CN104140551A - 一类骨组织工程用有机/无机复合多孔支架材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医学材料领域，是一项将有机/无机复合多孔支架材料用于骨组织工程学的技术。其特征是利用低毒有机溶剂1，4-二氧六环溶解聚α-羟基酸（如聚己内酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸-乙醇酸的共聚物），并采用相同溶剂分散生物活性陶瓷（如生物活性玻璃、羟基磷灰石、碳酸羟基磷灰石、磷酸三钙），然后将两者混合，加入水溶性盐（如氯化钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钠）作致孔剂，浇铸到一定形状的模具中。待溶剂自然挥发后，通过简单的水洗过程去除致孔剂然后真空干燥，最终制备得到多孔支架材料。本发明操作简便易行，制备条件温和，重现性好。由本发明制备得到的复合多孔支架材料有望应用于骨组织工程学，进行骨骼修复和替代。

Description

一类骨组织工程用有机/无机复合多孔支架材料的制备方法

技术领域

本发明的技术领域属于生物医学材料领域，是一项将有机/无机复合多孔支架材料用于骨组织工程学的技术，具体涉及一类基于聚α-羟基酸和生物活性陶瓷的骨组织工程用多孔支架材料的制备方法。

背景技术

每年都有数百万人遭遇病变或者意外伤害，承受组织损伤和修复带来的痛苦，而其中有很多人在等待可移植器官的过程中死亡。这种器官短缺致使医学界不断探索，通过亲属器官移植，成人组织培养等新的医学手段来缓解问题，但是供体不足的问题仍然存在。此外，异体移植可能产生的病菌感染、排异等问题也会给病人带来很大的痛苦，因此器官和组织的人工化成为当前生物医用材料领域亟待解决的问题。组织工程学的目的是运用工程学和生命科学、材料学以及化学的原理和方法，研究和开发、修复和改善损伤组织及其功能的生物替代物。其主要研究内容包括支架材料、种子细胞、器官构建、临床使用四个方面,其中支架材料是研究中最重要的一项。

用于组织工程的支架材料,一般应具备以下性能：良好的生物相容性，即无明显的炎性反应和细胞毒性、但具免疫性；良好的生物可降解性，即在体外以及植入体内之后可逐渐被分解和吸收；材料的孔隙率要足够大，比表面积高，这样有助于细胞增殖和分化；具有较好的力学性能,保证在病人正常的活动中不会塌陷；可加工成各种形状和结构,易于重复制作。

骨组织工程学是组织工程学的重要领域。正常的骨骼基质是一种有机物和无机物复合材料（包含胶原蛋白和矿物质）。这种天然的复合材料优于任何一种单独的组分，能够实现强度和韧度很好的平衡。与真骨中的无机相组分类似，复合材料支架中生物活性陶瓷（如生物活性玻璃、羟基磷灰石、碳酸羟基磷灰石、磷酸钙等）能够提供良好的骨传导性，聚合物能提供连续的结构和韧性的设计，这对贴壁细胞的存活和分化有利。聚α-羟基酸是被美国食品和药物管理局（FDA）批准的生物降解性医用材料，包括聚3-羟基丁酸酯(poly(3-hydroxybutyrate), P3HB)、聚己内酯(polycaprolactone, PCL)、聚乳酸(poly(lactic acid), PLA)、聚乙醇酸(poly(glycolic acid) , PGA)以及乳酸-乙醇酸的共聚物（PLGA）等，可通过化学法进行修饰，便于加工成型，因而广泛应用于骨组织工程支架材料的研究中。

目前复合多孔支架材料最常见的缺点就是降解速率和孔隙尺寸的可控性较差，限制了其在骨组织工程学中的应用。研究表明，高孔隙率能够加速骨的血管化，便于成骨细胞从周围环境中补充和渗透进来，从而促进体内骨生成。而如何控制聚乳酸的降解速度,使复合材料自身强度的下降能被新骨沉积形成的强度所弥补,已成为骨组织工程复合材料研究中的关键。

为了满足骨组织工程学要求，目前常用支架制备方法包括:纤维粘结、气体发泡、相分离技术、乳化/冷冻干燥技术、快速成型技术等。纤维粘结法合成的材料虽然孔隙连通性较好，但是容易变形，并不适用于骨组织工程学；气体发泡法容易产生闭合孔，孔隙连通性差，不便于物料交换；相分离和冷冻干燥技术形成的孔较小，不便于细胞的粘附和增殖；而快速成型无法得到高孔隙率的材料。因此，如何通过简便易行的合成方法得到高孔隙率和适宜降解性能的材料是骨组织工程学的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于解决复合支架材料的降解速率和孔隙尺寸的问题，提出了一种聚α-羟基酸/生物活性陶瓷复合多孔支架材料的制备方法，由本发明制得的复合材料孔尺寸和降解速率符合骨组织工程学要求。

本发明所述方法的技术方案如下：

（1）   本发明将一定量的聚α-羟基酸（如聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚3-羟基丁酸酯等）溶解于一定体积的1,4-二氧六环中至完全溶解的溶液I（聚合物浓度为0.05-0.1 g/mL）。同时将含量为10-70%的生物活性陶瓷（如羟基磷灰石、碳酸羟基磷灰石、生物活性玻璃、磷酸三钙等）粉末超声分散于一定体积的1,4-二氧六环中至分散均匀的溶液II；

（2）   将上述溶液I与溶液II混合后继续搅拌至均匀的溶液III；

（3）   本发明以无机钠盐（氯化钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钠等）为致孔剂，将其研磨后通过60-100目的金属筛子，得到符合细胞生长尺寸要求的致孔剂细粉；

（4）   取一定质量比（致孔剂与聚合物的质量比为2:1-32:1）的致孔剂加入至溶液III。继续混合均匀后，浇铸到模具中，并于自然条件下干燥6-48小时至溶剂完全挥干；

（5）   将得到的支架材料置于去离子水中除去致孔剂，每间隔1-12小时换水一次。支架材料放入真空干燥箱在40-75 ^oC下干燥24-72小时，即得到复合多孔支架材料。

本发明所得到的的骨组织工程支架材料是一种三维多孔支架材料，复合材料在盐沥析阶段性质不发生变化，无致孔剂残留，根据致孔剂的尺寸和加入量的不同，制得的复合多孔支架材料孔隙率为50-95%，孔尺寸为150-250 μm，降解规律符合二次幂函数，降解时间根据复合材料的组成不同可在80-150天范围调节。

采用本发明制备技术得到的聚α-羟基酸/生物活性陶瓷复合多孔支架材料相比现有的有机/无机复合支架材料制备方法具有以下优点：

（1）本制备方法简单易操作，孔隙分布均匀；致孔剂相互粘结，使三维支架孔隙相互连通；

（2）通过改变致孔剂的大小和数量可以对复合多孔支架材料进行孔隙率和孔径尺寸的可控制备；

（3）所用致孔剂无毒，且在盐沥析过程容易被完全溶解除去，不会造成残留；

（4）常温制备，不会对聚合物的性能造成影响；制备所用的溶剂二氧六环毒性低，与水互溶，因此即使未完全挥干，也可在洗涤过程中完全除去；

（5）制备和盐沥析过程中所用的二氧六环和水均不会对生物活性陶瓷的生物活性产生影响；

（6）复合支架材料中聚合物的降解产物为二氧化碳和水，可通过体内代谢排出体外；

（7）通过改变聚α-羟基酸的分子量、结晶度等，以及通过改变生物活性陶瓷的含量可方便调节复合支架材料的降解性能。

附图说明

附图1为本发明实施例一中制备的多孔复合支架材料的断面扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例一：

在室温下将2.0 g聚左旋乳酸溶于20.0 ml 1，4-二氧六环。将2.0 g羟基磷灰石超声分散于相同体积的1，4-二氧六环中1小时，然后将其加入到聚乳酸溶液继续搅拌30分钟。将32g已经研磨好的粒径在80-100目的氯化钠粉末加入到上述混合液中并继续搅拌。将混合物浇铸后在自然条件下干燥24小时。将制得的材料浸泡于去离子水中以除去其中的氯化钠。最后在40 ^oC真空下干燥24小时即得到聚左旋乳酸/羟基磷灰石多孔复合支架材料。该支架材料的断面扫描电镜照片见附图1，可以看出制备的复合多孔支架材料具有均匀的孔隙和孔尺寸，该支架材料的孔隙率为80%，孔径尺寸为150-250 μm，降解时间为80天。

实施例二：

在室温下将2.0 g聚乳酸溶于20.0 ml 1，4-二氧六环，并将7.0 g生物活性玻璃超声分散于相同体积的1，4-二氧六环中。然后将两种溶液混合，搅拌均匀。将64 g已筛好的60-80目致孔剂氯化钠细粉加入混合溶液中，继续搅拌，直至溶液与致孔剂完全混合均匀。将混合物浇铸后自然条件干燥12小时。后将干燥的样品浸泡在盛有去离子水的烧杯中以除去致孔剂氯化钠。每隔12小时换一次水，通过硝酸银溶液检测，直至浸泡液中无残留Cl^-。最后，将样品在45 ^oC下真空干燥48小时，即得到聚乳酸/生物活性玻璃多孔复合材料。该支架材料的孔隙率为90%，孔径尺寸为200-250 μm，降解时间为110天。

实施例三：

在室温下将2.0 g乳酸-乙醇酸共聚物溶于20.0 ml 1，4-二氧六环。将0.86 g羟基磷灰石溶于1，4-二氧六环中并超声分散1小时，然后加入到乳酸-乙醇酸共聚物溶液并于磁力搅拌仪上搅拌30 min。将已经研磨好的粒径在80-100目的氯化钠粉末加入到上述混合液中并继续搅拌30 min。将混合物浇铸于培养皿中并在自然条件下干燥24小时。将制得的材料浸泡于去离子水中以除去其中的NaCl，每12小时更换一次水，至少浸泡4次。最后在45 ^oC真空下干燥72小时即得到乳酸-乙醇酸共聚物/羟基磷灰石多孔复合材料。该支架材料的孔隙率为85%，孔径尺寸为150-250 μm，降解时间为120天。

实施例四：

在室温下将2.0 g聚己内酯溶于10.0 ml 1，4-二氧六环。将0.25 g磷酸三钙溶于相同体积的1，4-二氧六环中并超声分散1小时，然后将其加入到聚己内酯溶液继续搅拌30分钟。将4 g已经研磨好的粒径在80-100目的碳酸氢钠粉末加入到上述混合液中并继续搅拌30分钟。将混合物浇铸于培养皿中并在自然条件下干燥24小时。将制得的材料浸泡于去离子水中以除去其中的碳酸氢钠，每12小时更换一次水，至少浸泡4次。最后在45 ^oC真空下干燥48小时即得到聚己内酯/磷酸三钙多孔复合材料。该支架材料的孔隙率为50%，孔径尺寸为200-250 μm，降解时间为130天。

Claims (5)

1.一类骨组织工程用有机/无机复合多孔支架材料的制备方法，其特征在于：利用溶剂浇铸/盐沥析的方法，以低毒有机溶剂分别溶解聚α-羟基酸和生物活性陶瓷材料，将两者混合均匀；采用水溶性盐为致孔剂，将其筛至合适的尺寸后加入混合溶液使致孔剂均匀分散；将混合溶液浇铸到模具中，自然条件下干燥6-48小时，然后将复合支架材料放入去离子水中浸泡或振荡以除去致孔剂，每间隔1-12小时换水一次；支架材料放入真空干燥箱在40-75 ^oC下干燥24-72小时，即得到聚α-羟基酸/生物活性陶瓷复合多孔支架材料。

2.如权利要求1所述制备方法所用聚合物为聚α-羟基酸，特征聚合物有聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚3-羟基丁酸酯以及乳酸-乙醇酸的共聚物。

3.如权利要求1所述制备方法所用无机相为生物活性陶瓷材料，特征陶瓷材料有生物活性玻璃、羟基磷灰石、碳酸羟基磷灰石、磷酸三钙。

4.如权利要求1所述制备方法所用溶剂为1，4-二氧六环。

5.如权利要求1所述制备方法所用致孔剂为水溶性盐，如氯化钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钠，致孔剂采用标准筛进行筛分分级，粒径选用60-100目，加入量与聚合物的质量比为2：1-32：1。