2PO4。
所述步骤(1)中电解液中钙盐的浓度为0.025-0.080mol/L；磷酸盐的浓度为0.015-0.050mol/L；胶原的浓度为0.1-1.0mg/mL；电解液的pH值为4-5。
所述步骤(2)中三维支架为相分离支架、冷冻干燥支架、自组装支架、三维打印支架中的一种。
所述步骤(2)中聚合物为蛋白质基质、多糖基质、高分子材料基质中的两种或两种以上。
所述蛋白质基质为明胶或丝素；多糖基质为纤维素或壳聚糖；高分子材料基质为聚羟基乙酸。
所述步骤(2)中电极为金属电极、半导体电极、玻碳电极、石墨电极中的一种。
所述步骤(2)中电化学沉淀为恒电位法、计时电流法、循环伏安法中的一种。
所述步骤(2)中电化学沉淀的参数为电压为-3～3.0V，电极距离为1～3cm，沉积时间为900～10800s，反应温度为20～60℃。
所述步骤(2)中后处理为在氢氧化钙溶液中浸泡48-96h；洗涤为去离子水冲洗；晾干为在空气中晾干。
电化学共沉积同时沉积磷酸钙盐和胶原。
有益效果
(1)本发明制备的复合支架具有三维结构和生物降解性，并且与天然骨具有相似的成分，从结构和成分上仿生天然骨；
(2)这种支架复合的方法简单、制备时间短且条件温和。
附图说明
图1为磷酸钙盐和胶原共沉积在三维纳米纤维支架上的扫描电镜(SEM)形貌照片，A为800×倍数下的SEM图，B为2000×倍数下的SEM图；
图2为磷酸钙盐和胶原共沉积在三维纳米纤维支架上的红外光谱(FTIR)谱图，A为商业羟基磷灰石的FTIR谱图，B为三维纳米纤维支架的FTIR谱图，C为磷酸钙盐沉积在三维支架的FTIR谱图，D为磷酸钙盐和胶原共沉积在三维支架上的FTIR谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)采用热致相分离技术制备PLLA/PCL70:30三维多孔纳米纤维支架：将PLLA:PCL以质量比70:30的比例溶于四氢呋喃中，加热搅拌，形成浓度为10wt％的均一溶液；然后将其注入注射器中，迅速置于-80℃使其发生相分离，过夜；取出后，把成凝胶状的聚合物浸泡于去离子冰水中交换溶剂2天，每天换三次去离子冰水；冷冻干燥后，即得到具有多孔结构的三维纳米纤维支架；
(2)配制200mL电解液，其中Ca(NO3)2的浓度0.042mol/L、NH4H2PO4的浓度为0.025mol/L、胶原的浓度为0.5mg/mL，调节pH值为4.7，搅拌均匀，得到均一的电解液；
(3)将(1)制备的三维多孔纳米纤维支架固定于不锈钢电极上，作为工作电极，铂电极为对电极，甘汞电极为参比电极，置于(2)中的电解液中。采用恒电压技术进行电化学沉积，沉积条件为：电压为-2.0V，电极距离为2.5cm，沉积时间为60min，水浴温度37℃；然后制备的复合支架置于Ca(OH)2稀溶液中浸泡96h，最后清洗后于空气中自然晾干备用。
实施例2
(1)采用冷冻干燥法制备三维明胶支架：将明胶溶于40℃的水中制得5w/v％溶液，将其注入模具中并快速转移到-80℃冰箱，然后进行冷冻干燥48h。冻干后的明胶支架浸入EDC/95％乙醇溶液，在4℃下交联24h。交联后的支架清洗后再冷冻干燥，制得三维明胶支架；
(2)配制200mL电解液，其中Ca(NO3)2的浓度0.042mol/L、NH4H2PO4的浓度为0.025mol/L、胶原的浓度为0.5mg/mL，调节pH值为4.7，搅拌均匀，得到均一的电解液；
(3)将(1)制备的三维多孔纳米纤维支架固定于不锈钢电极上，作为工作电极，铂电极为对电极，甘汞电极为参比电极，置于(2)中的电解液中。采用恒电压技术进行电化学沉积，沉积条件为：电压为-2.0V，电极距离为2.5cm，沉积时间为60min，水浴温度37℃；然后制备的复合支架置于Ca(OH)2稀溶液中浸泡96h，最后清洗后于空气中自然晾干备用。
实施例3
(1)采用热致相分离技术制备PLLA/PCL70:30三维多孔纳米纤维支架：将PLLA:PCL以质量比70:30的比例溶于四氢呋喃中，加热搅拌，形成浓度为10wt％的均一溶液；然后将其注入注射器中，迅速置于-80℃使其发生相分离，过夜；取出后，把成凝胶状的聚合物浸泡于去离子冰水中交换溶剂2天，每天换三次去离子冰水；冷冻干燥后，即得到具有多孔结构的三维纳米纤维支架；
(2)配制200mL电解液，其中Ca(NO3)2的浓度0.042mol/L、NH4H2PO4的浓度为0.025mol/L、胶原的浓度为0.5mg/mL，调节pH值为4.7，搅拌均匀，得到均一的电解液；
(3)将(1)制备的三维多孔纳米纤维支架固定于不锈钢电极上，作为工作电极，铂电极为对电极，甘汞电极为参比电极，置于(2)中的电解液中。采用计时电流法进行电化学共沉积，沉积条件为：电压为-2.0V，电极距离为2.5cm，沉积时间为60min，水浴温度37℃；然后将制备的复合支架置于Ca(OH)2稀溶液中浸泡96h，最后清洗后于空气中自然晾干备用。
实施例4
(1)采用热致相分离技术制备PLLA/PCL70:30三维多孔纳米纤维支架：将PLLA:PCL以质量比70:30的比例溶于四氢呋喃中，加热搅拌，形成浓度为10wt％的均一溶液；然后将其注入注射器中，迅速置于-80℃使其发生相分离，过夜；取出后，把成凝胶状的聚合物浸泡于去离子冰水中交换溶剂2天，每天换三次去离子冰水；冷冻干燥后，即得到具有多孔结构的三维纳米纤维支架；
(2)配制200mL电解液，其中Ca(NO3)2的浓度0.042mol/L、NH4H2PO4的浓度为0.025mol/L、胶原的浓度为0.5mg/mL，调节pH值为4.7，搅拌均匀，得到均一的电解液；
(3)将(1)制备的三维多孔纳米纤维支架固定于不锈钢电极上，作为工作电极，铂电极为对电极，甘汞电极为参比电极，置于(2)中的电解液中。采用循环伏安法进行电化学共沉积，沉积条件为：电压为3.0V，电极距离为2.5cm，循环次数15，水浴温度37℃；然后将制备的复合支架置于Ca(OH)2稀溶液中浸泡96h，最后清洗后于空气中自然晾干备用。

Claims (10)

1.一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，包括：
(1)将钙盐、磷酸盐、胶原混合溶解，得到电解液；
(2)将聚合物制备的三维支架固定于电极作为阴极，空白铂电极为阳极，放入电解液中，进行电化学共沉积，得到复合支架，然后进行后处理，洗涤，晾干，即得聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中钙盐为Ca(NO3)2；磷酸盐为NH4H2PO4。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中电解液中钙盐的浓度为0.025-0.080mol/L；磷酸盐的浓度为0.015-0.050mol/L；胶原的浓度为0.1-1.0mg/mL；电解液的pH值为4-5。
4.根据权利要求1所述的一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中聚合物制备的三维支架为相分离支架、冷冻干燥支架、自组装支架、三维打印支架中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中聚合物为蛋白质基质、多糖基质、高分子材料基质中的两种或两种以上。
6.根据权利要求5所述的一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，其特征在于：所述蛋白质基质为明胶或丝素；多糖基质为纤维素或壳聚糖；高分子材料基质为聚羟基乙酸。
7.根据权利要求1所述的一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中电极为金属电极、半导体电极、玻碳电极、石墨电极中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中电化学共沉淀为恒电位法、计时电流法、循环伏安法中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中电化学共沉淀的参数为电压为-3～3.0V，电极距离为1～3cm，沉积时间为900～10800s，反应温度为20～60℃。
10.根据权利要求1所述的一种聚合物基磷酸钙盐/胶原三维复合骨支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中后处理为在氢氧化钙溶液中浸泡48-96h；洗涤为去离子水冲洗；晾干为在空气中晾干。
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