CN104174067B - 一种天然无机骨基质及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然无机骨基质及其制备方法。本发明提供的制备无机骨基质的方法，包括如下步骤：（1）使用表面活性剂溶液浸泡处理骨松质；（2）使用碱溶液浸泡处理步骤（1）的产物；（3）将步骤（2）的产物进行梯度高温处理；所述梯度高温处理依次包括如下步骤：①105-110℃煅烧1.5-3小时；②350℃-400℃煅烧1.5-3小时；③750℃-800℃煅烧3-5小时；④1200℃-1300℃煅烧1.5-3小时；（4）使用碱溶液浸泡处理步骤（3）的产物；（5）使用PBS缓冲液浸泡处理步骤（4）的产物，得到无机骨基质。采用本发明得到的无机骨基质进行骨移植，具有无免疫排异反应、生物相容性好、有足够机械强度、能满足被修补组织的力学要求等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然无机骨基质及其制备方法。
背景技术
现代外科手术中，常需要对骨组织进行修复。长期以来，材料主要采取自体或异体骨移植物。
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，无异于拆了东墙补西墙，使病人易于患手术后并发症，失败率高达10%-30%。
异体骨移植在材料筛选、储存方面相当困难，价格昂贵，还容易产生免疫排斥反应、感染艾滋病毒等，失败率更高。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，人们试图通过天然或合成途径，取得理想的骨修复材料。现有的具有生物相容性的材料（如陶瓷、金属、高分子）中仅有一小部分同时兼有适当的机械强度。金属材料作为骨移植材料的主要问题在于其热传导性，造成病人的术后生活质量受到影响。现在常用的无机非金属材料（如骨水泥、磷酸钙陶瓷等）存在孔隙率不足、强度不够、操作性差等问题。现有的天然无机骨基质存在孔隙率不足和强度不够的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然无机骨基质及其制备方法。
本发明提供的制备无机骨基质的方法，包括如下步骤：
（1）使用表面活性剂溶液浸泡处理离体的骨松质；
（2）使用碱溶液浸泡处理步骤（1）的产物；
（3）将步骤（2）的产物进行梯度高温处理；所述梯度高温处理依次包括如下步骤：①105-110℃（如105-108℃、108-110℃、105℃、108℃或110℃）煅烧1.5-3小时（如1.5-2小时、2-3小时、1.5小时、2小时或3小时）；②350℃-400℃（如350-380℃、380-400℃、350℃、380℃或400℃）煅烧1.5-3小时（如1.5-2小时、2-3小时、1.5小时、2小时或3小时）；③750℃-800℃（如750-780℃、780-800℃、750℃、780℃或800℃）煅烧3-5小时（如3-4小时、4-5小时、3小时、4小时或5小时）；④1200℃-1300℃（如1200-1250℃、1250-1300℃、1200℃、1250℃或1300℃）煅烧1.5-3小时（如1.5-2小时、2-3小时、1.5小时、2小时或3小时）；
（4）使用碱溶液浸泡处理步骤（3）的产物；
（5）使用PBS缓冲液浸泡处理步骤（4）的产物，得到无机骨基质。
所述步骤（1）又称脱细胞处理。所述步骤（1）中：所述表面活性剂可为TritonX-100或Tween-80。所述步骤（1）中：所述表面活性剂溶液中，表面活性剂的浓度可为0.5-2g/100ml（如0.5-1g/100ml、1g-2g/100ml、0.5g/100ml、1g/100ml或2g/100ml）。所述步骤（1）中：所述浸泡处理的条件可为：4-30℃（如4-17℃、13-30℃、6±2℃、15±2℃或28±2℃）、5-168小时（如5-16小时、16-168小时、5小时、16小时或168小时）。所述表面活性剂溶液具体可为表面活性剂水溶液。
所述步骤（2）中：所述碱溶液可为碱性化合物溶液。所述碱性化合物可为NaOH或KOH。所述碱性化合物溶液中，所述碱性化合物的浓度可为0.5-1M（如0.5M或1M）。所述步骤（2）中：所述浸泡处理的条件可为：0-25℃（如0-8℃、4-25℃、2±2℃、6±2℃或23±2℃）、15-120分钟（如15-30分钟、30-120分钟、15分钟、30分钟或120分钟）。所述碱溶液具体可为碱性化合物的水溶液。
所述步骤（4）中：所述碱溶液可为碱性化合物溶液。所述碱性化合物可为NaOH或KOH。所述碱性化合物溶液中，所述碱性化合物的浓度可为0.5-1M（如0.5M或1M）。所述步骤（4）中：所述浸泡处理的条件可为：0-25℃（如0-8℃、4-25℃、2±2℃、6±2℃或23±2℃）、15-120分钟（如15-30分钟、30-120分钟、15分钟、30分钟或120分钟）。所述碱溶液具体可为碱性化合物的水溶液。
所述步骤（5）中：所述PBS缓冲液的pH可为6.5-7.8（如6.5-7.2、7.2-7.8、6.5、7.2或7.8）。所述步骤（5）中：所述浸泡处理的条件可为：0-8℃（如0-6℃、2-8℃、2±2℃、4±2℃或6±2℃）、16-168小时（如16-48小时、48-168小时、16小时、48小时或168小时）。
所述方法中还可包括如下步骤：将所述步骤（5）的产物依次进行冷冻干燥和灭菌。所述灭菌可为钴-60辐射灭菌。所述钴-60辐射灭菌的辐照剂量可为15-30KGy（如15-25KGy、25-30KGy、15KGy、25KGy或30KGy）。
所述骨松质可为动物长骨的骨松质。所述动物具体可为猪或牛。
以上任一所述方法制备得到的无机骨基质也属于本发明的保护范围。
将骨松质进行脱细胞处理和第一次碱处理，有助于使组织的多孔结构充分暴露，从而在后续的高温熔融处理中受热均匀，并可有效缩短高温熔融处理的时间。
采用梯度高温的形式对脱细胞处理和碱处理后的产物进行高温熔融处理，具有如下优点：根据原料组织成分不同的热敏感特点，逐一去除非目标成分，最终去除组织中的全部有机成分，保留无机成分，可保留组织的宏观天然多孔结构，使材料定型固定，同时能增加材料的机械强度，同时可以去除可能表现出免疫原性的表面微观结构，从而实现了降低免疫原性的目的。
将高温熔融处理的产物再次进行碱处理（第二次碱处理），可以去除骨组织中可能存在的内毒素。
将第二次碱处理后的产物进行缓冲液浸泡处理，有助于去除高温处理时产生的碱性盐类，使材料pH值与人体接近，增加安全性。
冷冻干燥可以使无机骨基质更易在普通环境中储存。
动物骨松质中，无机盐成分为沉积在胶原支架上的晶体结构，脱除有机成分后，无机盐成分之间结合较为松散、机械强度低、容易破碎、不能保持天然的多孔形态，且脱除有机成分后，在原胶原的位置留下大量微观孔隙，这些孔隙在临床上表现出一定的免疫原性。本发明提供的方法中，在脱除骨松质的有机成分后，进一步在可控条件下进行高温熔融处理，使无机盐成分在保持宏观多孔结构的前提下熔融，表面呈现光滑结构，从而生物相容性更好，保留的宏观多孔结构易于再生组织长入。采用本发明的方法制备得到的无机骨基质进行骨移植后，无机骨基质本身在修复初期提供支架，修复后期在三种骨细胞的共同作用下才会被侵蚀，机体产生的无机盐成分重新沉积于新生的胶原支架上，有助于新骨的形成，最终自体新生骨完全替代无机骨基质。
本发明的优点：原料是动物骨组织，主要成分是以羟基磷灰石为主的无机骨盐，保留了与受体相似的宏观结构，可被动降解，降解速度与再生组织的生长速度同步；降解产物是无机骨盐（与人体血钙相同），可在原位被机体吸收利用，有利于缺损组织的再生性修复。采用本发明得到的无机骨基质进行骨移植，具有无免疫排异反应、生物相容性好、有足够机械强度、能满足被修补组织的力学要求等优点。
附图说明
图1为步骤一的1得到的骨松质进行苏木素-伊红染色（HE染色）后的20倍放大照片。
图2为将第一次碱处理后得到的产物先进行脱钙处理，再后进行苏木素-伊红染色后的20倍放大照片。
图3为梯度高温处理后得到的产物进行苏木素-伊红染色后的20倍放大照片。
图4为冷冻干燥后得到的产物的照片。
具体实施方式
以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值。
实施例1、天然无机骨基质的制备
一、天然无机骨基质的制备
1、制备骨松质
（1）从规范化管理的屠宰厂中收集刚完成屠宰的猪的新鲜长骨，尽量避免接触污染物，收集后立即冷冻储存。
（2）将步骤（1）得到的长骨解冻并充分清洗，切取骨松质，然后将骨松质切成易于处理的形态，冲洗去除表面附着物。
2、天然无机骨基质的制备
（1）脱细胞处理
使用表面活性剂溶液浸泡处理骨松质。
本步骤的目的为：破坏细胞膜结构，使细胞破碎溶出，并去除骨组织中大部分的脂肪及脂溶性杂质。
具体步骤：使用0.5g/100ml TritonX-100水溶液15±2℃浸泡处理16小时，然后用清水洗涤。
（2）第一次碱处理
使用碱溶液浸泡处理步骤（1）的产物。
本步骤的目的为：使骨组织中的非胶原类蛋白变性水解、溶出。
具体步骤：使用1M NaOH水溶液，6±2℃浸泡处理30min，然后用清水洗涤。
完成碱溶液浸泡处理后，可将产物切制成需求的规格，制作时需考虑后期处理对规格的影响。
（3）将步骤（2）的产物进行梯度高温处理（其中前3阶温度处理的目的是去除有机成分，第4阶温度处理为高温熔融处理），包括如下步骤：
①进行1阶温度处理。
本步骤的目的为：使组织充分干燥。
具体步骤：108℃煅烧2h。
②从1阶温度升温至2阶温度，进行2阶温度处理。
本步骤的目的为：使组织中的有机成分充分碳化。
具体步骤：380℃煅烧2h。
③从2阶温度升温至3阶温度，进行3阶温度处理。
本步骤的目的为：使已碳化的有机成分进一步氧化，去除全部已碳化的有机成分。
具体步骤：780℃煅烧4h。
④从3阶温度升温至4阶温度，进行4阶温度处理。
本步骤的目的为：使组织中的无机成分可控程度上部分熔融。
具体步骤：1250℃煅烧2h。
（4）第二次碱处理
使用碱溶液浸泡处理步骤（3）的产物。
本步骤的目的为：去除骨组织中可能存在的内毒素。
具体步骤：使用1M NaOH水溶液，6±2℃浸泡处理30min，然后用清水洗涤。
（5）pH值调节
使用PBS缓冲液浸泡处理步骤（4）的产物。
具体步骤：使用pH7.2的PBS缓冲液，4±2℃浸泡48h，然后用清水洗涤。
pH7.2的PBS缓冲液的制备方法：取50ml0.2M磷酸二氢钾水溶液和35ml0.2M氢氧化钠水溶液，用水稀释至200ml。
3、后处理
取步骤2的（5）的产物，使用冻干机进行冷冻干燥，然后封装并用钴-60辐射灭菌（辐照剂量为25KGy）。
二、无机骨基质制备过程中的显微形态
步骤一的制备过程中的照片见图1至图4。
图1为步骤一的1得到的骨松质进行苏木素-伊红染色（HE染色）后的20倍放大照片，可见孔隙间有大量细胞及其他间质，骨陷窝不清晰，陷窝中可见骨细胞。
图2为将第一次碱处理后得到的产物先进行脱钙处理（脱钙处理的目的是为了方便观察；脱钙处理的方法为：用1M硝酸水溶液浸泡24h），再后进行苏木素-伊红染色后的20倍放大照片，可见孔隙间已无任何细胞及间质残留，且骨陷窝清晰，其中不见遗传物质。
图3为梯度高温处理后得到的产物进行苏木素-伊红染色后的20倍放大照片，可见经过高温处理后，已难发现骨陷窝的存在，即骨陷窝已经熔融闭合。
图4为冷冻干燥后得到的产物的照片，可见经梯度高温处理后，产物的边缘已趋于圆滑。
实施例2、天然无机骨基质的制备
1、制备骨松质
（1）从规范化管理的屠宰厂中收集刚完成屠宰的牛的新鲜长骨，尽量避免接触污染物，收集后立即冷冻储存。
（2）将步骤（1）得到的长骨解冻并充分清洗，切取骨松质，然后将骨松质切成易于处理的形态，冲洗去除表面附着物。
2、天然无机骨基质的制备
（1）脱细胞处理
使用表面活性剂溶液浸泡处理骨松质。
具体步骤：使用2g/100ml Tween-80水溶液28±2℃浸泡处理5小时，然后用清水洗涤。
（2）第一次碱处理
使用碱溶液浸泡处理步骤（1）的产物。
具体步骤：使用1M KOH水溶液，23±2℃浸泡处理15min，然后用清水洗涤。
完成碱溶液浸泡处理后，可将产物切制成需求的规格，制作时需考虑后期处理对规格的影响。
（3）将步骤（2）的产物进行梯度高温处理（其中前3阶温度处理的目的是去除有机成分，第4阶温度处理为高温熔融处理），包括如下步骤：
①进行1阶温度处理。
具体步骤：110℃煅烧1.5h。
②从1阶温度升温至2阶温度，进行2阶温度处理。
具体步骤：400℃煅烧1.5h。
③从2阶温度升温至3阶温度，进行3阶温度处理。
具体步骤：800℃煅烧3h。
④从3阶温度升温至4阶温度，进行4阶温度处理。
具体步骤：1300℃煅烧1.5h。
（4）第二次碱处理
使用碱溶液浸泡处理步骤（3）的产物。
具体步骤：使用1M KOH水溶液，23±2℃浸泡处理15min，然后用清水洗涤。
（5）pH值调节
使用PBS缓冲液浸泡处理步骤（4）的产物。
具体步骤：使用pH7.8的PBS缓冲液，6±2℃浸泡16h，然后用清水洗涤。
pH7.8的PBS缓冲液的制备方法：取35.9g磷酸氢二钠，加水溶解，并用水稀释至500ml，得到甲液；取2.76g磷酸二氢钠，加水溶解，并用水稀释至100ml，得到乙液；将91.5ml甲液与8.5ml乙液混合。
3、后处理
取步骤2的（5）的产物，使用冻干机进行冷冻干燥，然后封装并用钴-60辐射灭菌（辐照剂量为15KGy）。
实施例3、天然无机骨基质的制备
1、制备骨松质
（1）从规范化管理的屠宰厂中收集刚完成屠宰的猪的新鲜长骨，尽量避免接触污染物，收集后立即冷冻储存。
（2）将步骤（1）得到的长骨解冻并充分清洗，切取骨松质，然后将骨松质切成易于处理的形态，冲洗去除表面附着物。
2、天然无机骨基质的制备
（1）脱细胞处理
使用表面活性剂溶液浸泡处理骨松质。
具体步骤：使用1g/100ml Tween-80水溶液6±2℃浸泡处理168小时，然后用清水洗涤。
（2）第一次碱处理
使用碱溶液浸泡处理步骤（1）的产物。
具体步骤：使用0.5M NaOH水溶液，2±2℃浸泡处理120min，然后用清水洗涤。
完成碱溶液浸泡处理后，可将产物切制成需求的规格，制作时需考虑后期处理对规格的影响。
（3）将步骤（2）的产物进行梯度高温处理（其中前3阶温度处理的目的是去除有机成分，第4阶温度处理为高温熔融处理），包括如下步骤：
①进行1阶温度处理。
具体步骤：105℃煅烧3h。
②从1阶温度升温至2阶温度，进行2阶温度处理。
具体步骤：350℃煅烧3h。
③从2阶温度升温至3阶温度，进行3阶温度处理。
具体步骤：750℃煅烧5h。
④从3阶温度升温至4阶温度，进行4阶温度处理。
具体步骤：1200℃煅烧3h。
（4）第二次碱处理
使用碱溶液浸泡处理步骤（3）的产物。
具体步骤：使用0.5M NaOH水溶液，2±2℃浸泡处理120min，然后用清水洗涤。
（5）pH值调节
使用PBS缓冲液浸泡处理步骤（4）的产物。
具体步骤：使用pH6.5的PBS缓冲液，2±2℃浸泡168小时，然后用清水洗涤。
pH6.5的PBS缓冲液的制备方法：取0.68g磷酸二氢钾，加15.2ml0.1M氢氧化钠水溶液，用水稀释至100ml。
3、后处理
取步骤2的（5）的产物，使用冻干机进行冷冻干燥，然后封装并用钴-60辐射灭菌（辐照剂量为30KGy）。
实施例4、天然无机骨基质的抗压强度实验
参照中华人民共和国国家标准GB/T1448-2005《纤维增强塑料压缩性能实验方法》分别检测实施例1的步骤一的3得到的天然无机骨基质、实施例2的步骤3得到的天然无机骨基质、实施例3的步骤3得到的天然无机骨基质、实施例1的步骤一的2的（2）中第一次碱处理后得到的产物和实施例1的步骤一的2的（3）的③中3阶温度处理后得到的产物和的抗压强度，具体步骤如下：
1、将试样制成抗压横截面积40-80mm2，高约为10-15mm的立方体或圆柱体，两抗压面切平,试样边缘平滑无缺口，舍去边缘有缺陷的试样。
2、用游标卡尺测量试样长度、宽度、高或直径、高，准确至0.01mm，每个项目测量三次并计算出其平均值。
3、将试样置于试验机（微机控制电子万能试验机，深圳市新三思计量技术有限公司，型号CMT8502）的两压板之间，使试样纵轴与上下夹具中心连线相重合，设置试样定变形5mm，按照10mm/min的规定速度，开动试验机进行试验。当试验机返车时，记录试样屈服负荷力值和屈服强度。
实施例1的步骤一的3得到的天然无机骨基质的抗压强度为1.2±0.3MPa。实施例1的步骤一的2的（2）中第一次碱处理后得到的产物的抗压强度为2.0±0.5MPa。实施例1的步骤一的2的（3）的③中3阶温度处理后得到的产物稍碰即碎，无法进行抗压强度检测。
实施例2的步骤3得到的天然无机骨基质的抗压强度为1.3±0.2MPa。
实施例3的步骤3得到的天然无机骨基质的抗压强度为1.3±0.3MPa。
实施例5、动物实验
实验动物：新西兰白兔、清洁级、6个月龄，体重3-4kg。
1、将实验动物麻醉，从左后肢股骨前外侧纵切口，长约10cm，切开皮肤、皮下组织和深筋膜，沿股直肌与股外侧肌间隙锐性分开进入，不切开骨膜，于股骨前外侧放置已塑形好的4孔普通钢板（钢板预弯一定的弧度，约5°-8°，以使钢板和股骨向前外凸的弧度相吻合），电钻钻孔后依次旋入4枚螺钉固定。于钢板第2孔、第3孔之间，以线锯锯断股骨一侧，用直尺测量股骨1.5cm长，并标记好另一端截骨线，线锯截断，并切除该段对应的骨膜，造成标准的1.5cm段缺性骨与骨膜缺损。
2、将完成步骤1的动物分组处理：
实验组-1：将实施例1的步骤一的3得到的天然无机骨基质修剪为合适的形态后修补1.5cm段的骨缺损，然后用生理盐水冲洗伤口后逐层缝合，切口用敷料包扎，术后肌内注射青霉素钠4×105U预防感染（每天两次，共3天）；
实验组-2：将实施例2的步骤3得到的天然无机骨基质修剪为合适的形态后修补1.5cm段的骨缺损，然后用生理盐水冲洗伤口后逐层缝合，切口用敷料包扎，术后肌内注射青霉素钠4×105U预防感染（每天两次，共3天）；
实验组-3：将实施例3的步骤3得到的天然无机骨基质修剪为合适的形态后修补1.5cm段的骨缺损，然后用生理盐水冲洗伤口后逐层缝合，切口用敷料包扎，术后肌内注射青霉素钠4×105U预防感染（每天两次，共3天）；
对照组：用生理盐水冲洗伤口后逐层缝合，切口用敷料包扎，术后肌内注射青霉素钠4×105U预防感染（每天两次，共3天）。
术后18周时，解剖动物并观察股骨形态。对照组动物可见骨缺损区生成骨痂，但骨缺损区仍无骨性连接，其内大部分仍然是由肉芽疤痕填充，骨缺损未愈合。实验组-1、实验组-2、实验组-3中，动物的骨缺损基本愈合。
Claims (10)
1.一种制备无机骨基质的方法，包括如下步骤：
(1)使用表面活性剂溶液浸泡处理离体的骨松质；
(2)使用碱溶液浸泡处理步骤(1)的产物；
(3)将步骤(2)的产物进行梯度高温处理；所述梯度高温处理依次包括如下步骤：①105-110℃煅烧1.5-3小时；②350℃-400℃煅烧1.5-3小时；③750℃-800℃煅烧3-5小时；④1200℃-1300℃煅烧1.5-3小时；
(4)使用碱溶液浸泡处理步骤(3)的产物；
(5)使用PBS缓冲液浸泡处理步骤(4)的产物，得到无机骨基质。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中：所述表面活性剂为TritonX-100或Tween-80；所述表面活性剂溶液中，表面活性剂的浓度为0.5-2g/100ml；所述浸泡处理的条件为：4-30℃、5-168小时。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中：所述碱溶液为碱性化合物溶液；所述碱性化合物为NaOH或KOH；所述碱性化合物溶液中，所述碱性化合物的浓度为0.5-1M；所述浸泡处理的条件为：0-25℃、15-120分钟。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中：所述碱溶液为碱性化合物溶液；所述碱性化合物为NaOH或KOH；所述碱性化合物溶液中，所述碱性化合物的浓度为0.5-1M；所述浸泡处理的条件为：0-25℃、15-120分钟。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中：所述PBS缓冲液的pH为6.5-7.8；所述浸泡处理的条件为：0-8℃、16-168小时。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述方法中还包括如下步骤：将所述步骤(5)的产物依次进行冷冻干燥和灭菌。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述灭菌为钴-60辐射灭菌。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述骨松质为动物长骨的骨松质。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述动物为猪或牛。
10.权利要求1至9中任一所述方法制备得到的无机骨基质。
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