CN105833345A - 一种骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架及其制备方法 - Google Patents
一种骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架及其制备方法，属于生物医学材料技术应用领域，该复合支架是以激光加工成型得到的有机泡沫为载体，浸渍含有磷酸钙粉体的浆料，再进行加热、干燥、热处理等工艺，制备出具有不规则通孔和规则直通孔相结合的多孔磷酸钙支架，然后将制备出的多孔磷酸钙支架与明胶复合，得到骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架，该复合支架具有不规则通孔和规则直通孔相结合的孔洞结构，孔隙率为70~95%，不规则直通孔孔径为50‑600μm，规则直通孔孔径为0.4‑1.8mm，本发明所述方法工艺简单，便于操作，产量稳定，制备出的支架细胞毒性合格，成骨效果良好，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架及其制备方法，属于生物医学材料技术应用领域。
背景技术
随着全球生态环境的日益恶化，由于感染、肿瘤、创伤等原因造成的骨缺损病例越来越多，人们对合成生物材料需求不断增大，越来越多的研究者投人大量的精力和物力研究开发骨修复或骨替代材料，因此，具有良好的生物活性、生物相容性、骨传导性能等的钙磷陶瓷，作为骨修复或替代材料被广泛研究，但如何合成出与自然骨强度相似、细胞界面相容性好及降解速率与骨形成速率一致的钙磷陶瓷材料，是目前骨组织工程研究领域亟待解决的问题之一。
羟基磷灰石（HAP)性脆，微溶于水，易溶于酸而难溶于碱，呈弱碱性，是人体和动物骨骼的主要无机成分，羟基磷灰石在人体骨中，成分大约占60%，是一种长度为20~40nm，厚度为1.5~3.0nm的针状结晶，其周围规则地排列着骨胶原纤维，羟基磷灰石晶体为六方晶系，其结构为六角柱体，与C轴垂直的面试一个六边行，A、B轴夹角120，晶胞参数a=b=0.943~0.938nm，c=0.688~0.686nm，其结构中存在两种Ca+：配位数为9的Ca(1)和配位数为7的Ca(2)位置。羟基磷灰石由于其具有良好的骨传导性能和生物活性，能与骨组织形成牢固的骨性结合促进骨骼生长，并且形态比较稳定，是公认的性能良好的骨修复材料。
磷酸三钙（TCP）有4种同质异晶体，分别是α型、β型、γ型和超α型，γ多晶型是一种高压相，超α多晶型在约1500℃以上的高压条件下才能被观察到，因此，常见的磷酸三钙陶瓷为α型和β型，X衍射分析证明温度为1120~1290℃时，β多晶型会转化为α多晶型，目前的骨修复材料的应用一般选择β-磷酸三钙而非α-磷酸三钙，其中主要原因是β-磷酸三钙（β-TCP）类似于人骨的天然无机构成，具有优于其他无机材料的生物相容性，植入后与机体骨接合良好，骨传导性好；α-磷酸三钙的溶解度过大，植入人体后降解和成骨不能很好匹配，导致人工骨材料不能较好地发挥作用。
明胶是动物胶原蛋白部分水解后得到的产物，是一种胶原三螺旋结构转化为无规则链而获得的蛋白质，因而具有良好的生物可降解性和生物相容性，长期以来广泛应用于食品、医药等行业，但是，由于胶原在体温下水溶性好、体内降解快，经常需要交联后使用。
当生物陶瓷应用于临床时，生物陶瓷的结构主要指空隙因素，如孔径尺寸、空隙率、孔的贯穿性等，极大地影响了陶瓷的生物学性能和应用。理想的细胞支架材料一般具备三维立体多孔结构，这种结构可提供宽大的表面积和空间，利于细胞粘附生长、细胞外基质沉积、营养和氧气进入及代谢产物排出，液有利于血管和神经长入。Lane J. M.的研究表明，有利于骨组织生长的最佳孔径是150-500μm，整体孔隙容积高、孔径大的材料，更有利于体液在其中循环，为材料内细胞提供养分，加强机体组织与材料的紧密附着，微孔结构有利于组织的渗入，产生局部酸性环境，促进材料的降解；大孔结构则有利于发挥材料的骨传导性，有利于纤维血管组织和骨组织长入，400μm-700μm的大孔有利于纤维血管组织和骨组织长入；贯通道尺寸大，细胞迁移时遭遇的阻力小，骨形成效率高，是影响陶瓷上细胞生长的重要参数。
目前用于制备多孔生物支架的方法主要有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡反应法、溶胶-凝胶法等，其中添加造孔剂法难以得到高的孔隙率，并且易造成支架材料的孔径分布不均匀；发泡法则很难控制气孔的分布，并且多孔体的机械强度往往不高；而泡沫浸渍法工艺简单，制备的多孔材料孔隙率高（70-90%），孔径可控且为三维开孔网状结构，能够适应一定范围的应力变化，同时多孔组织能够使血液流通，保证骨组织的正常生长，能较好地满足骨组织工程支架材料对多孔结构的要求，但现今应用的泡沫浸渍法制备的生物陶瓷支架均为三维通孔结构，如何使三维贯通多孔陶瓷的孔洞结构更优化，是目前研究的一个热点和难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架，所述复合支架以磷酸钙多孔支架为基体，明胶为第二材料复合制得，该复合支架具有不规则通孔和规则直通孔相结合的孔洞结构，其孔隙率为70~95%，不规则直通孔孔径为50-600μm，规则直通孔孔径为0.4-1.8mm。
本发明的另一目的在于提供所述骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）采用激光加工成型技术将有机泡沫制备成具有规则通孔的有机泡沫载体A；
（2）将蒸馏水和硅溶胶以质量比为1:0-1:3的比例混合均匀，得溶液B；
（3）将磷酸钙粉体与鸡蛋清以质量比为1:3-1:7的比例混合均匀，得到浆料C；
（4）将溶液B按体积比2:1-2:7加入到浆料C中，其中溶液B可以是不含硅溶胶的蒸馏水，混匀得到浸渍浆料；
（5） 将有机泡沫载体A置于步骤（4）得到的浸渍浆料中，在微波加热条件下、30-60℃浸渍1-5次，每次浸渍1-5min；再在40-60℃，干燥6-18小时，得到浸渍坯体D；
（6）将浸渍坯体D进行热处理，得到磷酸钙多孔支架E；
（7）按照质量比为1:50-1:10的比例将明胶与蒸馏水进行混合，在40-70℃的温度下，剧烈搅拌，使明胶完全溶解，得到明胶溶液F，将明胶溶液F置于25-40℃保存；
（8）将磷酸钙多孔支架E放入明胶溶液F中，25-40℃静置浸泡12-48h，取出用滤纸充分吸取支架表面多余溶液，空气中静置5-15 min得到支架G；
（9）将支架G在常温下放入1-10wt%的戊二醛溶液中交联6-24 h，取出后置于蒸馏水中浸泡3-5次，每次10-30min，干燥后，得到多孔磷酸钙/明胶复合支架H。
优选的，本发明步骤（1）所述有机泡沫为聚氨酯泡沫，其密度为15-50kg/m3，激光成型后其直通孔孔径为0.6-2mm。
优选的，本发明步骤（2）所述硅溶胶的分子式为mSiO2·nH2O，主要成分为二氧化硅。
优选的，本发明步骤（3）所述的磷酸钙粉体为β-磷酸三钙和/或羟基磷灰石，其粉体粒径为0.1-40μm。
优选的，本发明步骤（6）所述热处理工艺为：以1-3℃/min的升温速率从室温升到130-160℃，以4-6℃/min的升温速率从130-160℃升到280-320℃，以0.5-2.5℃/min的升温速率从280-320℃升到550-650℃，以4-8℃/min的升温速率从550-650℃升到800-850℃，保温3-6h，最后随炉冷却。
本发明的有益效果：
（1）本发明采用激光加工成型技术制备出具有规则直通孔的有机泡沫载体，通过有机泡沫浸渍法能够提供一个组织生长的三维支架结构，制备出能更能满足骨组织工程要求的孔洞结构和孔隙大小。
（2）β-磷酸三钙和羟基磷灰石均为自然骨中的主要无机成分，具有优异的生物相容性，无生物毒性，具有良好的骨传导性。
（3）β-磷酸三钙／羟基磷灰石双相磷酸钙陶瓷材料具有比单一材料更好的降解性能，当植入人体后，这类材料最终和自体骨组织融合并逐渐被自体骨组织替代。
附图说明
图1是本发明实施例2中采用的磷酸钙粉体和实施例2制备的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的XRD图；
图2是本发明实施例2中采用的明胶和实施例2制备的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的FTIR图；
图3是本发明实施例2骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的SEM图片；
图4是本发明实施例2骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的SEM图片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架，其具体组分为β-磷酸三钙、明胶，其中明胶组分的质量占整个多孔磷酸钙/明胶复合支架的12.7%，该复合支架具有不规则通孔和规则直通孔相结合的孔洞结构，其孔隙率为95%，不规则直通孔孔径为100-500μm，规则直通孔孔径为1-1.5mm。
本实施所述的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）采用激光加工成型技术，将聚氨酯有机泡沫制备成具有规则通孔的聚氨酯有机泡沫载体，聚氨酯泡沫的密度为15kg/m3，激光成型后直通孔孔径为1.2-1.7mm，得到有机泡沫载体A；
（2）将β-磷酸三钙粉体与鸡蛋清以质量比为1:3的比例混合均匀，得到浆料C，其中β-磷酸三钙粉体粒径为25-40μm；
（3）将蒸馏水按体积比2:1加入到浆料C中，用玻璃棒搅拌均匀得到浸渍浆料；
（4）将激光加工成型技术制备好的具有规则通孔的有机泡沫载体A，置于步骤（4）得到的浸渍浆料中，在微波加热干燥器加热到30℃条件下，浸渍1次，浸渍1min；再置于40℃的烘箱干燥6小时，得到浸渍坯体D；
（5）将浸渍坯体D置于马弗炉中进行热处理，热处理工艺为：以1℃/min的升温速率从室温升到130℃，以4℃/min的升温速率从130℃升到280℃，以0.5℃/min的升温速率从280℃升到550℃，以4℃/min的升温速率从550℃升到800℃，保温3h，最后随炉冷却，得到β-磷酸三钙多孔支架E；
（6）按照质量比为1:50的比例将明胶与蒸馏水进行混合，置于40℃的恒温水浴中，剧烈搅拌，使明胶完全溶解后，得到明胶溶液F，将明胶溶液F置于25℃烘箱内保存；
（7）将β-磷酸三钙多孔支架E放入明胶溶液F中，在25℃烘箱内静置浸泡12h，取出用滤纸充分吸取支架表面多余溶液，并在空气中静置5min得到支架G；
（8）将支架G在常温下放入1wt%的戊二醛溶液中交联6h后，取出置于蒸馏水中浸泡3次，每次10min，干燥后，最终得到多孔磷酸钙/明胶复合支架H。
本实施例通过对β-磷酸三钙多孔支架E和最终得到的多孔磷酸钙/明胶复合支架H分别进行称量，多次称重计算得出该多孔磷酸钙/明胶复合支架中明胶组分的质量占整个支架的12.7%。
本实施例制得的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架具有不规则通孔和规则直通孔相结合的孔洞结构，其孔隙率为95%，不规则直通孔孔径为100-500μm，规则直通孔孔径为1-1.5mm。
实施例2
本实施所述的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架，其具体组分为双相磷酸钙、明胶和二氧化硅；双相磷酸钙为β-磷酸三钙和羟基磷灰石两相，明胶组分的质量占整个多孔磷酸钙/明胶复合支架的21.4%，该复合支架具有不规则通孔和规则直通孔相结合的孔洞结构，其孔隙率为84%，不规则直通孔孔径为150-600μm，规则直通孔孔径为0.4-1.2mm。
本实施所述的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）采用激光加工成型技术，将聚氨酯有机泡沫制备成具有规则通孔的聚氨酯有机泡沫载体，聚氨酯泡沫的密度为30kg/m3，激光成型后直通孔孔径为0.6-1.4mm，得到有机泡沫载体A；
（2）将蒸馏水和硅溶胶（分子式为mSiO2·nH2O，主要成分为二氧化硅）以质量比为1:2混合均匀，得溶液B；
（3）将双相磷酸钙粉体与鸡蛋清以质量比为1:5的比例混合均匀，得到浆料C，其中双相磷酸钙粉体为β-磷酸三钙和羟基磷灰石粉体，粉体粒径为5-10μm，β-磷酸三钙和羟基磷灰石两相质量比为7:2；
（4）将溶液B按体积比2:5加入到浆料C中，充分搅拌后得到浸渍浆料；
（5）将激光加工成型技术制备好的具有规则通孔的有机泡沫载体A，置于步骤（4）得到的浸渍浆料中，在微波加热干燥器加热到40℃条件下，浸渍2次，每次浸渍2min；再置于50℃的烘箱干燥12小时，得到浸渍坯体D；
（6）将浸渍坯体D置于马弗炉中进行热处理，热处理工艺为：以2℃/min的升温速率从室温升到150℃，以5℃/min的升温速率从150℃上升到300℃，以2℃/min的升温速率从300℃上升到600℃，以6℃/min的升温速率从600℃上升到830℃，保温4h，最后随炉冷却，得到双相磷酸钙多孔支架E；
（7）按照质量比为1:40的比例将明胶与蒸馏水进行混合，置于60℃的恒温沙浴中，剧烈搅拌，使明胶完全溶解后，得到明胶溶液F，将明胶溶液F置于37℃烘箱内保存；
（8）将双相磷酸钙多孔支架E放入明胶溶液F中，在37℃烘箱内静置浸泡24h，取出用滤纸充分吸取支架表面多余溶液，并在空气中静置10 min得到支架G；
（9）将支架G在常温下放入2wt%的戊二醛溶液中交联12 h后，取出置于蒸馏水中浸泡4次，每次20min，干燥后，最终得到多孔磷酸钙/明胶复合支架H。
本实施例通过对双相磷酸钙多孔支架E和最终得到的多孔磷酸钙/明胶复合支架H分别进行称量，多次称重计算得出该多孔磷酸钙/明胶复合支架中明胶组分的质量占整个支架的21.4%。
本实施例中采用的磷酸钙粉体和制备的多孔磷酸钙/明胶复合支架的XRD分析如图1所示，由图可看出该粉体为双相磷酸钙粉体，具有为β-磷酸三钙和羟基磷灰石两相，该多孔磷酸钙/明胶复合支架与粉体相比，β-磷酸三钙和羟基磷灰石两相成分未变，但弥散峰明显增多，这是由于明胶成分的加入使得结晶性降低的结果；本实施例中采用的明胶和制备的多孔磷酸钙/明胶复合支架的FTIR分析如图2所示，由图可看出该复合支架红外特征峰与明胶完全吻合，说明该复合支架中含有明胶成分；本实施例中制备的多孔磷酸钙/明胶复合支架的SEM图片如图3和图4所示，由图可看出，该复合支架具有不规则通孔和规则直通孔相结合的孔洞结构，不规则直通孔孔径为150-600μm，规则直通孔孔径为规则直通孔孔径为0.4-1.2mm，测得该复合支架孔隙率为84%，同时多孔支架中明胶成分成网状结构包裹磷酸钙粉体颗粒，颗粒粒径为1-5μm。
根据国家标准GB/T14233.3-2005，采用选用293T细胞（转染腺病毒E1A基因的人肾上皮细胞）、CCK-8法对实施例1制备的多孔磷酸钙/明胶复合支架材料进行细胞毒性测试，实验结果如表1所示，结合国家标准GB/T14233.3-2005相关规定，细胞毒性结果表明，支架浓度在0.1g/mL和0.2g/mL时，细胞增殖度为111.2和94.6，细胞毒性为0级，由此说明实施例1所制备的多孔磷酸钙/明胶复合支架材料无细胞毒性。
表1 多孔磷酸钙/明胶复合支架的细胞增殖度
。
实施例3
本实施所述的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架，其具体组分为羟基磷灰石、明胶和二氧化硅，其中明胶组分的质量占整个多孔磷酸钙/明胶复合支架的34.6%，该复合支架具有不规则通孔和规则直通孔相结合的孔洞结构，其孔隙率为70%，不规则直通孔孔径为50-600μm，规则直通孔孔径为0.8-1.8mm。
本实施所述的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）采用激光加工成型技术，将聚氨酯有机泡沫制备成具有规则通孔的聚氨酯有机泡沫载体，聚氨酯泡沫的密度为50kg/m3，激光成型后直通孔孔径为1-2mm，得到有机泡沫载体A；
（2）将蒸馏水和硅溶胶（分子式为mSiO2·nH2O，主要成分为二氧化硅）以质量比为1:3混合均匀，得溶液B；
（3）将羟基磷灰石粉体与鸡蛋清以质量比为1:7的比例混合均匀，得到浆料C，其中羟基磷灰石粉体粒径为0.1-5μm；
（4）将溶液B按体积比2:7加入到浆料C中，用玻璃棒搅拌均匀得到浸渍浆料；
（5）将激光加工成型技术制备好的具有规则通孔的有机泡沫载体A，置于步骤（4）得到的浸渍浆料中，在微波加热干燥器加热到60℃条件下，浸渍5次，每次浸渍5min，再置于60℃的烘箱干燥18小时，得到浸渍坯体D；
（6）将浸渍坯体D置于马弗炉中进行热处理，热处理工艺为：以3℃/min的升温速率从室温升到160℃，以6℃/min的升温速率从160℃上升到320℃，以2.5℃/min的升温速率从320℃上升到650℃，以8℃/min的升温速率上升到850℃，保温6h，最后随炉冷却，得到羟基磷灰石多孔支架E；
（7）按照质量比为1:10的比例将明胶与蒸馏水进行混合，置于70℃的恒温水浴中，剧烈搅拌，使明胶完全溶解后，得到明胶溶液F，将明胶溶液F置于40℃烘箱内保存；
（8）将羟基磷灰石多孔支架E放入明胶溶液F中，在40℃烘箱内静置浸泡48h，取出用滤纸充分吸取支架表面多余溶液，并在空气中静置15min得到支架G；
（9）将支架G在常温下放入10wt%的戊二醛溶液中交联24h后，取出置于蒸馏水中浸泡5次，每次30min，干燥后，最终得到多孔磷酸钙/明胶复合支架H。
本实施例通过对羟基磷灰石多孔支架E和最终得到的多孔磷酸钙/明胶复合支架H分别进行称量，多次称重计算得出该孔磷酸钙/明胶复合支架中明胶组分的质量占整个支架的34.6%。
本实施例制得的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架具有不规则通孔和规则直通孔相结合的孔洞结构，其孔隙率为70%，不规则直通孔孔径为50-600μm，规则直通孔孔径为0.8-1.8mm。
Claims (5)
1.一种骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架，其特征在于：所述复合支架以磷酸钙多孔支架为基体，明胶为第二材料复合制得，该复合支架具有不规则通孔和规则直通孔相结合的孔洞结构，其孔隙率为70~95%，不规则直通孔孔径为50-600μm，规则直通孔孔径为0.4-1.8mm。
2.权利要求1所述骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）采用激光加工成型技术将有机泡沫制备成具有规则通孔的有机泡沫载体A；
（2）将蒸馏水和硅溶胶以质量比为1:0-1:3的比例混合均匀，得溶液B；
（3）将磷酸钙粉体与鸡蛋清以质量比为1:3-1:7的比例混合均匀，得到浆料C；
（4）将溶液B按体积比2:1-2:7加入到浆料C中，混匀得到浸渍浆料；
（5） 将有机泡沫载体A置于步骤（4）得到的浸渍浆料中，在微波加热条件下、30-60℃浸渍1-5次，每次浸渍1-5min；再在40-60℃，干燥6-18小时，得到浸渍坯体D；
（6）将浸渍坯体D进行热处理，得到磷酸钙多孔支架E；
（7）按照质量比为1:50-1:10的比例将明胶与蒸馏水进行混合，在40-70℃的温度下，剧烈搅拌，使明胶完全溶解，得到明胶溶液F；
（8）将磷酸钙多孔支架E放入明胶溶液F中，25-40℃静置浸泡12-48h，取出用滤纸充分吸取支架表面多余溶液，空气中静置5-15 min得到支架G；
（9）将支架G在常温下放入1-10wt%的戊二醛溶液中交联6-24 h，取出后置于蒸馏水中浸泡3-5次，每次10-30min，干燥后，得到多孔磷酸钙/明胶复合支架H。
3.根据权利要求2所述的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述有机泡沫为聚氨酯泡沫，其密度为15-50kg/m3，激光成型后直通孔孔径为0.6-2mm。
4.根据权利要求2所述的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述磷酸钙粉体为β-磷酸三钙和/或羟基磷灰石，其粉体粒径为0.1-40μm。
5.根据权利要求2所述的骨组织工程用多孔磷酸钙/明胶复合支架的制备方法，其特征在于，步骤（6）所述热处理工艺为：以1-3℃/min的升温速率从室温升到130-160℃，以4-6℃/min的升温速率从130-160℃升到280-320℃，以0.5-2.5℃/min的升温速率从280-320℃升到550-650℃，以4-8℃/min的升温速率从550-650℃升到800-850℃，保温3-6h，最后随炉冷却。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |