CN104001211A - 一种骨组织工程复合多孔支架材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种骨组织工程复合多孔支架材料及其制备方法，属于生物医学材料技术应用领域。该多孔材料的组分为1.4～5.0wt%魔芋葡甘聚糖、5.0～8.0wt%纳米羟基磷灰石和1.0～2.0wt%壳聚糖，孔隙率70～92wt%，抗压强度在0.14MPa～0.75MPa。在碱性环境下将三者机械混合制备成混合溶胶，经熟化、除碱、冷冻干燥等工艺处理，制备出魔芋葡甘聚糖/纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合骨组织工程多孔支架。该支架的制备方法具有制备工艺简单、使用设备简单，成品周期短，成本较低廉等优势，该方法制备出的魔芋葡甘聚糖/纳米羟基磷灰石/壳聚糖骨组织工程多孔支架，经细胞及动物试验表明具有很好的组织生物相容性，细胞繁殖良好，成骨效果明显，有望实现工业扩大化生产，实现临床应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种骨组织工程复合多孔支架材料及其制备方法，属于生物医用材料技术应用领域。
背景技术
长期以来,骨修复材料主要采取自体或异体骨移植物,但自体骨移植在材料来源方面存在着严重的缺陷。从自体异位取骨，会给患者造成新的局部病损，无异拆了东墙补西墙，使病人易患手术后并发症。异体骨移植在材料筛选，储存方面相当困难，昂贵，还容易产生免疫排斥反应，同时异体骨被取代缓慢，新生骨体积偏小。为了克服自体骨和异体骨移植存在的种种问题人们试图通过天然的或合成途径取得理想的骨修复材料。
过去的几十年中，人们通过各种方法和途径制备出许多用于骨修复的替代材料，尤其是近年来发展起来的组织工程，通过引入形态上与骨单位相容的，且其管道可连入骨缺损组织的孔状支架结构，建立起生物材料与骨架再生之间的联系，这种支架材料孔隙率在80%以上，易于骨细胞的植入、贴附、营养物质的渗透及代谢废物的排出等，为细胞的生长、增值提供良好的微环境，很有可能发展成为骨修复替代材料，并得到临床推广应用。
魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM）是一种提取自魔芋块茎的pH值敏感性多糖，可以通过调节系统的pH值来控制魔芋葡甘聚糖的凝胶产生时间和凝胶度，这种特性对控制支架材料的力学性能、生物降解性能及其与其他材料的复合非常有利。此外魔芋葡甘聚糖本身也具有良好的持水能力、生物相容性和降解性。
纳米羟基磷灰石（nano-Hydroxyapatite,nano-HAP）是骨组织的主要成分，微溶于水而易溶于酸，分子式为 ，具有良好的生物相容性，骨传导性，无细胞毒性，同时具有表面效应和体积效应，在生物学方面有很大的优越性和应用价值。
壳聚糖（Chitosan，CS）是由甲壳素部分脱乙酰化得到的，分子间存在强氢键作用，不溶于有机溶剂和水，仅溶于稀有机酸和无机酸溶液，是一种天然可降解的高分子物质，生物相容性良好，具有杀菌、消炎、抗溃疡、促进伤口和骨折愈合等活性。与纳米HAP复合后，可获得良好的骨诱导、适中的力学性能、可调控的降解速率等多方面的性能。
发明内容
本发明提出的一种复合骨组织工程多孔支架材料及其制备方法，是一种魔芋葡甘聚糖、纳米羟基磷灰石、壳聚糖三相复合生物材料的简单制备方案，该多孔支架材料其具有成本低廉、制作工艺简单、生物相容性良好、骨传导和诱导性能优异等性能特点，为骨缺损手术提供了一种新的修复材料解决现有骨修复替代物制备成本高，存储困难等问题。
本发明最终制得的复合骨组织工程多孔支架材料的组分及百分比范围：1.4～5.0wt%魔芋葡甘聚糖、5.0～8.0%纳米羟基磷灰石和1.0～2.0%壳聚糖，孔隙率70～92%，抗压强度在0.14MPa～0.75MPa。具体制备步骤包括：
（1）按照纳米羟基磷灰石与蒸馏水质量比5～8：70～92，将纳米羟基磷灰石加入蒸馏水中分散均匀，得到悬浮液A；
（2）向悬浮液A中加入其质量1.0～2.0%的壳聚糖，充分混合，得到溶液B；
（3）向溶液B中加入交联剂，得到pH值为9～11的呈碱性的溶液C；
（4）向溶液C中加入其质量1.4～5%的魔芋葡甘聚糖，搅拌至搅拌漩涡消失1～3s，停止搅拌，得到凝胶D；
（5）在50～80℃的条件下，对凝胶D进行熟化处理0.5～24h，熟化温度40～80℃，得到熟化后的凝胶E；
（6）将凝胶E在40～80℃的温度条件下除碱处理24～96h，处理的时间截止为检测凝胶浸泡液的酸碱度为中性，得到中性凝胶F；
（7）将凝胶F在-10～-80℃下冷冻12～48h，得到冻凝胶G；
（8）将冻凝胶G在-10～-80℃环境下冷冻干燥处理3～7天，得到干燥的魔芋葡甘聚糖/纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合可降解多孔支架，即为复合骨组织工程多孔支架材料。
所述步骤（1）中分散纳米羟基磷灰石是采用超声分散，手动搅拌或机械搅拌；
所述步骤（2）中加入的壳聚糖的粒径均匀，粒径范围120目～400目。
所述步骤（3）中的交联剂为氨水，氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸钠或碳酸氢钠中的一种。
所述步骤（4）溶液C中加入魔芋葡甘聚糖的匀速流量为0.4g/s。
所述步骤（5）和（6）的温度环境均为水浴加热。
所述步骤（7）中热凝胶冷冻前须用室温蒸馏水静置冷却。
本发明制备方法的工艺思路是，纳米羟基磷灰石因为属于纳米级的颗粒，比较易于团聚，所以搅拌时间需视混合液颜色均一度而定，当然也可以采用超声波分散；对壳聚糖进行分级是为了实现其在复合基底中均匀分布；至于魔芋葡甘聚糖的加入过程，考虑的是该多糖在碱性环境下较易于交联凝聚，采用匀速、等流、贴漩涡内壁加入，可以很好避免该多糖凝聚，使其均匀分散，取转子的过程，时间需要把握准，若是待漩涡消失就取出，不能够很好的使魔芋葡甘聚糖均匀分散，若晚几秒取出，因为该多糖交联过程比较迅速，形成凝胶，容易造成凝胶内部形成大的孔洞；熟化过程是为了使未完成交联的魔芋葡甘聚糖进一步交联，得到稳定的凝胶，但熟化温度不宜过高，温度超过80℃时，未交联完全的魔芋葡甘聚糖较不稳定，易造成凝胶形状发生变化，会影响支架孔径大小及分布；冷却前的室温蒸馏水冷却，一是为了使热凝胶内部与外部温度一致，二是通过调节凝胶内部水的结冰温差，调节冰的成核与生长速度以控制冰的粒径，从而达到多孔支架孔径均一，分布均匀类骨形貌。
本发明采用简便的机械混合方式，纳米羟基磷灰石是自然骨中主要的无机成分，降解后的钙离子和磷酸根离子能促进骨组织修复，具有良好的骨传导性，壳聚糖在体内能降解成为氨基葡萄糖，可被人体吸收，并能促进骨细胞和成纤细胞的粘附、分化和增值，魔芋葡甘聚糖在碱性环境下易发生脱乙酰基反应从而起到交联的作用，可以把前二者相固化成型，是很好的塑形剂，三者共混制得的复合骨组织工程多孔支架，不仅具有良好的生物活性，还具有一定的力学强度，适合作为骨组织工程支架材料或骨组织替代物。该制备方法制备出的该骨组织工程复合多孔支架具有以下优点：
（1）制备过程中利用调节水的量，来控制该支架的孔隙率，利用控制冷冻时的温差来控制该支架孔径大小及其分布，当调节孔隙率在80%以上，孔径在100μm～500μm时，适合营养物质的传输和细胞的移动生长，符合硬骨骨组织工程的要求；
（2）利用氨水对多孔支架进行交联，通过控制氨水的量和交联熟化时间，可以使得多孔支架材料的降解速率2～4个月可调，可满足不同部位的骨缺损修复，满足硬骨骨组织工程的要求；
（3）壳聚糖的加入对支架材料起到增强、增韧的作用，克服了纳米羟基磷灰石本身呈现脆性的缺点，魔芋葡甘聚糖的加入不仅进一步起到了增韧、增强的作用，还起到了定型固化的作用；
（4）该多孔支架材料的制备方法、对设备要求低、成本低廉，可应用于大规模工业化生产，从而满足骨缺损修复的研究和临床治疗中对硬骨损伤修复材料的需求。
附图说明
图1是本发明HAP原料与标准HAP谱图对比图；
图2是本发明多孔支架材料XRD分析图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施方式一：如图1和2所示，本实施方式最终制得的复合骨组织工程多孔支架材料的组分为魔芋葡甘聚糖、壳聚糖和纳米羟基磷灰石的质量比1:1.07:4.62，孔隙率91.72%，抗压强度0.17MPa。具体制备方法为：
（1） 用量筒量出50ml蒸馏水置于容量为50ml的小烧杯中，加入4.26g纳米羟基磷灰石搅拌使其充分溶解，得到溶液A；
（2）在溶液A中加入0.99g壳聚糖，混合搅拌均匀，得到混合悬浮液B；
（3）用微量进样器抽取0.097ml分析纯氨水，加到悬浮液B内，充分搅拌，得到碱性溶液C；
（4）在C中匀速加入0.92g魔芋葡甘聚糖，待搅拌漩涡消失后2～3s，迅速取出搅拌子，得到凝胶D；
（5）将盛有凝胶D的小烧杯置于75℃水浴环境中加热熟化29h，得到熟化后的凝胶E；
（6）将熟化后的凝胶E放入盛有1000ml蒸馏水的大烧杯内，75℃水浴除碱，每隔3～4h换次水，直至PH为中性，得到中性凝胶F；
（7）取出中性凝胶F，置于室温下蒸馏水中冷却，随后放入到-35℃的深冷冰箱内冷冻12～24h，得到冻凝胶G；
（8） 取出冻凝胶G，置于-50℃环境下冷冻干燥机内干燥3～7天，直至完全干燥，得到干燥的多孔支架。
实施方式二：本实施方式最终制得的复合骨组织工程多孔支架材料的组分为魔芋葡甘聚糖、壳聚糖和纳米羟基磷灰石的质量比1:0.54:2.31，孔隙率90.28%，抗压强度为0.21MPa。具体步骤包括：
（1）用量筒量出50ml蒸馏水置于容量为50ml的小烧杯中，加入4.26g纳米羟基磷灰石搅拌使其充分溶解，得到溶液A；
（2）在溶液A中加入0.99g壳聚糖，混合搅拌均匀，得到混合悬浮液B；
（3）用微量进样器抽取0.19ml分析纯氨水，加到悬浮液B内，充分搅拌，得到碱性溶液C；
（4）在C中匀速加入1.84g魔芋葡甘聚糖，待搅拌漩涡消失后2~3s，迅速取出搅拌子，得到凝胶D；
（5）将盛有凝胶D的小烧杯置于75℃水浴环境中加热熟化29h，得到熟化后的凝胶E；
（6）将熟化后的凝胶E放入盛有1000ml蒸馏水的大烧杯内，75℃水浴除碱，每隔3～4h换次水，直至PH为中性，得到中性凝胶F；
（7）取出中性凝胶F，置于室温下蒸馏水中冷却，随后放入到-35℃的深冷冰箱内冷冻12～24h，得到冻凝胶G；
（8）取出冻凝胶G，置于-50℃环境下冷冻干燥机内干燥3～7天，直至完全干燥，得到干燥的多孔支架。
实施方式三：本实施方式最终制得的复合骨组织工程多孔支架材料的组分为由魔芋葡甘聚糖、壳聚糖和纳米羟基磷灰石三种原料组成，壳聚糖/魔芋葡甘聚糖（质量比）为0.36/1,纳米羟基磷灰石/魔芋葡甘聚糖（质量比）为1.54/1，孔隙率为88.30%，抗压强度为0.25MPa。
(1) 用量筒量出50ml蒸馏水置于容量为50ml的小烧杯中，加入4.26g纳米羟基磷灰石搅拌使其充分溶解，得到溶液A；
（2）在溶液A中加入0.99g壳聚糖，混合搅拌均匀，得到混合悬浮液B；
（3）用微量进样器抽取0.29ml分析纯氨水，加到悬浮液B内，充分搅拌，得到碱性溶液C；
（4） 在C中匀速加入2.77g魔芋葡甘聚糖，待搅拌漩涡消失后2～3s，迅速取出搅拌子，得到凝胶D；
（5）将盛有凝胶D的小烧杯置于75℃水浴环境中加热熟化29h，得到熟化后的凝胶E；
（6）将凝胶熟化后的E放入盛有1000ml蒸馏水的大烧杯内，75℃水浴除碱，每隔3～4h换次水，直至PH为中性，得到中性凝胶F；
（7）取出中性凝胶F，置于室温下蒸馏水中冷却，随后放入到-35℃的深冷冰箱内冷冻12～24h，得到冻凝胶G；
（8）取出冻凝胶G，置于-50℃环境下冷冻干燥机内干燥3～7天，直至完全干燥，得到干燥的多孔支架。
实施方式四：本实施方式最终制得的复合骨组织工程多孔支架材料的组分为1.4wt%魔芋葡甘聚糖、5.0%纳米羟基磷灰石和1.0%壳聚糖，孔隙率70%，抗压强度在0.14MPa。具体制备方法为：
（1）按照纳米羟基磷灰石与蒸馏水质量比5：70，将纳米羟基磷灰石加入蒸馏水中分散均匀，得到悬浮液A；
（2）向悬浮液A中加入其质量1.0的壳聚糖，充分混合，得到溶液B；壳聚糖的粒径均匀，粒径范围120目～300目；
（3）向溶液B中加入交联剂，得到pH值为9的呈碱性的溶液C；交联剂为氢氧化钠；
（4）向溶液C中加入其质量1.4%的魔芋聚糖，加入时的匀速流量为0.4g/s，搅拌至搅拌漩涡消失1s，停止搅拌，得到凝胶D；
（5）在50℃的水浴加热条件下，对凝胶D进行熟化处理0.5h，熟化温度40℃，得到熟化后的凝胶E；
（6）将凝胶E在40℃的水浴加热温度条件下除碱处理24h，处理的时间截止为检测凝胶浸泡液的酸碱度为中性，得到中性凝胶F；
（7）将凝胶F在-10℃下冷冻12h，热凝胶冷冻前须用室温蒸馏水静置冷却，得到冻凝胶G；
（8）将冻凝胶G在-10℃环境下冷冻干燥处理3天，得到干燥的魔芋葡甘聚糖/纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合可降解多孔支架，即为复合骨组织工程多孔支架材料。
实施方式五：本实施方式最终制得的复合骨组织工程多孔支架材料的组分为5.0wt%魔芋葡甘聚糖、8.0%纳米羟基磷灰石和2.0%壳聚糖，孔隙率92%，抗压强度在0.75MPa。具体制备方法为：
（1）按照纳米羟基磷灰石与蒸馏水质量比8： 92，将纳米羟基磷灰石加入蒸馏水中分散均匀，得到悬浮液A；
（2）向悬浮液A中加入其质量2.0的壳聚糖，充分混合，得到溶液B；壳聚糖的粒径均匀，粒径范围200目～400目；
（3）向溶液B中加入交联剂，得到pH值为11的呈碱性的溶液C；交联剂为氢氧化钾；
（4）向溶液C中加入其质量5%的魔芋葡甘聚糖，加入时的匀速流量为0.4g/s，搅拌至搅拌漩涡消失3s，停止搅拌，得到凝胶D；
（5）在80℃的水浴加热条件下，对凝胶D进行熟化处理24h，熟化温度80℃，得到熟化后的凝胶E；
（6）将凝胶E在80℃的水浴加热温度条件下除碱处理96h，处理的时间截止为检测凝胶浸泡液的酸碱度为中性，得到中性凝胶F；
（7）将凝胶F在-80℃下冷冻48h，热凝胶冷冻前须用室温蒸馏水静置冷却，得到冻凝胶G；
（8）将冻凝胶G在-80℃环境下冷冻干燥处理7天，得到干燥的魔芋葡甘聚糖/纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合可降解多孔支架，即为复合骨组织工程多孔支架材料。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种骨组织工程复合多孔支架材料，其特征在于具体组分及百分比范围：1.4～5.0wt%魔芋葡甘聚糖、5.0～8.0%纳米羟基磷灰石和1.0～2.0%壳聚糖，孔隙率70～92%，抗压强度在0.14MPa～0.75MPa。
2.一种骨组织工程复合多孔支架材料的制备方法，其特征在于具体步骤包括：：
（1）按照纳米羟基磷灰石与蒸馏水质量比5～8：70～92，将纳米羟基磷灰石加入蒸馏水中分散均匀，得到悬浮液A；
（2）向悬浮液A中加入其质量1.0～2.0%的壳聚糖，充分混合，得到溶液B；
（3）向溶液B中加入交联剂，得到pH值为9～11的呈碱性的溶液C；
（4）向溶液C中加入其质量1.4～5%的魔芋葡甘聚糖，搅拌至搅拌漩涡消失1～3s，停止搅拌，得到凝胶D；
（5）在50～80℃的条件下，对凝胶D进行熟化处理0.5～24h，熟化温度40～80℃，得到熟化后的凝胶E；
（6）将凝胶E在40～80℃的温度条件下除碱处理24～96h，处理的时间截止为检测凝胶浸泡液的酸碱度为中性，得到中性凝胶F；
（7）将凝胶F在-10～-80℃下冷冻12～48h，得到冻凝胶G；
（8）将冻凝胶G在-10～-80℃环境下冷冻干燥处理3～7天，得到干燥的魔芋葡甘聚糖/纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合可降解多孔支架，即为复合骨组织工程多孔支架材料。
3.根据权利要求2所述的骨组织工程复合多孔支架材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中加入的壳聚糖的粒径均匀，粒径范围120目～400目。
4.根据权利要求2所述的骨组织工程复合多孔支架材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的交联剂为氨水，氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸钠或碳酸氢钠中的一种。
5.根据权利要求2所述的骨组织工程复合多孔支架材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）溶液C中加入魔芋葡甘聚糖的匀速流量为0.4g/s。
6.根据权利要求2所述的骨组织工程复合多孔支架材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）和（6）的温度环境均为水浴加热。
7.根据权利要求2所述的骨组织工程复合多孔支架材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（7）中热凝胶冷冻前须用室温蒸馏水静置冷却。
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