CN105283207A - 使用可降解的聚合物基纳米复合材料的骨再生及其应用 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于骨再生和组织再生的生物相容性结构的结构以及制备方法。所述方法包括：将聚氨酯聚合物溶解在甲醇中；加入羟基磷灰石(HAP)纳米粒子以形成均匀分布的混合物；将所述混合物添加至聚四氟乙烯(PTFE)表面以形成聚合物薄膜；将所述聚合物薄膜切成条；将所述条堆叠，并在所述条之间设置骨颗粒层；对堆叠的所述条和层采用所述混合物涂覆，并使所述混合物干燥；将骨颗粒添加至所述涂层中，并对所述结构进行等离子处理以形成所述生物相容性结构。所述HAP纳米粒子在所述聚合物中的重量百分比为约5-50％，以使所述生物相容性结构的吸收率大体上与所述生物相容性结构的组织再生率相适配。

Description

使用可降解的聚合物基纳米复合材料的骨再生及其应用

相关申请的交叉引用

本PCT申请要求申请日为2013年7月22日、申请序列号为No.13/947,770的美国专利申请的优先权和权益；该美国专利申请是申请日为2006年9月11日、申请序列号为No.11/519,316、题为“用于组织再生和骨增生的系统和方法”且发明人为亚历山德鲁S.比艾(AlexandruS.Biris)和皮特·延森(PederJensen)的美国专利申请的部分继续申请案。其中，该美国专利申请现在已授权，并且要求申请日为2005年9月9日、申请序列号为No.60/715,841的美国临时专利申请以及申请日为2005年10月13日、申请序列号为No.60/726,383的美国临时专利申请的优先权和权益。该申请日为2013年7月22日、申请序列号为No.13/947,770的美国专利申请还要求申请日为2013年3月15日、申请序列号为No.61/800,588的美国临时专利申请的优先权和权益。本PCT申请还要求申请日为2013年3月15日、申请序列号为No.61/800,588、题为“使用可降解的聚合物基纳米复合材料的骨再生及其应用”的美国临时专利申请的优先权和权益。本PCT申请还涉及题为“使用可降解的聚合物基纳米复合材料的骨再生及其应用”、申请日为2013年7月22日且具有与本PCT申请相同发明人和代理人(assignee)的同时待审的申请。以上提及的申请在此全文引用，以供参考。

本发明的描述中记载和讨论了一些参考文献，这些参考文献可能包括专利、专利申请和各种出版物。这些参考文献的记载和/或讨论的提供仅用来阐明对本发明的描述，而不是承认任何上述参考文献是这里描述的本发明的“现有技术”。本申请说明书中所记载和讨论的所有参考文献在此全文引用，并达到如同单独引用每个参考文献的相同引用程度。

联邦资助的研究的声明

本申请是在政府资助下完成的，批准号为W81XWH-10-2-0130，由美国国防部授予资助。政府在本申请中具有一定的权利。

技术领域

本发明通常涉及用于骨头和组织再生的生物相容性结构，尤其涉及一种可生物降解和可生物吸收的纳米复合组合聚合物和纳米结构的羟磷灰石，以及可选择地涉及其他有利因素。

背景技术

在此描述的背景技术是用来概述本申请的内容。在该背景技术部分中描述的当前提及的发明人的工作，以及不可认定为在本申请提交日期的现有技术的说明书的方面，既没有明确地也没有隐含地被承认为本申请的现有技术。

外伤、肿瘤和骨骼疾病导致的骨骼缺陷，或者骨骼不正常生长都需要频繁的外科治疗程序以试图恢复骨骼的正常功能。尽快这类治疗大多数都是成功的，然而这些治疗都存在问题和局限。

因此，直到现在，本领域仍然存在解决上述缺陷和不足的尚未解决的需要。

发明内容

本申请的某些方面涉及一种生物相容性结构。

在一个实施例中，所述生物相容性结构包括相互堆叠的聚合物层以具有预定形状；设置于每两个相邻的聚合物层之间的骨颗粒；包围所述多个聚合物层和骨颗粒层的涂层；以及多附着到所述涂层上的骨颗粒。其中，每一所述聚合物层均由聚合物和第一组织形成纳米粒子所形成。所述第一组织形成纳米粒子在所述聚合物中的重量百分比为0.05-50％。

在一个实施例中，所述第一组织形成纳米粒子在所述聚合物薄膜中的重量百分比为约25％。

在一个实施例中，所述聚合物包括合成的可生物降解的聚合物，以及从自然资源获得的可生物降解的聚合物中的至少一者。

在一个实施例中，所述合成的可生物降解的聚合物包括聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)、聚(e-己内酯)、聚二恶烷酮、聚酐、三亚甲基碳酸酯、聚(β-羟基丁酸酯)、聚(g-乙基谷氨酸)、聚(DTH亚氨基碳酸)、聚(双酚A亚氨基碳酸酯)、聚(原酸酯)、聚氰基丙烯酸酯，以及聚磷腈中的至少一者。

在一个实施例中，所述从自然资源获得的可生物降解的聚合物包括改性多糖(纤维素、几丁质、葡聚糖)和改性蛋白质(纤维蛋白、酪蛋白)中的至少一者。

在一个实施例中，所述第一组织形成纳米粒子包括羟基磷灰石(HAP)纳米粒子、磷酸三钙纳米粒子、混合的磷酸钙和碳酸钙纳米粒子、异种移植物骨颗粒、同种异体移植物骨颗粒、自体移植物骨颗粒，以及异质移植物骨颗粒中的至少一者。

在一个实施例中，所述第二组织形成粒子为纳米尺寸的骨颗粒，以及微米尺寸的骨颗粒中的至少一者。

在一个实施例中，所述生物相容性结构还包括第三组织形成材料。

在一个实施例中，所述第三组织形成材料包括生物活性材料和生物活性细胞中的至少一者。

在一个实施例中，所述生物活性材料包括蛋白质、酶、生长因子、氨基酸、骨形态发生蛋白、血小板衍生的生长因子、血管内皮生长因子中的至少一者。

在一个实施例中，所述生物活性细胞包括上皮细胞、神经细胞、神经胶质细胞、星形胶质细胞、足细胞、乳腺上皮细胞、胰岛细胞、内皮细胞、间质细胞、干细胞、成骨细胞、肌细胞、横纹肌细胞、成纤维细胞、肝细胞、韧带成纤维细胞、腱成纤维细胞，以及软骨细胞中的至少一者。

在一个实施例中，所述生物相容性结构的形状与植入部位的形状相匹配。

在一个实施例中，至少一个所述聚合物层长度为约0.05-200厘米(cm)，宽度为约0.02-50cm，厚度为约0.01-500毫米(mm)；所述生物相容性结构的形状为圆柱形、矩形或球形。

在一个实施例中，对所述生物相容性结构进行等离子处理。

本申请的某些方面涉及一种用于制备用于骨再生和组织再生的生物相容性结构的方法。

在一些实施例中，所述方法包括：将聚合物溶解在溶剂中以形成第一溶液；将第一组织形成纳米粒子添加到所述第一溶液中以形成第二溶液；其中，所述第一组织形成纳米粒子在所述聚合物中的重量百分比为0.05-50％；将所述第二溶液应用到一表面上以在所述表面上形成聚合物薄膜；将所述聚合物薄膜分多个条；以及通过所述条、所述第二溶液和第二组织形成粒子形成层状的生物相容性结构。其中，所述第二组织形成粒子设置于两个所述条之间。

在一些实施例中，所述方法还包括对所述第一溶液进行搅拌以使所述聚合物均匀地分布在所述第一溶液中。

在一些实施例中，所述方法还包括对所述第二溶液使用声波处理，以使所述聚合物和所述第一组织形成纳米粒子均匀地分布在所述第二溶液中。

在一些实施例中，所述方法还包括对在所述表面上的第二溶液进行干燥以在所述表面上形成聚合物薄膜。

在一些实施例中，形成所述层状的生物兼容性结构的操作包括：通过将所述条堆叠起来以形成聚合物层，并在所述聚合物层之间添加骨颗粒来构建支架；将所述第二溶液应用到所述支架上以形成被涂覆的支架；以及将所述第二组织形成粒子添加到被涂覆的支架上以形成生物相容性结构。

在一些实施例中，所述支架通过交替地堆叠所述条和所述骨颗粒层而形成。

在一些实施例中，所述方法还包括，在将所述第二组织形成粒子添加到被涂覆的支架后，对所述被涂覆的支架进行等离子处理。

在一些实施例中，所述第一组织形成纳米粒子在所述聚合物中的重量百分比为约25％。

在一些实施例中，所述聚合物包括合成的可生物降解的聚合物，以及从自然资源获得的可生物降解的聚合物中的至少一者。

在一些实施例中，所述合成的可生物降解的聚合物包括聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)、聚(e-己内酯)、聚二恶烷酮、聚酐、三亚甲基碳酸酯、聚(β-羟基丁酸酯)、聚(g-乙基谷氨酸)、聚(DTH亚氨基碳酸)、聚(双酚A亚氨基碳酸酯)、聚(原酸酯)、聚氰基丙烯酸酯，以及聚磷腈中的至少一者。

在一些实施例中，所述从自然资源获得的可生物降解的聚合物包括改性多糖(纤维素、几丁质、葡聚糖)和改性蛋白质(纤维蛋白、酪蛋白)中的至少一者。

在一些实施例中，所述第一组织形成纳米粒子包括羟基磷灰石纳米粒子、磷酸三钙纳米粒子、混合的磷酸钙和碳酸钙纳米粒子、异种移植物骨颗粒、同种异体移植物骨颗粒、自体移植物骨颗粒，以及异质移植物骨颗粒中的至少一者。

在一些实施例中，所述表面为聚四氯乙烯(PTFE)表面。

在一些实施例中，所述第二组织形成粒子为纳米尺寸的骨颗粒和微米尺寸的骨颗粒中的至少一者。

在一些实施例中，所述方法还包括将第三组织形成材料加入到所述生物相容性结构中。

在一些实施例中，所述第三组织形成材料包括生物活性材料和生物活性细胞中的至少一者。

在一些实施例中，所述生物活性细胞包括上皮细胞、神经细胞、神经胶质细胞、星形胶质细胞、足细胞、乳腺上皮细胞、胰岛细胞、内皮细胞、间质细胞、干细胞、成骨细胞、肌细胞、横纹肌细胞、成纤维细胞、肝细胞、韧带成纤维细胞、腱成纤维细胞，以及软骨细胞。

在一些实施例中，所述生物活性材料包括蛋白质、酶、生长因子、氨基酸、骨形态发生蛋白、血小板衍生的生长因子，以及血管内皮生长因子。

在一些实施例中，所述生物相容性结构的形状与植入部位的形状相匹配。

在一些实施例中，所述条的长度为约0.05-20cm，宽度为约0.02-5cm，且厚度为约0.01-50mm；所述生物相容性结构的形状为圆柱形、矩形或球形。

本申请的某些方面涉及一种用于治疗骨缺陷的方法。所述方法包括将生物相容性结构应用于植入手术部位。其中，所述所述生物相容性结构包括：多个相互堆叠的聚合物层以具有预定形状；设置于每两个相邻的聚合物层之间的个骨颗粒层；包围所述多个聚合物层和骨颗粒层的涂层；以及附着到所述涂层的外表面上的多个骨颗粒。其中，每一所述聚合物层均由聚合物和第一组织形成纳米粒子所形成。所述预定形状配置为与所述植入手术部位相匹配。所述第一组织形成纳米粒子在所述聚合物中的重量百分比为5-50％，以使所述生物相容性结构的吸收率大体上与所述生物相容性结构内的组织再生率相适配。

附图说明

以下附图示出了本申请的一个或多个实施例，且附图与记载的说明书一起用于解释本申请的原理。所有附图中，相同的标号可用于表示实施例中相同或相识的元件。

图1A示出了根据本发明一些实施例的生物相容性结构；

图1B示出了根据本发明一些实施例的生物相容性结构的一部分；

图2示出了根据本发明一些实施例的在低分辨率下的生物相容性结构的扫描电子显微镜图片；

图3A-3C示出了根据本发明一些实施例的在高分辨率下的生物相容性结构的扫描电子显微镜图片；

图4示出了根据本发明一些实施例的生物相容性结构的制备流程；

图5A和5B示出了根据本发明一些实施例的用于测量聚合物薄膜的最大负载和最大应力的拉力测试；

图6示出了根据本发明一些实施例的聚合物薄膜的最大负载；

图7示出了根据本发明一些实施例的聚合物薄膜的最大应力。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明进行更全面的描述；其中，在本发明中给出了典型实施例。然而，本申请可以以不同的形式体现，并且本申请不应该解释为限制于这里描述的实施例。相反地，提供这些实施例是用来使本领域技术人员能够深入地、完整地以及全面地理解本申请的范围。通篇相同的标号用于表示相同的要素。在此处的说明书中并贯穿后续的权利要求书，除非文中明确表明，“一”和“所述”的含义包含引用复数。同样，在此处的说明书中并贯穿后续的权利要求书，除非文中明确表明，“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”。而且，在说明书中使用的标题和子标题是用来方便读者，而对于本申请的范围没有任何影响。另外，下面将更具体地定义说明书中使用的一些用语。

通常，如“第一”、“第二”、“第三”等的用语是用来区分不同的元件、部件、区域、层以及范围。因此，如“第一”、“第二”、“第三”等的用语并不用来限制元件、部件、区域、层以及范围等的数量。另外，例如，用语“第一”可被用语“第二”、“第三”或之类的代替。

通常，除非明确指出，否则如“大约”、“近似”、“通常”、“大体上”等用语是指相对于给定值或范围偏差在20％以内，优选10％以内、5％以内，更优选3％以内。此处给出的数字量是近似的，意味着除非明确指出，否则“大约”、“近似”、“通常”或“大体上”这些用语是可以推测的。

通常，“纳米级尺度”、“纳米级”、“纳米尺度”、“纳米”前缀等是指宽度或直径小于约1μm的要素或物体，在某些情况下该宽度或直径优选小于100nm。除非特别指出，所特指的宽度可为最小宽度(即该物体在与该特指的地方不同的位置具有更大的宽度)或最大的宽度(即该物体在于该特指的地方不同的位置不具备更大的宽度，但是可能具备更大的长度)。

图1A概略性地示出了根据本发明一些实施例的生物相容性结构100。生物相容性结构100可为与植入位置的形状相适配的任何形状。例如，生物相容性结构可为圆柱形、矩形或球形。

生物相容性结构包括两个或两个以上的堆叠的改性聚合物层102。如以下所述，每层改性聚合物层102具有分散在聚合母体114中的纳米粒子112。在某些实施例中，纳米粒子112为羟基磷灰石(HAP)纳米粒子。进一步地，如图1A和1B所示，间隔粒子116位于任意两层改性聚合物层102之间，并用作改性聚合物层102之间的间隔层106。在某些实施例中，每个间隔粒子116的直径约为0.2-100μm。在某些实施例中，间隔粒子116部分地嵌入或陷入聚合物层102的表面部分中。在某些实施例中，间隔粒子116形成间隔层106，并且每个间隔层106的厚度为约0.001mm-约50mm，但通常小于3mm。上述层可机械堆叠或原位应用在彼此的上面。在某些实施例中，间隔粒子116可为如下描述的骨头粒子或复合微粒。在某些实施例中，间隔粒子116可为以下描述的HAP粒子。在某些实施例中，聚合物层102的一部分可与相邻聚合物层102的一部分接触。在某些实施例中，那些接触的部分可彼此交联。在某些实施例中，聚合物涂层110包围堆叠的聚合物层102和间隔层106。进一步地，涂层110的表面可陷入间隔粒子116。在某些实施例中，间隔粒子116可形成层，并包覆整个涂层110的相当一部分。

聚合物层102可根据需要具有不同的尺寸和形状。在某些实施例中，聚合物层102可制作为带状。例如，每条聚合物带102的长度为0.005-50cm，宽度为0.002-50cm且厚度为0.001-50mm。整个结构100的尺寸可改变以匹配需要再生的骨骼缺陷。

在某些实施例中，改性聚合物层102的聚合母体114可为聚氨酯。分散在聚合母体114中的粒子112可为羟基磷灰石(HAP)纳米粒子。在聚合物薄膜或层102中的纳米粒子112的重量百分比定义为纳米粒子112的总重量(例如克)除以用于制备聚合物薄膜102的纳米粒子112的重量(克)与固体聚合物114(克)的重量之和。例如，采用总重量为A克的纳米粒子112和总重量为B克的聚合物114来制备聚合物薄膜102。纳米粒子112在聚合物薄膜102中的重量百分比计算为A/(A+B)。在某些实施例中，HAP纳米粒子112在聚合物层102中的重量百分比约为0.05-95％。在某些实施例中，HAP纳米粒子112在聚合物层102中的重量百分比约为20％。

在某些实施例中，分散在聚合物层102中的纳米粒子112为羟基磷灰石纳米粒子并且其尺寸范围为1-100纳米(nm)之间。羟基磷灰石也叫羟磷灰石(HA或HAP)，是分子式为Ca₅(PO₄)₃(OH)的钙磷灰石的自然矿物化；然而，该羟基磷灰石的分子式通常写为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，以表明晶体单胞包括两个实体。羟基磷灰石是复合磷灰石族的羟基端元(endmember)。OH^-离子可被氟离子、氯离子或碳酸根离子取代，并由此生成氟基磷灰石或氯基磷灰石。该羟基磷灰石在六方晶系中结晶。纯羟基磷灰石粉末是白色的。然而，与氟斑牙的褪色相比，原生磷灰石也有棕色的、黄色的或绿色的自然色彩。骨头中高达50％的重量为羟基磷灰石的改进型(称为骨矿物质)。在某些实施例中，分散在聚合物层中的HAP纳米粒子可由纯HAP组成，由于表面的氧基团的存在，其具有高度的结晶性和良好的分散性。

在聚合物薄膜114中，相对其他物质来说，HAP纳米粒子112的存在有利于聚合物薄膜114的孔径大小和强度。另外，当聚合物薄膜114用作植入材料时，HAP纳米粒子112的浓度也与聚合物薄膜114的降解速率有关。

在某些实施例中，HAP纳米粒子112可增强骨骼/骨细胞的矿化。HAP纳米粒子112连同其他材料，具备提高骨生成和骨细胞矿化的能力。

在某些实施例中，本申请的聚合物层102之间的间隔粒子116为骨颗粒。骨颗粒116可为自体移植物、同种异体移植物、异种移植物(通常为牛的)或异质骨移植物(合成的，例如磷酸三钙)。在某些实施例中，骨颗粒116通过骨矿物产品或复合颗粒进行处理。屠宰动物获得的骨头是非常便宜的可大量获得的用于生产骨矿物质的原材料。骨头通常含有50-60％的非常好的改进的羟基磷灰石的一种形态的结晶，其中该羟基磷灰石的一种形态通过胶原组织去掉骨头后获得，并且包含大量的蛋白质及其他物质以及相关脂肪和肌肉组织。在纯净状态并具备其必要的晶体结构的这种改进的羟基磷灰石，代表了一种高度可生物兼容的改造的骨头移植材料。

在某些实施例中，骨颗粒116包括与羟基磷灰石类似的晶粒，该晶粒具有特定的结晶度、习性和尺寸(不规则的片状形态，5-10nm厚、10-20nm长)。骨颗粒116特定的表面化学性质来源于钙磷比(37.5-38.0％的钙和15.5-19.0％的磷)。骨颗粒116的无机相包括孔隙度和微观间隔；其中，该孔隙度包含自然形成的晶粒和通过移除有机相而生产的晶粒之间的超微结构空隙(10-100nm)；而该微观间隔(1-20μm)则包括骨细胞陷窝、骨小管、血管沟、伏克曼氏管和哈弗氏系统管(100-500nm)。用来测量孔隙度的特定的表面积为50-100m²/gm，该表面积是根据水银测孔法来确定的。骨颗粒116的结晶性可由X射线衍射来表征，而孔隙度和晶粒形态可由电子显微镜表征。

在某些实施例中，本申请的骨颗粒116是在盖氏骨粉公司(GeistlichBioOss，INC)购买的去矿物质的骨颗粒116。骨颗粒116可采用牛骨源，通过处理后仅保留无机结构，而有机材料被移除。骨颗粒116由粉末颗粒组成，其直径为0.01-100微米(μm)。

在某些实施例中，间隔粒子116可为例如在实验室制备的HAP的大颗粒，或为复合粒子(聚合物或无机粒子)。

在某些实施例中，生物相容性结构100可包括生物活性材料126。在某些实施例中，生物活性材料126可喷射到生物相容性结构100的表面，和/或包含在聚合物结构102中以促进骨生长。

生物活性材料126可为蛋白质/多肽、HA、药物、生长因子、抗生素(如四环素)和成骨蛋白。优选的生物活性剂126为提高组织再生和/或组织粘连的物品。生物活性剂126的释例包括生长因子、抗生素、免疫刺激物以及免疫抑制剂。在一个实施例中，生物活性剂126可为成骨蛋白，例如骨形态发生蛋白(BMP)。在另一实施例中，生物活性剂126可为生长因子，例如成纤维细胞生长因子(FGF)或者一种促进结缔组织生长的制剂。

在某些实施例中，组织还可通过在植入部位植入生物相容性结构100和干细胞或其他类型的合适的细胞(肝组织生长的肝细胞；心肌细胞，用于替代/修复受损心脏组织的肌细胞；上皮细胞，用于皮肤移植的结缔组织细胞；用于骨生长的骨细胞)在生物体内生长。或者，组织可在生物体内并在生物相容性结构100上生长，然后再移植(例如，为了生长结缔组织/用于动脉移植的冠状血管)。

在移植前合适的活体细胞可放置在生物相容性结构中，或者合适的活体细胞与生物相容性结构100一起被移植到体内。活体细胞包括上皮细胞(例如，角质化细胞、脂肪细胞、肝细胞)、神经细胞、神经胶质细胞、星形胶质细胞、足细胞、乳腺上皮细胞、胰岛细胞、内皮细胞(如主动脉细胞、毛细血管细胞和静脉内皮细胞)和间充质细胞(例如，真皮成纤维细胞、间皮细胞、成骨细胞)、平滑肌细胞、横纹肌肌细胞、韧带成纤维细胞、腱成纤维细胞、软骨细胞、成纤维细胞、以及任何各种干细胞。同样，适合使用在生物相容性结构100，200之中的通常是改进型的细胞、免疫掩蔽细胞等。合适的细胞外基质蛋白(ECM)可添加到生物相容性结构中以进一步促进细胞的向内生长、组织发育以及在支架内的细胞分化。ECM蛋白可包括纤连蛋白、层粘连蛋白、玻璃粘连蛋白、肌腱蛋白、巢蛋白、血小板、弹性蛋白、明胶、胶原蛋白、纤维蛋白、分层蛋白(merosin)，锚定蛋白(anchorin)、软骨粘连蛋白(chondronectin)、连接蛋白、骨涎蛋白、骨钙素、骨桥蛋白、外连蛋白(epinectin)、透明质、粗纤维调节素、配体蛋白(epiligrin)和缰蛋白(kalinin)中的一种或多种。

此外，另外的可并入到生物相容性结构100中的生物活性剂126包括有利于细胞生长、形态发生、分化和组织构建的生物活性大分子等物质，包括生长因子、蛋白聚糖、糖胺聚糖和多糖。这些化合物被认为包含用于组织结构和功能发育或再生的生物、生理和结构信息。

在某些实施例中，生物相容性结构100可进行等离子体处理/被激活/电喷雾，以使生物相容性结构100的表面官能化。表面处理可提高生物相容性结构100的亲水性，可促进细胞移植并可促进骨颗粒黏附到生物相容性结构100的表面及孔隙中。表面还可通过电子或离子轰击、激光照射和/或通过影响表面附近的键合的任何其它物理或化学表面反应来使其官能化。这些处理还有助于移植的杀菌。等离子体处理破坏了聚合物的表面键合。等离子体处理后，氧原子“附着”到表面，改变表面的表面能，从而表面变得更亲水且具有富氧和富氮的官能团。

本申请的生物相容性结构100是高度多孔的、可生物兼容的，并允许用于骨/组织再生的血管向内生长。表面通常不阻止任何生物实体相互作用并具备亲水性或在不同的条件或处理下潜在地变得具有亲水性。适合于构建用于组织/骨工程和再生的结构的材料为某些聚合物、陶瓷、碳基材料和金属以及金属复合物。在某些实施例中，本申请的生物相容性结构100的聚合物层102是由聚氨酯形成的。在某些实施例中，生物相容性结构100具有由聚合物材料构成的层状结构，该聚合物材料可能包括其他物质，例如生物活性物质或促进组织生长的物质。这些物质可形成在聚合物层102里面或者是在聚合物层102的表面上。有些可生物吸收的聚合物可能或可能不需要酶来降解。层状的、多孔设计使得该结构的表面积很大，用于组织再生所必须的新血管的形成和细胞生长。另外，干细胞、骨细胞和其他类型的合适的细胞可并入到系统中以帮助组织再生。生物相容性结构100可根据实际应用的需要设定为不同的形状和尺寸。生物相容性结构100可直接地并恰当地置于手术部位，或者是与医用针、螺钉或其他设备一起置于手术部位。

生物相容性结构100被设置为其降解速率或被吸收速率与生物相容性结构100中的组织生长的速率基本上匹配。生物相容性结构100的可控降解速率还可提供生物活性物质或形成在生物相容性结构100中的细胞的可控释放。聚合物可能与生物相容性结构100具有不同的降解速率，但是聚合物的降解速率对生物相容性结构100的降解速率有重要的作用。因此，本申请会选择具有合适降解性能的聚合物来制备生物相容性结构100。

聚合物层102的降解机理有很多种。最常见的机理就是扩散。此外，生物相容性结构的生物活性物质(剂)可以各种方式扩散。生物活性剂(药物)具有被惰性扩散屏障包围的核，该惰性扩散屏障可为膜、胶囊、微胶囊、脂质体和空心纤维。或者，活性剂可分散或溶解在惰性聚合物内。药物在聚合物母体中的扩散是限速步骤，释放速率是由聚合物的选择及其在待释放的药物的扩散和分配系数上的最终效果来决定的。通过调节生物活性剂或细胞的扩散方法及生物相容性结构的组成成分，可获得生物活性剂或细胞的合适速率。

在某些实施例中，移植之后，生物相容性结构100可最后被身体吸收，例如，通过将不可溶于水的材料转变成可溶于水/液体的材料，并由此使得该生物相容性结构不需要通过手术来移除。

在某些实施例中，生物相容性结构100中的聚合物层102是可生物兼容的、可被加工的、可灭菌的并能够响应于生物条件具有可控稳定性或降解。设计随时间而降解的生物相容性结构100的理由通常超出免取出的明显愿望。例如，用于骨头固定的刚性金属植入物的绝对强度会导致“应力遮挡”的问题。然而，生物可吸收植入物可以通过慢慢地将负载转移到被医治的骨头以提高最终的骨头强度。对于药物运输来说，各种可降解系统的特性可被精确地定制以达到药物或活性剂的最佳释放动力学。

用于医学应用的理想的可生物降解的聚合物层102通常具有足够的医学性能以满足应用(足够强但又不会过强)，不会引发炎症或其他中毒反应，一旦降解可完全被代谢，并且可灭菌和易于加工为具有可接受的保质期的终端产品。一般来说，聚合物的降解会因为在主链或端基更大的亲水性、在主链中的水解基团间更大的反应活性、更低的结晶度、更大的孔隙度和更小的成品器件尺寸而被加速。

可使用各种不同的合成的可生物降解聚合物来形成本申请的聚合物母体102，其中该聚合物包括聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)、聚(e-己内酯)、聚二恶烷酮、聚酐、三亚甲基碳酸酯、聚(β-羟基丁酸酯)、聚(g-乙基谷氨酸)、聚(DTH亚氨基碳酸)、聚(双酚A亚氨基碳酸酯)、聚(原酸酯)、聚氰基丙烯酸酯和聚磷腈。也有很多从自然资源中获取的可生物降解的聚合物可用于形成本申请的聚合物母体，其中聚合物例如改性多糖(纤维素、几丁质、葡聚糖)或改性蛋白质(纤维蛋白、酪蛋白)。

其他材料可为酪氨酸衍生的聚碳酸酯聚(DTE-DT碳酸酯共聚物)；其中经酪氨酸(一种氨基酸)的侧基是乙酯(DTE)或者是自由的羧化物(DT)。通过改变DTE与DT的比率，材料的亲/疏平衡以及材料在生物体内的降解速率可以被控制。可以看出，随着DT含量的增加，孔隙尺寸下降，聚合物变得更加亲水和阴离子型，并且细胞更容易附着。

这些材料既可被水解(通过酯键)又可被氧化(通过醚键)。降解速率受到PEO分子重量和含量的影响，具有最高吸水速率的共聚物的降解速率最快。

这些聚合物材料102也可以被开发以使得它们在生物环境中是稳定的，而仅仅在特殊的酶环境(胞质素等)中被降解。这些材料也可包括人或动物蛋白的部分表达片段，从而该系统只在与胞质素接触时才降解。

聚合物114优选地根据待生长的组织的类型在溶液中与合适的溶剂混合，其他物质可加入到溶液中；该其它物质例如，胶原蛋白、药物、蛋白质、胜肽(peptides)、羟基磷灰石晶体(HA)和抗生素。该溶液可通过声波处理以促进组分的混合。

通过选择合适的聚合物114，生物相容性结构100可实现治疗剂、镇痛药和/或抗菌物质、生长因子、蛋白质、胜肽、药物、包括但不限于骨颗粒和羟基磷灰石的组织子部件的可控供应，并可促进生长、防止感染等。

图2概略性地示出了根据本发明一些实施例的在低分辨率下的生物相容性结构扫描电子显微镜图片。该生物可兼容结构100具有位于多孔聚合物母体上的骨颗粒116和中空内部以促进细胞生长和血液流动。在图2中，生物活性材料126位于生物相容性结构100的表面。在某些实施例中，该生物活性材料126可喷涂到生物相容性结构100的表面，和/或并入到聚合物结构102中以促进骨生长。

图3A-3C概略性地示出了根据本发明一些实施例的在高分辨率下的生物相容性结构的扫描电子显微镜图片。如图3A-3C所示，由聚氨酯聚合物和羟基磷灰石纳米粒子制成的生物相容性结构100的表面可以很粗糙，并可具有一个或多个聚合孔304。聚合孔304通常为大尺寸的。聚合孔304的尺寸可以从约0.001μm至高约达10mm。位于生物相容性结构300表面的纳米结构的羟基磷灰石308的尺寸可为约1nm-约500nm，大多数的纳米结构的羟基磷灰石308的尺寸为约2nm-约300nm。由于骨颗粒提供的层之间的空间使得生物相容性结构100的内部是半空的。孔的尺寸可同时在纳米范围(nm)和微米范围(μm)变化。

当被放置到植入部位时，病人的新组织可能会生长通过生物相容性结构的表面的孔，并生长在生物相容性结构的中空内部中。

在某些实施例中，有助于骨和组织再生的生物相容性结构100可通过以下流程进行制备：将聚合物114溶解在溶剂中以形成第一溶液。将HAP纳米粒子112添加到第一溶液中以形成第二溶液。将第二溶液应用到一表面上以在该表面上形成聚合物薄膜。第一组织形成材料在聚合物中的重量百分比约为0.5-95％。将聚合物薄膜切成多个条102。将条102堆叠并在条102中放置骨颗粒层106以形成生物兼容性结构。然后将该结构涂覆由第二溶液形成的涂层110，并将骨颗粒116添加到涂层110的表面上。

(1)将聚合物溶解在溶剂中以形成第一溶液。

在某些实施例中，将聚合物114溶解在溶剂中以形成第一溶液。聚合物114可为合成的可生物降解的聚合物、从自然资源获得的可生物降解的聚合物或者是它们的混合物。在某一实施例中，合适的合成的可生物降解的聚合物可包括聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)、聚(e-己内酯)、聚二恶烷酮、聚酐、三亚甲基碳酸酯、聚(β-羟基丁酸酯)、聚(g-乙基谷氨酸)、聚(DTH亚氨基碳酸)、聚(双酚A亚氨基碳酸酯)、聚(原酸酯)、聚氰基丙烯酸酯、聚磷腈或者是它们的混合物。在某些实施例中，从自然资源获得的可生物降解的聚合物可包括改性多糖(纤维素、几丁质、葡聚糖)、改性蛋白质(纤维蛋白、酪蛋白)或者是它们的混合物。

在某一实施例中，聚合物114是线性膨胀率为50-65％的酯类亲水性聚氨酯。聚合物114的吸水率随其组分的变化而变化，但无论如何在30％至90％之间。聚合物114具有热塑性。或者，热固性的聚合物114也可以达到同样好的效果。在某一实施例中，聚合物114可与其他聚合物混合以控制其降解速率。在某一实施例中，聚合物为具有颗粒的粉末，直径约为0.02-50mm。

溶剂可为甲醇或乙醇或聚合物使用的任何溶剂。在某一实施例中，还可以使用其他有机或无机溶剂(极性质子或非质子)。在某些实施例中，溶剂为丙酮、甲基乙基酮、硝基甲烷、正丙醇、正丁醇、异丙醇、碳酸丙烯酯、二甲基亚砜、乙腈、二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、四氢呋喃、以及二氯甲烷中的至少一种。

聚合物114均匀地分布在第一溶液中。在某一实施例中，可使用低功率加热来帮助聚合物在溶剂中的溶解。在某些实施例中，使用搅拌来加速聚合物在第一溶液中的均匀分布。在某一实施例中，在固体聚合物完全溶解在溶剂中后，第一溶液的黏度很低。

(2)将第一组织形成材料112添加到第一溶液中以形成第二溶液。

然后，将第一组织形成材料112添加到第一溶液中以形成第二溶液。在某些实施例中，第一组织形成材料112可包括羟基磷灰石(HAP)纳米粒子、磷酸三钙纳米粒子、混合的磷酸钙和碳酸钙纳米粒子、异种移植物骨颗粒、同种异体移植物骨颗粒、自体移植物骨颗粒、异质移植物骨颗粒，或者是它们的混合物。

在某一实施例中，HAP纳米粒子112尺寸范围为1-100nm。HAP纳米粒子112可由纯HAP组成，具有高度的结晶性，并由于表面上的氧官能团的存在而具有良好的分散性。

聚合物114和第一组织形成材料112均匀地分布在第一溶液中。在某些实施例中，使用声波处理来加速第二溶液中的聚合物114和第一形成组织材料112均匀化。

在第二溶液中，聚合物114相对于第一组织形成材料112的重量百分比约为20∶1至2∶1。该比例与所制备的生物相容性结构100的性质有关。生物相容性结构100的性质包括抗负载性和抗应力性、孔隙度、降解速率等。在某些实施例中，可以调节聚合物114与第一形成材料112的比例，以满足病人情况的需求，包括骨植入部位、尺寸和病人的新陈代谢速率。

在某一实施例中，第一聚合物114为聚氨酯，而第一组织形成材料112为包含HAP纳米粒子的HAP纳米粉末。添加的干HAP纳米粉末相对于添加的聚合物质干重的重量比例可根据实际使用目的而变化。

在某一实施例中，如下结合图6-7所描述的，如果干HAP粉末相对于聚氨酯干重的重量比例小于25％(即干HAP纳米粉末占干HAP纳米粉末的重量与聚合物干重之和的重量百分比约为20％)，则所制得的如下描述的聚合物薄膜102很强且很硬。如果干HAP纳米粉末相对于聚氨酯的重量百分比高于40％，则所制得的如下描述的聚合物薄膜很弱且很容易破裂。在某一实施例中，HAP纳米粒子112并不允许聚合物链之间的良好交联。因此所制得的具有高HAP纳米粒子112比例的聚合物薄膜是粉状的且很容易破裂。

(3)将第二溶液应用到一表面上以在该表面上形成聚合物薄膜。

在某一实施例中，通过将第二溶液应用到一表面并让使第二溶液干燥来形成聚合物薄膜。在某一实施例中，第二溶液可在室温(例如25℃)下干燥。在某一实施例中，通过温和地加热第二溶液以在该表面上形成聚合物薄膜，例如，在高于室温(例如25℃)并低于80℃的温度下进行加热。在某一实施例中，干燥的过程是在真空条件下进行的。在某一实施例中，该表面为特氟龙(Teflon)表面。在某一实施例中，该表面为聚四氯乙烯(PTFE)表面。在某一实施例中，第二溶液可在真空中且温和加热少于24小时下在PTFE表面上干燥以形成聚合物薄膜。聚合物薄膜的厚度可约为2-10mm。

(4)将聚合物薄膜切成多个条102。

在某些实施例中，将形成的聚合物薄膜切成多个条。这些条可为任何合适的形状和尺寸以制备出预定形状和尺寸的生物相容性结构。在某一实施例中，每个条102与其他条完全相同。在某一实施例中，每个条的长度约为0.002-50cm、宽度约为0.002-50cm且厚度约为0.001-50mm。

(5)通过条、第二溶液和第二组织形成材料形成生物相容性结构100。

在某一实施例中，生物相容性结构100由条、第二溶液和第二组织形成材料形成，形成操作如下：

(a)通过将条102堆叠起来以形成聚合物层102，并在聚合物层之间加入骨颗粒层106来构建支架。在某些实施例中，条布置在一表面上作为第一聚合物层102。然后，将骨颗粒106的第一层放置在第一聚合物层102上。然后，将第二条覆盖在第一骨颗粒层106上以形成第二聚合物层102。通过交替地布置聚合物层102和骨颗粒层106，由此构建具有预定形状和尺寸的支架。支架结构由包含HAP纳米粒子112的聚合物层102、骨颗粒层106、包含HAP纳米粒子112的聚合物层102、骨颗粒层106交替组成。在某些实施例中，设置了至少一个聚合物层102作为支架的一个最外层。为了使整个结构保持在一起，可通过例如吸移管来添加甲醇或其他聚合物溶剂以从表面上液化聚合物层102，从而在该结构干燥时，骨颗粒116可被“陷入”到聚合物层102中。骨颗粒116可部分地嵌入到聚合物层102中。在聚合物层102重新固化后，骨颗粒106与聚合物层102相连接。

(b)将第二溶液应用到支架上以形成被涂覆的支架。在某些实施例中，然后，采用液体形式的聚合物薄膜涂覆按上述方法构建的支架。在某一实施例中，在涂覆到支架上之前，第二溶液是黏性溶液。在某一实施例中，倒在支架表面的第二溶液的部分渗入到支架内部。倾倒的第二溶液在支架的表面形成涂层110，并有助于将支架的各部件保持在一起。

(c)在某一实施例中，形成操作还包括将第二组织形成材料添加到被涂覆的支架以形成生物相容性结构100。在某一实施例中，第二组织形成材料可为纳米尺寸的骨颗粒、微米尺寸的骨颗粒或者是它们的混合物。然后，该结构可在真空和温和加热下隔夜干燥以形成本申请的生物相容性结构。

生物相容性结构100可为任何形状和尺寸，从而可匹配需再生的骨缺陷的尺寸。在某一实施例中，生物相容性结构的形状为圆柱形或球形。在某一实施例中，生物相容性结构的长度约为2.5cm(1英寸)且直径约为0.1-1cm，其与需替代的骨头的尺寸匹配。

在某一实施例中，该方法还包括用等离子体处理生物相容性结构100。例如，一旦干燥后，将生物相容性结构放入玻璃瓶中存储。在氧气、氮气或氧气和氮气的混合气体中，用射频(RF)等离子体放电装置对生物相容性结构进行等离子体处理。在某一实施例中，RF等离子体处理时间约为1-3分钟。在某一实施例中，对等离子体处理的生物相容性结构100进行灭菌，并用于动物研究。等离子体处理的目的是断开聚合物的表面键。在等离子体处理后，氧原子“附着”到表面，改变该表面的表面能，从而使该表面变得更亲水且具备富氧和富氮官能团。

在某一实施例中，生物相容性结构100的制备方法进一步包括将第三组织形成材料加入到生物相容性结构100中。在某一实施例中，第三组织形成材料包括生物活性材料、生物活性细胞或它们的混合物。生物活性材料包括蛋白质、酶、生长因子、氨基酸、骨形态发生蛋白、血小板衍生的生长因子、血管内皮生长因子或者是它们的混合物。生物活性细胞包括上皮细胞、神经细胞、神经胶质细胞、星形胶质细胞、足细胞、乳腺上皮细胞、胰岛细胞、内皮细胞、间质细胞、干细胞、成骨细胞、肌细胞、横纹肌细胞、成纤维细胞、肝细胞、韧带成纤维细胞、腱成纤维细胞、软骨细胞或者是它们的混合物。

生物相容性结构100可为与植入部位相匹配的任何形状、尺寸和重量。在某一实施例中，通过手术从山羊的胫骨中移除长骨，而本申请的适合于山羊的植入部位的生物相容性结构用于山羊的骨再生。

在某一实施例中，当生物相容性结构100用于牙科应用的骨再生时，HAP纳米粒子的浓度明显高于用于其他骨再生(例如，胫骨再生)的生物相容性结构中的HAP纳米粒子的溶度。在某一实施例中，用于牙科应用的生物相容性结构可以被粉碎并形成许多高表面积的粒子。

在某一实施例中，与先制备出生物相容性结构100然后将该结构用作移植材料不同，生物相容性结构100还可就地形成。例如，将第一聚合物层空气喷射到植入部位或骨缺陷区域，然后将骨颗粒的第一层加入到聚合物层并沉积在聚合物层上。然后，将第二聚合物层空气喷射到第一骨颗粒层上，再加入骨颗粒的第二层。重复上述过程直到包括交替的聚合物层和骨颗粒层的生物相容性结构与植入部位相匹配或能模拟需替换的骨缺陷为止。

在某一实施例中，医学博士(MD)可以对病人进行三维计算机轴向断层扫描(CAT)并将结果发送给制造商，例如可通过邮件将CAT扫描文件发送给制造商。然后，制造商可构建与实际骨缺陷完美匹配的本发明的移植物。

图4示出了根据本发明一些实施例中制备生物相容性结构的一个例子。

在操作402中，将500ml甲醇加入到1L烧杯中。烧杯放置在磁力搅拌器上并且用磁力搅拌棒进行混合。然后，将80g聚氨酯114加入到烧杯中的甲醇里。通过搅拌棒混合溶液以使聚氨酯完全溶解在甲醇溶剂中并使聚氨酯114均匀地分布在溶液中。聚氨酯的混合和溶解是在室温下进行的。在某一实施例中，可对溶液加热以加速这个过程。

在操作406中，随后将20gHAP纳米粒子112(例如伯克利先进生物材料公司BerkeleyAdvancedBiomaterials，Inc.)加入到溶液中。使用声波处理以确保HAP纳米粒子112均匀地分布在溶液中。

在操作410中，用吸量管吸取10ml溶液并应用到PTFE的表面。在PTFE表面上形成溶液薄层。溶液薄层可在室温下干燥可变的时间，从而形成聚合物薄膜。或者，PTFE表面的溶液层可放在烘箱中加热或低压处理一段时间以加速聚合物薄膜的形成。在某一实施例中，加热温度可为约30-70℃，加热时间可为约2-1500分钟。在某一实施例中，可在真空环境下加热少于24小时，以使第二溶液在PTFE表面上干燥，从而形成聚合物薄膜。聚合物薄膜的厚度可以为约0.01-50mm。

在操作414中，再将聚合物薄膜切成相同的条，其长度约为0.05-20cm、宽度约为0.02-5cm、厚度约为0.01-50mm。在某一实施例中，聚合物薄膜可切成不同形状和尺寸的条。

在操作418中，将第一条放置在PTFE表面以形成第一聚合物层102。将骨颗粒106的第一层加入到第一聚合物层102的表面。将第二条放置在第一骨颗粒层106上以形成第二聚合物层102。然后第二聚合物层102表面上形成第二骨颗粒层106。通过交替地放置条和骨颗粒层，就形成了具有预定形状和尺寸的三维支架。

为了使整个结构保持在一起，例如，可通过吸移管加入甲醇或其他聚合物溶剂，以从表面上液化聚合物层102，从而当该结构干燥时，骨颗粒116可被“陷入”到聚合物层106中。骨颗粒116可部分地嵌入到聚合物层102中。在聚合物层102重新固化后，骨颗粒106与聚合物层102相连接。或者，在加入每一骨颗粒层106后，可加入甲醇或其他溶剂以将骨颗粒116陷入或嵌入到相应的聚合物层102中。

接着，将1ml甲醇/聚氨酯/HAP纳米粒子溶液加入到三维支架的表面并使该溶液干燥。因此，三维支架的表面形成涂层110。在某一实施例中，涂层110不但覆盖了三维支架的外表面，而且还渗入到三维支架内部。

进一步地，将骨颗粒116或其他合适的粒子添加到涂层110的表面上。

在操作422中，该结构在真空环境中隔夜干燥。在某一实施例中，进一步对该结构进行等离子体处理。

根据以上例子通过改变HAP的浓度可以制备一系列的生物相容性结构100。聚合物薄膜中HAP的浓度与制备的生物相容性结构100的特性密切相关。

图5A和5B示出了根据本发明一些实施例的用于测量具有不同的聚氨酯和HAP纳米粒子浓度的聚合物薄膜550的最大负载和最大应力的拉力测试系统500。在一个实施例中，使用ADMET7600EXOERT单柱、万能、机电测试仪分析复合材料的机械特性。该仪器可通过沿着聚合物薄膜的轴向拉伸聚合物薄膜进行“拉力测试”，并通过使用eP2数字控制器和计量器安全基础测试软件(GaugeSafeBasicTestingSoftware)立即产生“csv”文件。拉力测试系统500包括拉力测试结构510、数字控制器530以及选择性地包括计算机550。拉力测试结构510包括基体511、垂直固定在基体511上的柱子513、与两个正对的底部夹持件517a和517b相连接的下端部515、与两个正对的顶部夹持件519a和519b相连接的上端部521、固定在柱子513上的刻度523，以及置于柱子513中的轨道525。上端部521和下端部515中的至少一个通过链条或电缆连接至马达(未示出)，链条或电缆沿着轨道525推动/驱动上端部521。顶部夹持件519a/519b与上端部521一起以相同的速度移动。

制备并测试聚合物薄膜550。在某一实施例中，聚合物薄膜550包括各种浓度的聚氨酯和HAP纳米粒子。在一个实施例中，HAP纳米粒子在聚合物薄膜中的重量百分比分别为0％、0.5％、1％、2％、3％、5％、10％、15％、20％和30％。如上所描述的，HAP纳米粒子的重量百分比定义为用于制备聚合物薄膜的HAP纳米粒子粉末(单位为克)的重量除以用于制备聚合物薄膜550的HAP纳米粒子粉末(单位为克)和固体聚合物(单位为克)重量之和。测试的聚合物薄膜550的尺寸是预定的。在某些实施例中，聚合物薄膜550的尺寸为6cm×1.5cm×0.02cm。在某一实施例中，制备了具有相同的HAP纳米粒子浓度、不同尺寸的聚合物薄膜用于测试。

在最大负载和最大应力测试过程中，顶部夹持件521a/521b和底部夹持件517a/517b夹持在聚合物薄膜550纵向方向上的聚合物薄膜550的两端。聚合物薄膜550的尺寸和使用的力参数都输入到数字控制器530中。在某些实施例中，计算中使用的聚合物薄膜的长度为有效长度，例如，是通过刻度测量的从顶部夹持件519a/519b的底部边缘到底部夹持件517a/517b的顶部边缘之间的长度。在某些实施例中，如果夹持在顶部夹持件5191b和底部夹持件517a/b的聚合物薄膜550具有狗骨头的形状，那么用于计算的长度则为狗骨头形状的狭窄部分。当开始测试时，马达驱动上端部521和下端部515中的至少一个运动，例如驱动上端部521运动。顶部夹持件519a/519b与上端部521以相同的速度一起运动，从而以预定的速度拉动聚合物薄膜550。在某一实施例中，预定速度可为0.01-2.5mm/min。顶部夹持件519a/519b沿着轨道525以预定的速度运动从而拉动聚合物薄膜550直到聚合物薄膜550破裂。聚合物薄膜550的原始尺寸、顶部夹持件519a/519b的运动速度、聚合物薄膜550即将破裂前的速度都被记录。最大负载和最大应力被计算出来。在某些实施例中，计算是由计算机550中的处理器(未示出)执行的。最大负载是在聚合物薄膜破裂时施加到聚合物薄膜550上的拉力(牛)。最大应力(KPa)是聚合物薄膜550破裂时施加到聚合物薄膜550上的拉力除以聚合物薄膜550的横截面积(聚合物薄膜550的原始宽度乘以原始厚度)。

本申请对制备的聚合物薄膜550进行负载和应力测试。在某些实施例中，聚合物薄膜包括各种溶度的聚氨酯和HAP纳米粒子。

图6是聚合物薄膜550在二维坐标系中的负载图表，该图示出了HAP纳米粒子在聚合物薄膜中的重量百分比与聚合物薄膜的最大负载之间的函数关系。坐标系的X轴为HAP纳米粒子的重量百分比，坐标系的Y轴为聚合物薄膜的最大负载。如图6所示，测试并计算了HAP纳米粒子的含量为0％、0.5％、1％、2％、3％、5％、10％、20％和30％的聚合物薄膜550的最大负载(单位为牛)。当HAP浓度从0％增加到1％附近时，最大负载从约20牛(N)左右急剧上升到44N左右。然后，当HAP溶度从1％增加到10％左右时，最大负载下降到31N左右。接着，当HAP浓度约为20％时，最大负载再次上升到41N并在HAP浓度为30％左右时下降到38N左右。因此，负载图表具有两个峰值，分别对应HAP浓度为1％和20％左右。在某一实施例中，负载图表中，HAP浓度为20％左右处的第二峰值叫做负载峰值。

图7为聚合物薄膜550在二维坐标系中的应力图表，该图示出了HAP纳米粒子在聚合物薄膜中的重量百分比与聚合物薄膜的最大负载之间的函数关系。坐标系的X轴为HAP纳米粒子的重量百分比，坐标系的Y轴为聚合物薄膜550的最大应力。如图7所示，测试并计算了HAP纳米粒子的含量为0％、0.5％、1％、2％、3％、5％、10％、20％和30％的聚合物薄膜的最大应力(单位为KPa)。当HAP浓度从0％增加到1％左右时，最大应力从11000KPa左右增加到15000KPa左右。然后，当HAP浓度从1％增加到3％左右时，最大应力下降到13600KPa左右。接着，当HAP浓度从3％增加到20％左右时，最大应力增加到22000KPa左右。当HAP浓度进一步从20％增加到30％左右时，最大应力从22000KPa下降到20800KPa左右。因此，应力图表具有两个峰值，分别对应于HAP浓度为1％和20％。在某一实施例中，在应力图表中，HAP浓度为20％处的第二峰值叫做应力峰值。

在某些实施例中，根据上述一些列聚合物薄膜550的负载和应力图表，计算机550可用于计算聚合物薄膜550中的HAP的最优重量百分比。计算机550利用一个或多个CPU可从拉力测试结构510和数字控制器530中接收数据，执行计算软件，然后将结果呈现在显示屏上。

基于负载图表和应力图表上的结果，可通过计算机530确定聚合物薄膜550中的HAP的最优重量百分比。在某些实施例中，负载图表和应力图表都有至少两个峰值。负载图表上的第一峰值604对应于较低HAP浓度，而负载图表上的第二峰值608对应于较高HAP浓度。应力图表上的第一峰值704对应于降低HAP浓度，而应力图表上的第二峰值708对应于较高HAP浓度。负载图表上的第二峰值608被称为负载峰值608，应力图表上的第二峰值708被称为应力峰值708。提取出负载峰值608和应力峰值708的峰值数值。在该例子中，负载峰值608和应力峰值708对应的HAP重量百分比(HAP浓度)都为20％。确定负载峰值608和应力峰值708的最大值和最小值。在该例子中，最大值和最小值都为20％。最优浓度范围有上限值和下限值。上限值为最大值加第一预设值。下限值为最小值减第二预设值。第一预设值和第二预设值中的每个均可为，例如，10％、5％或0％。因此，在该例子中，聚合物薄膜中的HAP的最优浓度范围为10％-30％，优选15-％25％，更优选20％。

在另一个例子中，负载峰值608和应力峰值708的值不相同。例如，负载峰值可为17.5％，应力峰值可为22.5％。相应地，最大值则为22.5％，最小值则为17.5％。当第一和第二预设值为约10％，优选5％，更优选0％时，在聚合物薄膜中的HAP重量百分比的最优浓度范围为7.5％-32.5％，优选12.5％-27.5％，更优选17.5％-22.5％。在其他实施例中，第一和第二预设值具有不同的值。

在某些实施例中，根据图6和7所示的结果，含HAP浓度为20％的聚合物薄膜显示了良好的结构稳定性和强度。

在某些实施例中，根据本申请制备生物相容性结构100以用于动物和/或人治疗。在某一实施例中，从山羊的胫骨中手术移除长骨。为了实现这些山羊的长骨再生，使用了重量约为1.0-2.5克(g)的生物相容性结构。例如，重量分别为2.39g、2.34g、2.11g、1.86g、2.135g、2.18g、1.55g、2.5g、1.22g和1.69g的10个移植物被用来生长胫骨被移除的山羊的长骨。对于上述10个例子，上述生物相容性结构可使用4.52g聚合物(聚氨酯)、0.45gHAP纳米粒子和15g骨颗粒来制备。

使用本申请实施例提供的生物相容性结构100的骨生长具有成熟性和完整性。

本申请的以上示例性的实施例的上述描述只是用来说明和描述，并未企图穷尽所有或将申请限制为所公开的具体形式。在上述教导下，还可以有很多修改和变形。

选择和描述的实施例是用来解释本申请的原理及其实际应用以使本领域技术人员实施本申请和各种实施例以及通过各种修改以适用于各种预期的用途的。在不脱离本申请精神和范围的情况下，替代实施例对于本申请所属技术领域的技术人员来说是显而易见的。因此，本申请的范围是由其权利要求确定的，而不是以上说明书及其中的示例性实施例。

Claims (25)

1.一种制备用于骨再生和组织再生的生物相容性结构的方法，其特征在于，包括：

将聚合物溶解在溶剂中以形成第一溶液；

将第一组织形成纳米粒子添加到所述第一溶液中以形成第二溶液；其中，所述第一组织形成纳米粒子在所述聚合物中的重量百分比为0.01-95％；

将所述第二溶液应用到一表面上以在所述表面上形成聚合物薄膜；其中，所述第一组织形成纳米粒子分散在所述聚合物薄膜中；

将所述聚合物薄膜分多个条；以及

通过所述条、所述第二溶液和第二组织形成粒子形成层状的生物相容性结构；其中，所述第二组织形成粒子设置于两个所述条之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括对所述第一溶液进行搅拌以使所述聚合物均匀地分布在所述第一溶液中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括对所述第二溶液使用声波处理，以使所述聚合物和所述第一组织形成纳米粒子均匀地分布在所述第二溶液中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对在所述表面上的第二溶液进行干燥以在所述表面上形成聚合物薄膜。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述层状的生物兼容性结构的步骤包括：

通过将所述条堆叠起来以形成聚合物层，并在所述聚合物层之间添加骨颗粒或复合颗粒来构建支架；

将所述第二溶液应用到所述支架上以形成被涂覆的支架；以及

将所述第二组织形成粒子添加到被涂覆的支架上以形成生物相容性结构。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述支架通过交替地堆叠所述条和所述骨颗粒层而形成。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在将所述第二组织形成粒子添加到被涂覆的支架后，还包括对所述被涂覆的支架进行等离子处理。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一组织形成纳米粒子在所述聚合物中的重量百分比为约20％。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物包括合成的可生物降解的聚合物、从自然资源获得的可生物降解的聚合物，或者二者的混合物；

所述合成的可生物降解的聚合物包括聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)、聚(e-己内酯)、聚二恶烷酮、聚酐、三亚甲基碳酸酯、聚(β-羟基丁酸酯)、聚(g-乙基谷氨酸)、聚(DTH亚氨基碳酸)、聚(双酚A亚氨基碳酸酯)、聚(原酸酯)、聚氰基丙烯酸酯、聚磷腈，或者是它们的混合物；以及

所述从自然资源获得的可生物降解的聚合物包括改性多糖、改性蛋白质，或者二者的混合物。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一组织形成纳米粒子包括羟基磷灰石纳米粒子、磷酸三钙纳米粒子、混合的磷酸钙和碳酸钙纳米粒子、异种移植物骨颗粒、同种异体移植物骨颗粒、自体移植物骨颗粒、异质移植物骨颗粒，或者它们的混合物。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面为聚四氯乙烯(PTFE)表面。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二组织形成粒子为纳米尺寸的骨颗粒、微米尺寸的骨颗粒，或者是二者的混合物。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将第三组织形成材料加入到所述生物相容性结构中；

其中，所述第三组织形成材料包括生物活性材料、生物活性细胞，或二者的混合物；

其中所述生物活性材料包括蛋白质、酶、生长因子、氨基酸、骨形态发生蛋白、血小板衍生的生长因子、血管内皮生长因子，或者它们的混合物；以及

其中，所述生物活性细胞包括上皮细胞、神经细胞、神经胶质细胞、星形胶质细胞、足细胞、乳腺上皮细胞、胰岛细胞、内皮细胞、间质细胞、干细胞、成骨细胞、肌细胞、横纹肌细胞、成纤维细胞、肝细胞、韧带成纤维细胞、腱成纤维细胞、软骨细胞，或者它们的混合物。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物相容性结构的形状与植入部位的形状相匹配。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述条的长度为约0.005-50cm，宽度为约0.002-50cm，且厚度为约0.001-50mm；所述生物相容性结构的形状为圆柱形或球形。

16.一种生物相容性结构，其特征在于，包括：

多个相互堆叠的聚合物层以具有预定形状；其中，每一所述聚合物层均由聚合物和第一组织形成纳米粒子所形成，且所述第一组织形成纳米粒子在所述聚合物中的重量百分比为0.5-95％；

多个骨颗粒层，设置于每两个相邻的聚合物层之间；

涂层，包围所述多个聚合物层和骨颗粒层；以及

多个骨颗粒，附着到所述涂层的外表面上。

17.根据权利要求16所述的生物相容性结构，其特征在于，所述第一组织形成纳米粒子在所述聚合物薄膜中的重量百分比为约25％。

18.根据权利要求16所述的生物相容性结构，其特征在于，所述聚合物包括合成的可生物降解的聚合物、从自然资源获得的可生物降解的聚合物，或者二者的混合物；

所述合成的可生物降解的聚合物包括聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)、聚(e-己内酯)、聚二恶烷酮、聚酐、三亚甲基碳酸酯、聚(β-羟基丁酸酯)、聚(g-乙基谷氨酸)、聚(DTH亚氨基碳酸)、聚(双酚A亚氨基碳酸酯)、聚(原酸酯)、聚氰基丙烯酸酯、聚磷腈，或者是它们的混合物；以及

所述从自然资源获得的可生物降解的聚合物包括改性多糖、改性蛋白质，或者二者的混合物。

19.根据权利要求16所述的生物相容性结构，其特征在于，所述第一组织形成纳米粒子包括羟基磷灰石(HAP)纳米粒子、磷酸三钙纳米粒子、混合的磷酸钙和碳酸钙纳米粒子、异种移植物骨颗粒、同种异体移植物骨颗粒、自体移植物骨颗粒、异质移植物骨颗粒，或者是它们的混合物。

20.根据权利要求16所述的生物相容性结构，其特征在于，所述第二组织形成粒子为纳米尺寸的骨颗粒、微米尺寸的骨颗粒，或者是二者的混合物。

21.根据权利要求16所述的生物相容性结构，其特征在于，还包括第三组织形成材料；

其中，所述第三组织形成材料包括生物活性材料、生物活性细胞，或二者的混合物；

其中所述生物活性材料包括蛋白质、酶、生长因子、氨基酸、骨形态发生蛋白、血小板衍生的生长因子、血管内皮生长因子，或者它们的混合物；以及

其中，所述生物活性细胞包括上皮细胞、神经细胞、神经胶质细胞、星形胶质细胞、足细胞、乳腺上皮细胞、胰岛细胞、内皮细胞、间质细胞、干细胞、成骨细胞、肌细胞、横纹肌细胞、成纤维细胞、肝细胞、韧带成纤维细胞、腱成纤维细胞、软骨细胞，或者它们的混合物。

22.根据权利要求16所述的生物相容性结构，其特征在于，所述生物相容性结构的形状与植入部位的形状相匹配。

23.根据权利要求16所述的生物相容性结构，其特征在于，至少一个所述聚合物层长度为约0.05-200cm，宽度为约0.02-50cm，厚度为约0.01-500mm；所述生物相容性结构的形状为圆柱形或球形。

24.根据权利要求16所述的生物相容性结构，其特征在于，对所述生物相容性结构进行等离子处理。

25.一种用于治疗骨缺陷的方法，其特征在于，包括将生物相容性结构应用于植入手术部位；

其中，所述生物相容性结构包括：

多个相互堆叠的聚合物层以具有预定形状；其中，每一所述聚合物层均由聚合物和第一组织形成纳米粒子所形成；

多个骨颗粒层，设置于每两个相邻的聚合物层之间；

涂层，包围所述多个聚合物层和骨颗粒层；以及

多个骨颗粒，附着到所述涂层的外表面上；以及

其中，所述预定形状配置为与所述植入手术部位相匹配；所述第一组织形成纳米粒子在所述聚合物中的重量百分比为0.05-95％，以使所述生物相容性结构的吸收率大体上与所述生物相容性结构内的组织再生率相适配。