CN105561392A

CN105561392A - 生物衍生角胎骨质新材料及其应用

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Publication number: CN105561392A
Application number: CN201610033807.4A
Authority: CN
Inventors: 郭琛琨; 郭毅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2016-05-11

Abstract

本发明提供了一种生物衍生角胎骨质新材料，属于骨科移植材料领域。该生物衍生角胎骨质新材料的制备方法包括：取断血后的哺乳纲偶蹄目牛科种类的角胎骨，去膜后常温保存22-26个月；将常温保存后的角胎骨进行脱脂、脱蛋白以及去抗原处理后，加工成骨缺损或者内固定用所需形状，即得生物衍生角胎骨质新材料。该新材料的理化性质和生物性质与人体松质骨极其相似，具有良好的组织相容性、良好的天然生物微环境、生物力学微环境、血管快生微环境和孔隙管腔微环境；低抗原性、较强物理支持性、机械强度、韧性等优点。并具有来源丰富、价格低廉、性质稳定、易消毒、宜贮运的优点，可以作为较理想的骨科直接移植或者固定材料并应用于骨科移植中。

Description

生物衍生角胎骨质新材料及其应用

技术领域

本发明涉及骨科移植材料领域，即一种生物衍生角胎骨质新材料及其应用。

背景技术

几个世纪以来，用骨移植对创伤、感染和先天造成的骨缺损、缺陷进行治疗是常用方法，并取得了良好的效果。但是承重骨大片块和长节段骨缺损大范围临床应用仍未得到满意解决。

自体骨是目前常采用的疗法，但是供体的有限性限制了其广范应用，而且增加患者的痛苦。异体骨具有抗原性，特别是在植体较大时，因异体骨存在无多孔网状结构、中心缺血、新生骨偏小、疾病传播、免疫排斥以及伦理等问题，因此其应用也受到了严重的限制。另外，异种骨虽然来源丰富，塑型好、价格低廉、也无伦理问题，但是，其存在无多孔网状结构，仍有抗原性和机械强度差等缺陷。

异种松质骨(牛、猪)用其作为复合骨要素的载体，如重组合异种骨(RBX)具有天然多孔网状结构，有利于细胞富集、粘附、分化、增殖，利于破骨细胞吸收等优点；例如，将块状RBX修复桡骨20mm缺损，术后6个月组织形态观察，在新骨组织形成、改建、成熟的同时，RBX被破骨细胞吸收，最终被新骨替代，显示了较强的成骨效应，相对而言是目前较理想的骨替代材料。但是，RBX主要用作填充小缺损、小节段(2.0cm内)承重骨的缺损或缺陷的修复。而将其用作大片块和长节段承重骨缺损修复材料就不具备应有的机械强度和基本的力学刚度，且来源有限，不能规模化产业化批量生产，仍不能解决大范围临床应用骨源紧张的难题。

本发明人郭琛琨、郭毅用天然水牛角夹修复骨缺损30例获得成功，平均随访13.5年，组织相容性好。其中，修复颅骨缺损大片块(84cm²)长节段肱骨缺损植入天然水牛角夹柱2.5cm，股骨8.0cm，分别随访20个月至45年，43年患者全身、局部均无不良反应，肢体功能正常。但最大缺点是植入角夹不降解或降解缓慢，病人有体内存留异物感的心理阴影。

为克服用自体骨、异体骨、异种骨修复承重骨大片块和长节段骨缺损存在的种种问题，人们一直想通过合成途径制得理想的人工骨移植材料。经多年的研究，在生物相容性、生物活性、生物可降解性及与宿主骨的力学匹配性和使用寿命等方面都有各自的缺点和不足，不能参与人体的新陈代谢，长期效果往往不尽如人意。

近30年来，随着组织工程学的建立和发展，为解决这一难题提供新途径，在大型哺乳动物实验或临床少量“个体化”应用都取得了令人振奋的效果。但现有组织工程骨核心部分要素即支架材料特殊性来看，尚存在不少问题，单独一种材料均不能有效解决上述相关问题：如生物来源的脱蛋白骨基质、脱钙骨基质虽然孔隙和诱导性很好，但机械强度低。

天然高分子衍生材料包括胶原、纤维蛋白、几丁质和藻酸盐等，这些聚合物相容性好、具有细胞识别信号，利于细胞粘附、增殖和分化，但很难进行大规模生产、不同批号和产品质量差异很大、材料的机械强度和降解速度很难控制。

人工合成的高聚合物如PLA、PGA及其共聚物(PLGA)等，不具有诱导作用，亲水性差，无菌炎症、机械强度偏低。生物陶瓷类材料，以HA(羟基磷灰石)、TCP(磷酸三钙)、BGC、HA/TCP(羟基磷灰石与磷酸三钙)类骨为组织工程中常用的细胞外基质，其存在疲劳强度低，刚性大，脆性大，抗折及抗冲击性远不能满足高负荷人工骨的机械强度要求，使之很难加工成型或钻孔固定，且各种陶瓷由于化学组成和构型的不同而降解和生物活性迥异，远不能负荷机械强度要求。天然珊瑚类衍生材料，机械强度差，脆性大，无诱导作用，体内降解慢，单独使用效果不好。

此外，由于现有技术中单一类型材料难以满足骨组织工程用细胞外基质材料的要求，学者们还通过合适的方法将几种单一材料组合成有机和无机复合型材料。如将HA与共聚物(PLGA50：50)组成多孔复合基质材料。将HA/TCP复合制成承重骨支架，其相应的机械强度得到显著增强，且具有骨诱导性，可以达到松质骨需要的最高的压缩强度；但是机械强度差，大块中心缺血其愈合过程缓慢，缺乏生物活性。

总而言之，目前组织工程要素材料支架研究中，可用材料分为天然生物衍生材料和人工合成材料两大类，但至今没有一种完全符合要求，均存在材料的强度不适宜、多孔性较差、降解速度缓慢、加工塑型难、产物表面性能差或来源紧缺等缺陷，很难满足解决大片块、长节段承重骨缺损或超临界骨缺损修复的技术难题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种生物衍生角胎骨质新材料，该新材料的理化性质和生物性质与人体松质骨极其相似，具有良好的组织相容性、具有大片块和长节段天然多孔三维立体结构、良好天然生物微环境、生物力学微环境和血管快生微环境、“空白”孔隙管腔微环境；低抗原性、骨传导性、诱导性和生物降解性；同时还具有较强物理支撑性、机械强度、韧性等诸多优点，而且还具有来源丰富、价格低廉、性质稳定、易消毒、宜贮运的优点，可以作为非常理想的各种骨缺损直接骨移植材料或者固定材料。尤其是用作大片块(6×6—10×10cm²)、长节段(长5—15cm、直径2.5—3.0cm)承重骨缺损的修复材料。(简称：修复承重大长骨缺损)

本发明的第二目的在于提供上述生物衍生角胎骨质新材料的用途。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种生物衍生角胎骨质新材料，其制备方法包括：

1)取断血后的哺乳纲偶蹄目牛科种类的角胎骨，去膜后常温保存22-26个月；

2)将常温保存后的角胎骨进行脱脂、脱蛋白以及去抗原处理后，加工成骨缺损或者内固定用所需形状，即得生物衍生角胎骨质新材料(或天然特异松质骨细胞外基质，简称天特松质骨或角胎骨)。

本发明提供的这种生物衍生角胎骨质新材料，其理化性质和生物性质与人体松质骨极其相似，具有良好的组织相容性、良好天然生物活性微环境、力学强度微环境和血管快生微环境、“空白”孔隙管腔微环境、低抗原性、骨传导性、诱导性和生物降解性；同时还具有大片块和长节段天然多孔三维立体结构、较强物理支撑性、机械强度、韧性等特性，集现有各种骨移植材料、复合材料的“要素”材料优点于一身，并克服它们共同存在的种种问题，将其加工用作单纯直接植入修复承重骨、非承重骨不同部位、形状、尺寸和强度的骨(软骨)缺损，并变更现有各种复合骨、重组合异种骨和组织工程骨的“要素”，可重组和新建各种承重骨，如承重组织工程骨、承重异种骨、承重纳米骨、生物承重3D打印骨、承重抗感染骨系列和构建复合承重骨系列及颅、颌。面、眶等特殊骨(软骨)和部分骨假体以及可吸收内固定器等，用其修复承重骨、非承重骨大小片块和长短节段骨(软骨)缺损及假体置换等，并可通过建立角胎骨基质库以缓解临床应用骨源紧张。

可选的，在步骤1)中，具体包括：

取断血后5-7小时的哺乳纲偶蹄目牛科种类的角胎骨，去膜后常温保存22-26个月。

在该步骤中，取断血5-7小时后的角胎骨，由于其较为新鲜，结构形态好，保证了良好的机械强度。去膜并在常温保存22-36个月后，其残存的血细胞会大量死亡，进而也在不降低其机械强度的情况下，实现了类似去抗原处理的效果。

可选的，在步骤1)中：

所述的哺乳纲偶蹄目牛科种类包括：水牛、黄牛、牦牛、山羊、绵羊或角马。

上述所举种类的角胎骨其来源方便，而且理化结构和性质非常符合作为骨移植材料的需求。

可选的，所述生物衍生角胎骨质新材料为段状，且其长度为5-15cm，直径为2.5-3.0cm。

可选的，所述生物衍生角胎骨质新材料为6-10cm×6-10cm的片状。

所述的生物衍生角胎骨质新材料在作为修复承重骨、非承重骨的长节段或大片块和较小节段、片块直接移植材料中的应用。

所述的生物衍生角胎骨质新材料在作为关节面融合直接移植材料中的应用。

所述的生物衍生角胎骨质新材料在作为颅、面、颌、眶、鼻、耳廓缺损/缺陷直接移植材料中的应用。

所述的生物衍生角胎骨质新材料在作为负重松质组织工程骨种子细胞种植的支架、负重松质异种骨生长因子的载体、负重纳米骨的模板、负重生物3D打印骨的原料、负重松质复合广谱抗生素或抗结核杆菌抗生素的基质材的应用。

所述的生物衍生角胎骨质新材料，在作为口腔种植牙种植体的应用。

所述生物衍生角胎骨质新材料在作为内固定器：骨钉、骨螺钉、圆柱、三棱柱、平台阶圆柱、接骨板(条板形、三角形)、半筒形、骨夹板、骨栓材料的应用。

所述生物衍生角胎骨新材料中软骨样角尖在作为软骨缺损/缺陷直接移植的应用或为软骨组织工程种子细胞种植的支架的应用。

所述生物衍生角胎骨新材料在作为原位组织工程种植患者自体间质干细胞体内构建原位组织工程骨，修复大片块、长节段骨缺损的应用。

所述生物衍生角胎骨质新材料在作为变更现有复合骨或复合材料的核心要素，重组或新建负重松质复合角胎骨的应用。

所述的生物衍生角胎骨质新材料在作为关节直接移植融合材料、组织工程骨的支架材料、承重生物纳米骨和承重生物3D打印骨的模板或原料、复合广谱抗生素或复合抗结核杆菌药重组承重抗感染骨材料、假体材料、软骨材料、内固定器材料以及重组/扩建复合骨核心要素(5：1重量比)材料中的应用。所述的生物衍生角胎骨质新材料作为原位组织工程骨骨髓间质干细胞的支架，体内构建组织工程骨的应用，修复大片块骨缺损和长节段承重骨缺损。

与现有技术相比，本发明有益效果为：

(1)、具有大片块和长节段天然多孔三维立体结构。

(2)、具有良好天然生物微环境、生物力学微环境、血管快生微环境和“空白”孔隙管腔微环境。

(3)、具有良好的组织相容性：低抗原性、骨传导性、诱导性和良好的生物降解性。

(4)、具有良好的生物力学性能：较强物理支持性和机械强度，同时有韧性，塑性好利于塑型、抽纹钻孔，易于术中改形修整。

(5)、具有来源丰富、价格低廉、性质稳定、易消毒、宜贮运，适宜大范围临床应用外科植入材料，并为缓解骨源紧张开辟新资源、新途径，增加材料新品种。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明提供的角胎骨的X线影像图；

其中，1为水牛角胎、纤维胎段，2山羊、牦牛、黄牛角胎以及山羊纤维胎段

图2为本发明实施例1提供的水牛角夹、角胎材料的剖面图；

图3为本发明实施例1提供水牛角纤维段胎的X(CR)摄影图；

图4为本发明实施例1提供水牛角纤维段胎材料的纵剖图；

图5为本发明实施例1提供的水牛角胎材料尖段横切图；

图6为本发明实施例1提供的水牛角胎底段材料纵剖图；

图7为本发明实施例1提供的水牛角胎材料底段横剖图；

图8为本发明实施例1提供的水牛角胎材料尖段形态约占10％为软骨样(新鲜时)结构图；

图9为将本发明实施例1提供的水牛角胎材料试件经过处理后的结构形态图；

图10为本发明实施例1提供的水牛角胎材料在90倍光学显微镜下的观测图；

图11为本发明实施例1提供的水牛角胎材料在120倍光学显微镜下的观测图；

图12为本发明实施例1提供的水牛角胎材料在180倍光学显微镜下的观测图；

图13为本发明实施例1提供的水牛角胎材料在120倍光学显微镜下可见钟乳石状骨质突起的观测图；

图14为本发明实施例1提供的水牛角胎材料扫描电镜图；

图15为本发明实施例1提供的水牛角胎材料植入宿主8周后的形态图；

图16为本发明实施例1提供的水牛角胎材料植入宿主16周后的形态图；

图17为本发明实施例1提供的水牛角胎材料植入宿主24周后的形态图；

图18为本发明实施例1提供的水牛角胎材料植入后愈合区域横切面图；

图19为本发明实施例1提供的水牛角胎材料植入宿主24周后形成骨髓腔的观测图；

图20为实施例1提供的水牛角胎材料直接植入宿主24周后X线片显示缺损部位骨管光滑，骨髓腔贯通的观测图；

图21为宿主未植入水牛角胎材料经过24周后的对照图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本发明提供的这种生物衍生角胎骨质新材料，其按照以下制备方法获得：

S11：取断血5-7小时后水牛的角胎骨，去膜(角胎膜，俗称残肉)后常温保存24个月；

S12：将常温保存后的角胎骨进行脱脂、脱蛋白以及去抗原处理后，加工成骨缺损或者内固定用所需形状，即得。

实施例2

S21：取断血5-7小时后黄牛的角胎骨，去膜(角胎膜)后常温保存22个月；

S22：将常温保存后的角胎骨进行脱脂、脱蛋白以及去抗原处理后，加工成骨缺损或者内固定用所需形状，即得。

实施例3

S31：取断血6小时后山牛的角胎骨，去膜(角胎膜)，后常温保存26个月；

S32：将常温保存后的角胎骨进行脱脂、脱蛋白以及去抗原处理后，加工成骨缺损或者内固定用所需形状，即得。

水牛角胎套生于水牛角夹腔内，是起源于水牛颅骨外板层的演化物质，质硬有腥味，似圆锥三角形微弯、壁为纵向排列复孔三维结构，大体分为基底段、中段和尖段。

另外，对本发明实施例1提供的新材料，进行以下实验检测：

1、有机成分检测

GB/T18246-2000检测氨基酸，用GA/T5511检测蛋白，结果见表1。

表1水牛角胎材料氨基酸含量

氨基酸	含量w％	氨基酸	含量w％
				天门氨酸	1.45	异亮氨酸	0.38
苏氨酸	0.52	亮氨酸	0.84
				丝氨酸	0.74	络氨酸	0.21
谷氨酸	3.28	苯丙氨酸	0.55
				干氨酸	5.46	赖氨酸	0.91
丙氨酸	2.11	组氨酸	0.12
				胱氨酸	0.07	精氨酸	2.06
缬氨酸	0.72	脯氨酸	3.10
				蛋氨酸	0	总量	22.52

2、无机成分检测

用ICP-AES等离子发射光谱法检测，结果见表2。

表2水牛角胎材料无机成分含量

3、比表面积(BET.S.A)、总孔体积(T.P.V)以及平均孔径(A.P.O)检测

用美国MCRK公司ASAP2000高速比表面积孔隙率分析仪检测，结果见表3。

表3水牛角胎材料物理性状

物理性状	单位	分析结果
			比表面积	M²/g	0.35
总孔体积	ml/g	0.0031
			平均孔径	nm	0.355

4、弹性模量

采用基低段或者中段壁制成的方柱形试件(7×7×80mm)30条，试件长轴与其纤维束排列方向一致，表观孔隙密度基本相同。随机分为3组，每组为10条(n＝10)，用氯仿-甲醇1：1浸渍48小时，再用30％双氧水浸渍，时间分别为0小时(对照组)，24小时(1组)和48小时(2组)；处理后，分别用电测法进行检测，即在试件表面粘黏电阻应变计(BX120-3AA)连接静态电阻应变仪(RXJ-X4)，用材料试验机逐级拉升加载，同时测出应变值，与载荷-变形曲线上选取初始部分线性良好的区段，经线性回归分析得出结果。结果请参考表4。

表4水牛角胎材料弹性模量E检测结果

5、抗压强度检测

试件为7×7×15mm，取材以及材料处理方法与上述弹性模量测定方法中一致，采用德国3T万能材料试验机，对试件直接加压测定，结果请参考表5。

表5水牛角胎的抗压强度σbc的测定结果

组别(n＝10)	抗压强度σbc MPa
		对照组	91.01±16.76
1组	55.05±15.48
		2组	53.09±11.83

注1组、2组与对照组相比P＜0.001，1组和2组间P＞0.05

通过以上数据可知，天然水牛角胎经过处理之后，其组成成分和大部分理化性质参数与人体松质骨相似，其生物微环境和力学微环境有利于移植后成骨，也利于内源性骨形态发生蛋白(BMP)和各种生长因子的弥散、富集；可促进血管快速长入，营养物交换形成良好运血，便于生骨细胞附着，传导和延伸。同时，其具有较大的内部空间和表面积，能够容纳较多量的细胞核细胞外基质，具有生物化学槽的功能，其机械性能强度大，非常适于修复大片块长节段承重骨，是一种非常优良的骨移植材料。

6、抗弯曲破断力的检测

表6水牛角胎A处理与B处理手术侧的生物力学实验结果的t检验

通过表6可以看出，生物力学检验抗弯曲破断力的结果经t检验两组材料的平均抗弯曲破断力无显著差异。

7、水牛角胎、角鞘和角胎膜中骨形态发生蛋白(BMP)的分离纯化

表7.蛋白质提取物中的低分子量电泳区带的分子量

样品	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
									1、幼水牛角胎	73000	47300	37000	20700	18200
2、成牛水牛角胎	73000	47300	37000	22500	18200
									3、成年水牛陈旧角胎	73000		33600
4、成年水牛角鞘	8000		31000		18200
									5、幼水牛角鞘	8000		26000		18200
6、水牛角胎膜	8000				18200		13400	9700

从表7中可见，1、2、4、5、6号样品中都有19k-20.7k这个属于BMP分子量范围的蛋白质。3号样品中未见该区带，这可能是陈旧角胎中BMP变性分解的缘故。

本发明实施例1提供的新材料植入宿主(动物实验)后结合图15-21发现，达到了以下技术效果并显示了技术特性。

(1)、具有大片块和长节段天然矿化胶原纤维(束)多孔三维立体结构

水牛角胎体积较传统水牛角胎明显偏大(大片块约8×8cm²、壁厚平均约0.8cm)整体长达40cm，表面积约242cm²。其中约占1/5为异生纤维段胎结构(角胎整体或节段均为纤维结构)，多数长15cm左右，直径2.5-3.0cm左右，少数长26cm左右，直径1.9-6.0cm；还有少数角胎尖端约占1/10为软骨(湿)样结构。面积83.68cm²。

(2)、具有良好天然生物微环境、力学强度微环境、血管快生微环境和“空白”孔隙管腔微环境(四好微环境)

水牛角胎比表面积(m²/g)为0.35、总孔体积(ml/g)为0.0031、平均孔径(nm)为0.355。壁层纤维段均为多孔三维立体结构，大孔壁中有小孔，孔隙率约60％-80％左右(因节段不同有区别)，纤维束呈纵向交叉沿着主应力方向排列，衍生后管腔系统和血管穿孔依然存在，有利于细胞和生物活性物质或生长因子弥散、富集、粘附和分化、增殖、正常表型表达，有利于血管快生，并为细胞外基质分泌提供宽大的内部空间及表面积，为新生组织提供支撑(可参考图14)。

(3)、良好的组织相容性

将衍生水牛角胎(下称植入物)12mm植入动物体内后，经组织学、放射学观察，术后两周大量结缔组织由植入物两端向中部延伸，4周新生骨组织从两端长入约2-3mm，术后8周骨组织从近端向远端长入更多，但从近端长入较远端多，植入物明显降解，16周与宿主骨紧密结合，肉眼可见血管生成，24周新生骨组织完全替代植入物，骨管光滑、髓腔贯通，40例均完全愈合。既未见植入物对宿主系统产生不良反应(如炎症、细胞毒性、过敏、畸形和免疫反应)，也未见宿主生物环境对植入物产生不良反应如腐蚀、磨损、退化甚至破坏(可参考图15-图21)。

(4)、具有低抗原性

本发明水牛、黄牛、牦牛、山羊、绵羊角胎系列发育与同原细胞、组织形态结构大体相同，是颅骨外板衍生物。在新鲜时(断血后5-7h)除去外膜表面有微孔密布，浅沟散发，腔内外、纤维间隙未见任何液体、血迹、髓质和明显的软组织，白色光滑(“空白”)，仅见腔内隔板表面布一极薄透明膜和微血管穿孔内血管残壁，即未见产生抗原的物质。对植入动物体内12mm衍生水牛角胎骨经多次免疫检测，包括T淋巴细胞转化率和血清特异性抗体IgG产生水平与对照组相比，均未见受体对植入物产生显著的特异性细胞和体液免疫反应(p＞0.05)。

(5)、具有骨传导性、诱导性和良好的生物降解性

由于骨组织结构在不同种属间存在高度同源性，异种骨植入体内后易于被宿主组织细胞接近而爬行替代，显示了良好的生物降解性。衍生水牛角胎骨基质(含有BMP的载体)植入12mm于动物体内后，术后2周植入物被血肿包裹，少量结缔组织从破损处两端向植入物的中部延伸，术后4周植入角胎被白色结缔组织包裹新生骨组织从两端长入2-3mm，术后8周骨组织从近端、远端长入更多，但近端长入的较远端多。植入物已与宿主骨紧密结合并有明显降解现象(见图15)，术后16周植入物与宿主骨结合牢固，肉眼可见植入物的缝隙中有小血管穿入(见图16)，术后24周组织学和形态学观察植入物，增值部分被破骨细胞吸收、分解和搬运，骨管光滑、髓腔贯通，在新骨形成、改建、成熟过程中，显示衍生水牛角胎骨具有优越的骨传导性、骨诱导性，血管快生性，良好的生物降解性和良好的成骨效应(可参考本实验检测6和图15-图21)

(6)、具有较强物理支持性和机械强度

衍生水牛角胎骨力学检测结果表明韧性好，模量高、强度大；弹性模量E，对照组(0h)、1组(24h)、2组(48h)分别为14.08Gpa、12.58Gpa、12.19Gpa；抗压强度(óbc)分别为91.01Mpa、55.05Mpa、53.09Mpa；动物试验抗弯曲破断力，实验组为70.10±14.90、对照组为74.40±28.92。经检验，两组力学试验平均抗弯曲破断力结果无显著差异，显示有韧性、较强的机械强度和基本力学刚度(具体见本发明实施例1的新材料试验检测1-6)。

(7)、韧性好，利于塑形、抽纹钻孔，易于术中改形修正

本发明衍生角胎骨系列、基本结构单元为矿化胶原纤维(束)其理化性质、生物性质和松质骨相同，但形态结构形式、密度、尺寸和强度不完全相同，但便于制造多样形状、大小不同移植材料或产品如注射式浆液、散布式粉剂、填充式的颗粒、嵌合(插入)式的片块和连接式的管状、柱状及置换部分骨骼假体如颅、面、眶、鼻、耳廓等特状骨、软骨假体以及内固定器，还易于术中小改形和修整，以适应于骨缺损形状、大小、强度和部位的多样性和临床实施病例个体化特点的需要，具有较强的实用性(可参考图1-9)。

其中，图2为水牛角剖面，左侧为角夹(鞘)灰黑色；右侧为套生于角夹内的角胎(腮)灰白色，由图可知，其表面满布浅沟及微孔；图3为水牛角胎X(CR)摄影图，通过图3可知，角胎腔内纤维段隔板，尖端纤维呈密网状结构；图4为角胎纵剖面，由该图可见，角胎腔内纤维段隔板及纤维束轴向排列分布，尖段较松；图5为角胎尖段横切面，通过该图可知，该尖段的纤维段径，纤维(束)径不同，纤维间隙不同、纤维密度不同；在图6中，角胎近端有纵、横、斜不全隔板与角胎壁层紧密相接为一体，角胎腔内表面光滑，附有极薄白膜；在图7中，角胎近端腔内有纵横、斜不全隔板与角胎壁层紧密相接全隔板，壁层厚度不一(最厚达0.8—1.2cm与年龄有关)、密度不均并有微孔通达表面，在图8中，显示出水牛角胎尖端约占1/10头(10％只)为软骨(湿)样结构；在图9中，示出了部分试件经处理后呈雪白颜色。

此外，在图10中，角胎横断面可见多孔海绵状结构；在图11中，角胎孔洞中可见钟乳石状骨质突起；在图12中，角胎胎孔洞中可见钟乳石状骨质突起(放大)；在图13中，角胎胎孔洞中可见钟乳石状骨质突起(另一角度观)；在图14中，水牛角胎扫描电镜示，该角胎有纵向板层中空结构，类似海绵状或蜂窝状，其空腔部分相互贯通。

(8)、本发明新材料来源广泛，制备方便，性质稳定，易消毒易贮运，适宜用作修复重大长、较小短和颅、面、颌、眶、鼻、耳廓等特状骨、软骨缺损、缺陷，大范围临床应用。可规范化产业化批量生产各种承重松质材料或承重松质骨。包括机械化生产，纳米技术生产、3D打印技术生产直接移植材料；组织工程骨种子细胞支架；重组合异种骨细胞因子的载体；抗感染骨复合抗生素的缓释剂；替代现有各种复合材料或复合骨的核心要素。既可改善这些复合材料生物力学性能，发挥最佳成骨效果，又能增强这些复合材料物理机械强度，弥补现有材料修复重大长骨缺损技术难题，还可解除阻碍骨组织工程研究快速发展的瓶颈，缓解市场骨源紧张的现状。

综上所述，本发明角胎骨(天特松骨基质)基本结构单元为矿化胶原纤维(束)禁锢有BMP形态结构，理化参数性质属于松质骨优于松质骨；集中表明为天然组合有机物、无机物含有BMP复合型材料。从宏观上看，体积大、韧性好、模量高、强度大。提供修复重大、长骨缺损必要的技术特征—物质基础。

从微观上看，具有生物活性微环境、血管快生微环境、力学强度微环境和孔隙管腔“空白”微环境(4好微环境)；植入体内后可起到骨传导、骨诱导、骨支撑、骨生成和易于血管化、易于营养气交换为一体的六重生物活性(生物活性材料)作用；特别利于细胞、细胞因子的富集、弥散、增值。分化和基质分泌沉积发挥最佳成骨能力；来源丰富，制作简便，术中易改形修整，并在强度、多孔性、大块血供、理化性能、组织相容性、生物降解性、表面性能、功能适应性和成骨效应、价格等方面都优于现有各种天然衍生材料、人工合成材料以及这两类材料的复合材料；还克服或弥补了现有天然材料共同存在的缺点和不足：缺乏机械强度、大块血供差、大量获取困难、降解时间难以控制，都难以单独用作修复重大长骨缺损直接移植材料、难以单独用作组织工程骨细胞种植基质材料或支架、难以用作重组承重松质异种骨细胞因子(BMP)的载体、难以用作重组承重抗感染骨复合抗生素的缓释剂、难以用作制成承重生物纳米骨的模板、难以用作制成承重生物3D打印骨的原料，更难以用作改善现有各种复合骨两者生物力学性能、增强物理机械性能，提高骨修复能力等要素。

由此可见，本发明角胎骨集现有各种材料优点于一身并弥补或克服了现有各种材料存在上述种种问题，缺点和不足。是理想的用作修复重大长、较小短骨缺损，缺陷的直接移植材料；是理想的颅、面、眶、鼻、耳廓等特状骨、软骨直接移植材料；是理想的骨组织工程支架材料；是理想的用作部分骨骼(胸、肋、肩甲、锁、椎体、椎板、眶)假体置换材料；关节融合材料；用做一次性内固定器材料；还优于学者们几十年逐渐共识:“未来理想骨组织工程基质材料的制备应考虑到无机陶瓷类材料、合成聚合物材料和天然生物衍生材料的优缺点，将有机材料和无机械材料通过合适的方法组合成复合材料，模拟天然骨基质组成成分，并含有最佳组合的生长因子缓释系统，促进成骨细胞的粘附。增建和分化，从而发挥最佳的成骨能力”；并解除了阻碍构建修复大块骨缺损组织工程骨快速发展的瓶颈。

“形态结构是功能的物质基础，功能是形态结构运动的形式，两者互相制约。形态结构改变，功能也就改变”。“发育同源细胞、组织间相互替代”。本发明角胎骨质新材料系牛科动物角的角胎发育同源颅骨外板延伸衍生物。其出现可导致一系列新材料、新技术、新用途在骨科新技术领域的诞生。促进中国医药生物材料——骨科移植材料的新发展。

为了验证本发明提供的生物衍生角胎骨质新材料的使用性能，特对上述实施例1获得的材料进行以下具体应用。

应用例1

原位组织构建、修复重大长骨缺损、关节面融合直接移植材料以及修复较小短骨缺损

具体使用方法为：将实施例1提供的新材料加工为承重骨基质单独直接植入，若疑有污染(开放伤、火器伤)或感染时在彻底清创病灶清除的基础上改用抗感染骨原缺损部位植入(原位组织构建)修复承重骨、非承重骨大片快(6×6—10×10cm²)和长节段(长5—15cm，直径2.5—3.0cm)骨缺损、缺陷(修复重大长骨缺损)。

另外，还加工修复小于上述尺寸不同部位(包括颅、面、颌、眶、鼻、耳廓)、形状、尺寸和强度的骨(软骨)缺损、缺陷(修复较小短骨缺损)。术后8周植入物明显降解，并与宿主骨紧密结合，16周肉眼可见血管化，约半年后新生骨组织完全替代植入物，骨管光滑、髓腔贯通；未见植入物对宿主系统产生不良反应(如炎症、细胞毒性、过敏、畸形和免疫反应)，也未见宿主生物环境对植入物产生不良反应如腐蚀、磨损、退化甚至破坏等。

该移植技术使人们一直追求的寻找类似人体骨组织天然结构和性能的材料直接植入修复骨缺损获得成功；又简化了(减去膜引导技术)目前热门研究应用“非细胞型组织工程化骨，再生修复超临界骨缺损(缺损骨长度超过本身直径1.5倍者)新技术，也可称为新组合承重松质异种骨(角胎骨)。

应用例2

原位构建组织工程化骨(体内构建组织工程骨)

具体使用方法为：在原位骨组织构建移植物(实施例1提供)的中部滴注从患者髂前上棘或踝部穿刺抽出的骨髓3-10ml，提高内源性生长因子浓度。骨髓中成体干细胞主要是间充质干细胞，具有良好的增殖和多向分化潜能(可分化成脂肪细胞、成骨细胞、成软骨细胞、肌腱细胞、骨骼细胞)，成骨活性好，具有传代不衰老、无免疫排斥等特征、取材容易，损伤小，可实现随取随植入缺损原位生物环境等优点，与局部生长因子相互作用，在BMP作用下，促进间充质干细胞向成骨细胞转化，培养新骨形成、改建到成熟，植入物降解吸收完全在患者体内生物环境中完成。

在本应用例中，后期未见植入物对宿主系统产生不良反应(如炎症、细胞毒性、过敏、畸形和免疫反应)，也未见宿主生物环境对植入物产生不良反应如腐蚀、磨损、退化甚至破坏等。

与现有技术中体外培养构建组织工程骨相比，本发明体内构建以简、便、廉、优的技术方案替代复杂、昂贵、周期长和风险大的现有技术方案，达到更优的有益效果的目的。

另外，在该应用中，细胞增殖、分化体内天然生物环境是优于体外模拟体内部分生物环境；减去了常规细胞分离、鉴定、浓缩成体干细胞和细胞因子培养，使患者等待时间长的问题；避免了必备专用细胞分离、培养、处理和贮存的仪器、设备和净化环境及专职人员培训，在中小医院均可推广大范围应用；还避免了外源细胞或异源基因有关供体材料可能带来的微生物学污染如病毒感染；可能引起癌、血液病等相关疾病的传播和细胞扩增、分化可能形成的变异和相关疾病的发生；避免了与产品生产过程长有关污染；解除了组织工程骨支架材料本身及其与细胞的相互作用结果尚不明确及植入后对再生组织这种特殊的组织相容性如何的疑问；产品冷存后产生添加剂和残余物等潜在毒性对患者的不良反应如对抗体和其他物质过敏等尚不明确；如何对这种有细胞、材料和活性成分的组织产品的消毒问题；还解除了体外组织工程化骨最终产品力学和生理学性能可能达不到生理需要的后顾之虑。

应用例3

以其5:1重量比作为变更现有组织工程骨的支架复合骨或复合材料的要素(支架、载体、模板或框架和基质)进一步改善原有复合材料技术效果，如改善其生物学性能，提高其物理机械强度及复合材料之间粘附作用利于细胞粘附，使之于能解决更多的实际技术难题，扩展新用途以及重组承重骨。

具体的，在该应用例中，应用对象包括重组承重组织工程(体外)骨、重组承重异种松质骨、重组承重纳米骨、3D打印承重骨和重组单相或双相生物陶瓷复合承重骨、重组单相或多相有机物复合承重骨及重组承重抗感染骨(包括混合细菌感染和结核杆菌感染)复合骨(包括抗感染球和抗感染浆)。

另外，还可作为修复“重大长”(承重、大片块、长节段骨)和较小短骨缺损；由开放伤、火器伤所致的易感染骨折、骨缺损以及构建抗结核性骨缺损复合角胎骨。此外，还可直接植入软骨样角胎骨修复软骨缺损或作为软骨组织工程种子细胞(患者自体骨髓间充质干细胞)种植的支架，原位构建组织工程软骨修复软骨缺损。

同样，在该应用例中，也未见植入物对宿主系统产生不良反应(如炎症、细胞毒性、过敏、畸形和免疫反应)，也未见宿主生物环境对植入物产生不良反应如腐蚀、磨损、退化甚至破坏等。

本发明解决了现有各种骨科移植材料(包括天然衍生材料、人工合成材料)都难以单独用作修复“重大长”骨缺损、缺陷的直接移植材料；难以用作组织工程骨的支架材料的技术难题。是理想的骨组织工程支架材料。

目前现有复合材料，包括钙磷陶瓷材料与天然高分子材料的复合(如胶原与HA、胶原与煅烧骨粉+HA的复合、TCP与纤维蛋白胶的复合、胶原+HA+TCP的复合)、钙磷陶瓷同类材料的复合(如HA与TCP的复合)以及人工合成高分子材料与钙磷陶瓷材料的复合、人工合成高分子材料添加生长因子(活性因子)的复合等，都在一定程度上提高了原单一材料和复合材料物理强度，改善了生物学性能，并可提高其物理机械强度及复合材料之间粘附作用利于细胞粘附，如中和酸性产物、改善材料的表面活性、促进细胞的粘附与生长能力以及提高了材料的骨结合力的特性。

但是，用作修复“重大长”骨缺损移植材料、组织工程支架材料和重组合异种载体材料仍存在强度、降解速度、多孔性、产物毒性和表面活性等主要问题。本发明提供的新材料组成成分主要是无机物(钙磷陶瓷)、有机物(胶原纤维晶体)禁锢有生长因子(BMP)的复合型承重松质骨，并包含体积大、韧性好、模量高、强度大和“四好微环境”，其可以弥补现有复合材料存在的强度、多孔性以及降解速度不适合的种种缺陷和不足。

应用例4

将实施例1提供的新材料加工成用作置换部分骨骼假体，如胸、肋、椎体、椎板、肩胛骨和颅、面、颌、眶特殊骨(软骨)鼻骨和耳廓；此外，选用该角胎骨基底段密度较高部分加工作为口腔种植骨移植材料、牙种植体；选用该角胎骨密度较高、强度大的基底段，直接加工用作一次性内固定(或髓腔内植入)器，如骨钉、螺钉、三棱钉、接骨板(条板形、三角形)、半筒形骨夹板、骨栓、椎体固定器(请参考图9)。

另外，仅通过对云南省某地区(约2万平方公里)市场调查，该地区屠宰场年宰杀水牛约24000头，可取角胎材料约24000公斤/年。若将收集范围扩展至全云南省乃至全国的相关屠宰场及民间宰杀的牛、羊，可收集的角胎材料量之巨大是不言语的，若将其使用到上述应用例中，能够明显缓解骨源紧张的现状。

综合而言，本发明提供的生物衍生角胎骨质性材料(天特松骨基质材料)，来源丰富，制造简便，术中易改形修整，并在强度、多孔性、理化性能、组织相容性、生物活性、产物毒性、表面性能、功能适应性和成骨效应、价格等方面都优于现有各种天然材料和人工合成材料。还克服了现有天然材料的共有缺点：缺乏机械强度、大量获取困难、降解时间难以控制、难以单独作为组织工程骨细胞种植的支架或基质。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims

1.一种生物衍生角胎骨质新材料，其特征在于，其制备方法包括：

1)、取断血后的哺乳纲偶蹄目牛科种类的角胎骨，去膜后常温保存22-26个月；

2)、将常温保存后的角胎骨进行脱脂、脱蛋白以及去抗原处理后，加工成骨缺损及内固定用所需形状，即得生物衍生角胎骨质新材料。

2.根据权利要求1所述的生物衍生角胎骨质新材料，其特征在于，在步骤1)中，具体包括：

3.根据权利要求2所述生物衍生角胎骨质新材料，其特征在于，在步骤1)中：

4.根据权利要求1所述生物衍生角胎骨质新材料，其特征在于，所述生物衍生角胎骨质新材料为纤维段状，且其长度为5-15cm，直径为2.5-3.0cm。

5.根据权利要求1所述生物衍生角胎骨质新材料，其特征在于，所述生物衍生角胎骨质新材料为6-10cm×6-10cm的片状。

6.权利要求4或5所述的生物衍生角胎骨质新材料在作为修复承重骨、非承重骨的长节段或大片块和较小节段、片块直接移植材料中的应用。

7.根据权利要求4或5所述的生物衍生角胎骨质新材料在作为关节面融合直接移植材料中的应用。

8.根据权利要求4或5所述的生物衍生角胎骨质新材料在作为颅、面、颌、眶、鼻、耳廓缺损/缺陷直接移植材料中的应用。

9.根据权利要求4或5所述的生物衍生角胎骨质新材料在作为负重松质组织工程骨种子细胞种植的支架、负重松质异种骨生长因子的载体、负重纳米骨的模板、负重生物3D打印骨的原料、负重松质复合广谱抗生素或抗结核杆菌抗生素的基质材的应用。

10.根据权利要求4或5所述的生物衍生角胎骨质新材料，在作为口腔种植牙种植体的应用。

11.根据权利要求4或5所述生物衍生角胎骨质新材料，作为骨骼假体：胸、肋、肩胛、锁骨、椎体、椎板、眶置换材料的应用。

12.根据权利要求4或5所述生物衍生角胎骨质新材料在作为内固定器：骨钉、骨螺钉、圆柱、三棱柱、平台阶圆柱、接骨板(条板形、三角形)、半筒形、骨夹板、骨栓材料的应用。

13.根据权利要求所述生物衍生角胎骨新材料中软骨样角尖在作为软骨缺损/缺陷直接移植的应用或为软骨组织工程种子细胞种植的支架的应用。

14.根据权利要求4或5所述生物衍生角胎骨新材料在作为原位组织工程种植患者自体间质干细胞体内构建原位组织工程骨，修复大片块、长节段骨缺损的应用。

15.根据权利要求4或5所述生物衍生角胎骨质新材料在作为变更现有复合骨或复合材料的核心要素，重组或新建负重松质复合角胎骨的应用。