CN105963789A - 一种骨组织工程支架材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种骨组织工程支架材料的制备方法，属于生物医学材料技术应用领域。本发明所述方法在磁力搅拌下将明胶溶于去离子水中得到明胶水溶胶，并向该水溶胶中加入改性纳米羟基磷灰石和硬脂酸微球，搅拌均匀并冷却一定时间后得到支架泥料；泥料经挤压、固化、干燥、交联、酒精浸泡等工艺，最后制备出改性羟基磷灰石骨组织工程支架。该支架的制备具有流程简单可控、原料成本经济、成品无重金属污染、生产周期短等优势。经该方法制备出的改性羟基磷灰石骨组织工程支架，细胞实验表明：细胞毒性合格；降解实验表明：支架具有良好的降解性能，并具有一定的生物活性；力学实验表明：支架具有优良的力学性能。所以有望实现工业化生产，达到临床应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种骨组织工程支架材料的制备方法，属于生物医用材料技术运用领域。
背景技术
因骨质疏松、骨坏死等疾病以及交通事故等所导致的骨缺损在临床上是一种很普遍的疾病。骨缺损后骨移植的来源主要有自体骨和同种异体骨。自体骨取材有限、增加病人痛苦，而且往往引起取材部位的并发症。同种异体骨在材料筛选、储存等方面相当困难，而且往往产生排斥反应。为了克服自体骨和同种异体骨在植入骨缺损部位存在的上述问题，骨组织工程支架材料应运而生。
目前用于制备骨组织工程支架材料的方法主要有有机泡沫浸渍法、添加造孔剂、发泡反应法、溶胶-溶胶法及挤压成型法等单一或联合使用的制备方法。有机泡沫浸渍法主要是利用有机泡沫体（如聚氨酯泡沫）固有的三维网络结构制备出三维通孔的骨支架材料，这种方法需要反复挂浆，制备的支架材料力学性能较差。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，并且多孔材料的机械强度往往不高。挤压成型法的孔隙大小在一定程度上可控，虽然很难做到三维贯通，但是单向通孔也能作为骨组织生长的空间和血液输运的通道，而且这种方法制备工艺简单，成品周期短，孔隙率和孔洞贯通性可以通过添加造孔剂的办法得到部分改善。
羟基磷灰石（HAP）是骨组织的主要成分，具有优良的生物相容性、无毒、无刺激性、无排斥反应、不致敏、不致癌、可与骨组织发生化学键合等优点，使其在骨组织工程中得到广泛运用。相比于微米HAP粉体，本发明所用的改性纳米HAP与自然骨中HAP在成分和结构上都很相似。
自然骨中除了主要的无机相HAP外，有机物以胶原为主。明胶是胶原的水解产物，具有良好的生物相容性。本发明制备的改性纳米HAP/明胶骨组织工程支架是一种无机/有机复合支架，具有与自然骨相似的成分，其中，改性HAP起到提高支架强度的作用，而明胶则能够增加支架的韧性，二者共同作用，可以使支架获得优良的力学性能，解决了目前人造骨组织工程支架力学强度不足的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：传统金属模板挤压成本昂贵、易造成重金属污染、支架孔隙尺寸偏大，多孔骨组织工程支架材料力学强度不高等问题。
本发明的目的在于提供一种骨组织工程支架材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）按明胶与去离子水的质量比为1:100~1:5的比例将明胶溶于去离子水中得到溶胶A；
（2）按改性羟基磷灰石与明胶质量比为7~8:3~2的比例向溶胶A中加入改性羟基磷灰石，同时加入粒径大小为80~200
μm的硬脂酸微球作为造孔剂，搅拌均匀，冷却至4~15℃后得到泥料B；造孔剂的加入量为造孔剂与改性羟基磷灰石总质量的40%~50%；
（3）将泥料B经过高分子材料模板挤压成型，在无水乙醇中脱水固化8~12 h得到支架C；
（4）将支架C切割成所需长度的柱状蜂窝支架，室温下干燥得到支架D，然后将支架D置于质量百分比浓度为1%~10%的戊二醛溶液中交联24~48
h，清洗后烘干得到支架E，然后用无水乙醇去除支架E中的造孔剂，室温下干燥后得到改性羟基磷灰石骨组织工程支架。
优选的，本发明所述改性羟基磷灰石为掺杂明胶的羟基磷灰石，其中明胶的质量百分比为20%-30%。
优选的，本发明所述改性羟基磷灰石的粒度为20-200nm。
本发明所述改性羟基磷灰石通过常规方法制备得到。
优选的，本发明步骤（4）中用无水乙醇去除支架E中的造孔剂的具体方法为：将支架E置于40~45℃的无水乙醇中浸泡36~48 h，然后用30~50℃无水乙醇清洗。
优选的，本发明所述高分子材料模板为带孔的PMMA板、PE板、PTFE板等。本发明采用激光加工高分子材料制备高分子模板，可以通过CAD不断调整加工尺寸，加工出能满足骨组织工程需要的孔隙大小。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述方法中HAP是自然骨中的主要无机成分，具有优异的生物学性能，并且改性HAP具有与自然骨中HAP极为相似的成分和结构，具有更好的生物活性；明胶是自然骨中主要有机物胶原的水解产物，与HAP的特定晶面有较强的吸附作用，因此，其水溶胶能够很好的粘附HAP，起到粘结剂的作用，并且可以增加支架的韧性；最终制备的无机/有机复合支架的抗压强度最高能够达到30 MPa，相当于甚至超过人松质骨的抗压强度。
（2）本发明所述方法中经模具挤压的支架遇到无水乙醇后迅速脱水固化，在获得力学强度的同时支架会产生一定程度的收缩，从而避免支架孔隙偏大，并且支架的孔隙大小和孔隙率可以通过控制激光的加工工艺进行调节。
（3）本发明所述方法不仅能够制备出满足骨组织工程需要的孔隙率和力学强度的HAP骨组织工程支架，而且具有成本经济、工艺简单、无重金属污染、生物相容性良好、生物活性及生物降解性良好等优点。
附图说明
图1是实施例1制备的改性HAP骨组织工程支架的SEM照片；
图2是实施例2制备的改性HAP骨组织工程支架的SEM照片；
图3是实施例3制备的改性HAP骨组织工程支架的SEM照片；
图4是实施例3制备的改性HAP骨组织工程支架中改性纳米HAP的TEM照片；
图5是实施例3制备的改性HAP骨组织工程支架的XRD衍射图谱。
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支架材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）在磁力搅拌下，将10 g明胶溶于1 kg去离子水中得到溶胶A，为了溶解充分将去离子水加热至35℃；
（2）改性羟基磷灰石的制备，具体包括以下步骤：
①称取3.8g Ca(OH)2溶于2800 mL去离子水中，用磁力搅拌器搅拌过夜，配成碱液备用。
②用移液管量取1.8 mL浓度为85%的H3PO4于1400 mL去离子水中，称取1.2 g明胶溶于上述H3PO4溶液中配成酸液备用。
③剧烈搅拌的条件下，以一定的速率将上述酸液和碱液共滴定，滴定过程中用氨水调节控制溶液的pH为8，温度保持35℃。
④滴定完毕后继续搅拌24 h，将烧杯密封好陈化24 h。
⑤陈化后将上层清液倒入废液缸，加入去离子水清洗，沉淀后再倒掉上层液，如此清洗数次，待上清液pH为中性，抽滤，干燥，研磨得到改性HAP粉体。
（3）取40g改性纳米羟基磷灰石加于溶胶A中，搅拌均匀，冷却至4℃后得到泥料B。
（4）将泥料B经过高分子材料PMMA模板挤压成型，在盛有无水乙醇的烧杯中脱水固化8 h得到支架C；将支架C用美工刀切割成长度约为10 mm的柱状蜂窝支架，室温下干燥20 h，得到支架D。
（5）将支架D置于质量百分比浓度为1%的戊二醛溶液中交联24h，再用循环水清洗数次，置于烘箱内干燥8 h后得到骨组织工程支架。
本实施例制备得到的骨组织工程支架，其微观组织结构图如图1（SEM照片）所示，由图可以看出挤压成支架后孔大小约440 μm，孔壁厚度约175 μm，经计算，支架的孔隙率为68%。通过万能试验机进行测试，本实施例制备得到的骨组织工程支架抗压强度为20 MPa。
实施例2
本实施例所述骨组织工程支架材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）在磁力搅拌下，将30 g明胶溶于150 g去离子水中得到溶胶A，为了溶解充分将去离子水加热至45℃；
（2）改性羟基磷灰石的制备，具体包括以下步骤：
①A液：称取14.169
g Ca(NO3)2•4H2O溶于1600 mL去离子水中，充分溶解后加入2.58g明胶，加热到37℃溶解备用。
②B液：称取5.282 g (NH4)2HPO4溶解于800 mL去离子水中备用。
③用量筒量取75 mL浓度为25%的氨水于750 mL去离子水中，配成氨水溶液备用。
④先用氨水溶液将A液pH调至9，再将B液缓慢滴入A液中，滴定过程中保持pH为9，温度为40℃。
⑤滴定完毕后继续搅拌12 h，后密封陈化36 h。
⑥陈化后将上层清液倒入废液缸，加入去离子水清洗，沉淀后再倒掉上层液，如此清洗数次，待上清液pH为中性，抽滤，干燥，研磨得到改性HAP粉体。
（3）取70 g改性纳米羟基磷灰石加于溶胶A中，并加入70 g粒径大小为80~200 μm的硬脂酸微球作为造孔剂，搅拌均匀，冷却至15℃后得到泥料B。
（4）将泥料B经过高分子材料PE模板挤压成型，在盛有无水乙醇的烧杯中脱水固化12 h得到支架C；将支架C用美工刀切割成长度约为15 mm的柱状蜂窝支架，室温下干燥24 h，得到支架D。
（5）将支架D置于质量百分比浓度为5%的戊二醛溶液中交联48 h，再用循环水清洗数次，置于烘箱内干燥12 h后得到骨组织工程支架E。
（6）将支架E置于盛有无水乙醇的烧杯中，为了加快硬脂酸微球的溶解速率，将烧杯置于40℃烘箱内保温36 h，然后用30℃的无水乙醇反复清洗后室温下干燥24 h得到改性羟基磷灰石骨组织工程支架。
本实施例制备得到的骨组织工程支架，其微观组织结构图如图2（SEM照片）所示，由图可以看出挤压成支架后孔大小约470 μm，造孔剂成孔大小为80~200 μm，孔壁厚度约175 μm，经计算，支架的孔隙率为75%。通过万能试验机进行测试，本实施例制备得到的骨组织工程支架抗压强度为30 MPa。
实施例3
本实施例所述骨组织工程支架材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）在磁力搅拌下，将20 g明胶溶于200 g去离子水中得到溶胶A，为了溶解充分将去离子水加热至60℃；
（2）改性羟基磷灰石的制备，具体包括以下步骤：
①A液：称取28.338g
Ca(NO3)2•4H2O溶于3000 mL去离子水中，充分溶解后加入3.012 g明胶，加热到45℃溶解备用。
②B液：称取9.322 g (NH4)2HPO4溶解于2000 mL去离子水中备用。
③用量筒量取50 mL浓度为氨水于1000 mL去离子水中，配成氨水溶液备用。
④先用氨水溶液将A液pH调至11，再将B液缓慢滴入A液中，滴定过程中保持pH为11，温度为50℃。
⑤滴定完毕后继续搅拌20 h，后密封陈化48 h。
⑥陈化后将上层清液倒入废液缸，加入去离子水清洗，沉淀后再倒掉上层液，如此清洗数次，待上清液pH为中性，抽滤，干燥，研磨得到改性HAP粉体。
（3）取60 g改性纳米羟基磷灰石加于溶胶A中，并加入40 g粒径大小为80~200 μm的硬脂酸微球作为造孔剂，搅拌均匀，冷却至10℃后得到泥料B。
（4）将泥料B经过高分子材料PTFE模板挤压成型，在盛有无水乙醇的烧杯中脱水固化10 h得到支架C；将支架C用美工刀切割成长度约为20 mm的柱状蜂窝支架，室温下干燥30 h，得到支架D。
（5）将支架D置于质量百分比浓度为10%的戊二醛溶液中交联36 h，再用循环水清洗数次，置于烘箱内干燥16 h后得到骨组织工程支架E。
（6）将支架E置于盛有无水乙醇的烧杯中，为了加快硬脂酸微球的溶解速率，将烧杯置于45℃烘箱内保温48 h，然后用50℃的无水乙醇反复清洗后室温下干燥36 h得到改性羟基磷灰石骨组织工程支架。
本实施例制备得到的骨组织工程支架，其微观组织结构图如图3（SEM照片）所示，由图可以看出挤压成支架后孔大小约560 μm，造孔剂成孔大小为80~200 μm，孔壁厚度约175 μm，经计算，支架的孔隙率为80%。通过万能试验机进行测试，本实施例制备得到的骨组织工程支架抗压强度为25 MPa。本实施例制备得到的改性纳米HAP的TEM照片如图4所示，可以看出HAP呈纳米片状，与自然骨中的HAP形貌类似。本实施例制备得到的HAP骨组织工程支架的XRD衍射图谱如图5所示，可以看出图中的衍射峰对应于HAP的衍射峰，与自然骨的XRD衍射图谱类似。上述结果表明，本实施例制备得到的骨组织工程支架在成分、结构及性能上均与自然骨类似。
从附图1、2和3中可以看出，本发明所制备的支架贯通性良好，孔洞结构为规则直通孔与不规则三维通孔相结合，直通孔的孔径范围为440~560
μm之间，不规则三维通孔的孔径范围为80~200
μm。研究表明，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；而大孔结构则有利于发挥材料的骨传导性，400~700
μm的大孔有利于纤维血管组织和骨组织长入，有利于骨组织长入的理想孔径为150~600
μm。支架的抗压强度为20~30
MPa，达到甚至超过人松质骨的抗压强度。因此，该支架满足骨组织工程支架材料对多孔结构和力学性能的要求。
以上对本发明的具体实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.一种骨组织工程支架材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）按明胶与去离子水的质量比为1:100~1:5的比例将明胶溶于去离子水中得到溶胶A；
（2）按改性羟基磷灰石与明胶质量比为7~8:3~2的比例向溶胶A中加入改性羟基磷灰石，同时加入粒径大小为80~200 μm的硬脂酸微球作为造孔剂，搅拌均匀，冷却至4~15℃后得到泥料B；造孔剂的加入量为造孔剂与改性羟基磷灰石总质量的40%~50%；
（3）将泥料B经过高分子材料模板挤压成型，在无水乙醇中脱水固化8~12 h得到支架C；
（4）将支架C切割成所需长度的柱状蜂窝支架，室温下干燥得到支架D，然后将支架D置于质量百分比浓度为1%~10%的戊二醛溶液中交联24~48 h，清洗后烘干得到支架E，然后用无水乙醇去除支架E中的造孔剂，室温下干燥后得到改性羟基磷灰石骨组织工程支架。
2.根据权利要求1所述骨组织工程支架材料的制备方法，其特征在于：所述改性羟基磷灰石为掺杂明胶的羟基磷灰石，其中明胶的质量百分比为20%-30%。
3.根据权利要求1或2所述骨组织工程支架材料的制备方法，其特征在于：所述改性羟基磷灰石的粒度为20-200nm。
4.根据权利要求1所述骨组织工程支架材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）中用无水乙醇去除支架E中的造孔剂的具体方法为：将支架E置于40~45℃的无水乙醇中浸泡36~48 h，然后用30℃~50℃无水乙醇清洗。
5.根据权利要求1所述骨组织工程支架材料的制备方法，其特征在于：本发明所述高分子材料模板为带孔的PMMA板、PE板、PTFE板。
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