CN107638594A - 羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架及其应用 - Google Patents

羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN107638594A
CN107638594A CN201710691683.3A CN201710691683A CN107638594A CN 107638594 A CN107638594 A CN 107638594A CN 201710691683 A CN201710691683 A CN 201710691683A CN 107638594 A CN107638594 A CN 107638594A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydroxyapatite
collagen
overlong nanowire
biological support
multiporous biological
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710691683.3A
Other languages
English (en)
Inventor
朱英杰
孙团伟
陈�峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Ceramics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority to CN201710691683.3A priority Critical patent/CN107638594A/zh
Publication of CN107638594A publication Critical patent/CN107638594A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

本发明涉及一种羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架及其应用，所述羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架是以羟基磷灰石超长纳米线作为无机成分、胶原作为有机成分制备而成。

Description

羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架及其应用
技术领域
本发明涉及一种羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架及其制备方法和应用，属于生物材料领域。
背景技术
由骨肿瘤切除、感染和创伤等造成的骨缺损的修复一直是生物医学研究的热点之一。自体骨移植具有优异的骨诱导活性和免疫相容性，一直是临床骨缺损治疗的金标准，但是该方法面临着自体骨来源有限、病人感染风险增加及术后并发症发生率高等问题。对于临床常用的同种异体骨移植也存在着疾病传播和免疫排斥反应等缺点。因此，开发具有优良骨缺损修复能力的人工合成骨移植材料具有广阔的临床应用前景。
自然骨是一种有机-无机复合材料，含有约70wt.％无机质(主要是羟基磷灰石)、约22wt.％有机质(主要是I型胶原)和约8wt.％水。自然骨中的羟基磷灰石纳米晶和胶原在宏观、微观和纳米尺度上组装构成三维分级结构，使得自然骨具有优异的力学性能。因此，模仿自然骨的组成和结构，研发具有三维分级结构和优异力学性能的多孔骨移植材料具有重要的研究意义和良好的应用前景。
羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)是自然骨中的主要无机成分，人工合成的羟基磷灰石纳米材料与其具有相似的晶体结构和化学组成，具有良好的生物相容性、优异的机械性能、良好的细胞粘附性和高的骨传导性，在生物医药领域具有广泛的应用。
胶原是一种天然生物高分子材料，广泛存在于脊椎动物和人的韧带、肌腱、皮肤、软骨及骨等组织或器官中。用作生物材料的胶原来源广泛，包括牛的皮肤和肌腱、羊和猪的皮肤、鱼等。胶原具有良好的生物相容性和骨相容性、良好的降解性、优良的细胞粘附性等优点，是一种优异的生物材料。目前，基于胶原的不同种类的生物材料已被广泛研究并应用于皮肤修复、骨缺损修复等生物医学领域。
人工合成的羟基磷灰石纳米材料与胶原复合构建的多孔生物支架材料有希望应用于骨缺损修复等骨组织工程领域。相对于当前使用的金属植入材料，羟基磷灰石/胶原复合多孔生物支架材料具有良好的生物降解性、易于调控的机械性能、可减少应力屏蔽和无菌性松动，可避免二次手术带来的痛苦和麻烦等优势。此外，羟基磷灰石的加入能够改善胶原支架的生物活性以及减少胶原快速降解所带来的不利影响。
由于胶原有机质力学强度低、多孔结构以及所使用羟基磷灰石纳米材料长度较短等因素，目前合成的羟基磷灰石/胶原复合多孔生物支架普遍存在着力学强度低以及羟基磷灰石含量低等缺点，限制了其在骨组织工程中的应用。
一直以来，科研人员都在努力制备各种力学强度增强的羟基磷灰石/胶原复合多孔生物支架，并探索其在生物医学领域的应用。例如Jing等人(Annals of BiomedicalEngineering(2017)DOI:10.1007/s10439-017-1866-9)采用多壁碳纳米管来增强羟基磷灰石/胶原复合多孔生物支架的力学强度，加入多壁碳纳米管后，所制备的多壁碳纳米管/羟基磷灰石/胶原复合多孔生物支架表现出显著增强的力学强度，能够促进骨髓间充质干细胞的增殖和铺展以及向成骨方向分化，并且对大鼠颅骨骨缺损具有较好的骨修复效果。然而，碳纳米管难以生物降解，而且可能对机体造成毒性。等人(CarbohydratePolymers 148(2016)78–85)将淀粉颗粒加入到羟基磷灰石/胶原复合多孔生物支架中，构建了力学强度增强的淀粉/羟基磷灰石/胶原复合多孔生物支架。Sionkowska等人(International Journal of Biological Macromolecules 102(2017)658–666)采用壳聚糖来增强羟基磷灰石/胶原复合多孔生物支架的力学强度。然而，相对于胶原，淀粉、壳聚糖等有机聚合物具有较差的生物相容性和生物活性。Kane等人(Acta Biomaterialia 17(2015)16–25)采用长度约10～30μm的羟基磷灰石晶须制备了力学性能显著增强的羟基磷灰石/胶原复合多孔生物支架，并且所制备复合支架的羟基磷灰石体积含量可以高达80vol.％。但是所使用的羟基磷灰石晶须直径在微米级，其降解性不理想。
虽然目前文献已有报道制备具有增强力学性能的羟基磷灰石/胶原复合多孔生物支架的方法，但是所制备的羟基磷灰石/胶原复合多孔生物支架普遍存在着力学强度差、三维贯通多孔结构不明显、羟基磷灰石含量低等缺点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种高弹性、力学性能优良的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架及其制备方法和应用。
一方面，本发明提供了一种羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架，是以羟基磷灰石超长纳米线作为无机成分、胶原作为有机成分制备而成。
较佳地，所述羟基磷灰石超长纳米线与胶原的质量比为1:10～10:1，优选为1:4～4:1。
本发明以羟基磷灰石超长纳米线作为无机成分，相对于其它形貌的羟基磷灰石纳米材料，羟基磷灰石超长纳米线具有高柔韧性和超长的长度，能够在胶原有机质中相互交织缠绕构成类似织物的结构，形成具有三维分级多孔结构的复合生物支架。由于羟基磷灰石超长纳米线之间产生强的相互作用力以及羟基磷灰石超长纳米线与胶原分子之间产生分子间作用力，使得所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有三维贯通多孔结构、高弹性、优异的力学性能，意外地获得比纯胶原生物支架、纯羟基磷灰石纳米线无机支架的杨氏模量均高的复合生物支架。例如，本发明所制备的70wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的杨氏模量为61.9±7.2kPa，约是纯胶原多孔生物支架杨氏模量(15.0±2.3kPa)的4倍，约是纯羟基磷灰石超长纳米线无机支架的杨氏模量(13.6±2.1kPa)4.5倍，约是70wt.％羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架杨氏模量(0.99±0.02kPa)的63倍。相对于羟基磷灰石纳米棒，羟基磷灰石超长纳米线具有显著的力学增强效果，能够显著提升复合生物支架的力学强度。事实上，当采用羟基磷灰石纳米棒构建的复合生物支架当其含量超过70wt.％时，其力学强度较差，在制备过程中易破裂，难以形成具有完整结构的多孔支架。
较佳地，所述羟基磷灰石超长纳米线的直径为5～100纳米、长度为20～2000微米。
较佳地，所述羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的孔径为1～2000微米。
另一方面，本发明还提供了一种上述的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的制备方法，包括：
将羟基磷灰石超长纳米线水分散液与胶原水溶液混合，得到混合悬浮液；
将混合悬浮液经冷冻干燥，得到支架坯体；
将所得支架坯体置于含有交联剂的溶液中进行化学交联，得到所述羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架。
本发明以羟基磷灰石超长纳米线作为无机成分、胶原作为有机成分，通过搅拌使羟基磷灰石超长纳米线的水分散液与胶原的水溶液均匀混合，二者复合后，得到混合溶液。将混合溶液通过冷冻干燥，得到具有多孔结构的支架坯体。然后将支架坯体浸渍于含有交联剂的溶液中，在交联剂的作用下胶原开始发生化学交联，不仅使得羟基磷灰石超长纳米线之间产生强的相互作用力，而且羟基磷灰石超长纳米线与胶原分子之间产生分子间作用力，最终制备得到力学性能更好的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架。
较佳地，所述羟基磷灰石超长纳米线水分散液中羟基磷灰石超长纳米线的质量浓度为1～10wt％，所述胶原水溶液中胶原的质量浓度为1～10wt％。
较佳地，所述混合溶液中羟基磷灰石超长纳米线和胶原的质量比为1:10～10:1，优选为1:4～4:1。
较佳地，所述冷冻干燥的温度为–10～–40℃，时间为24～48小时。
较佳地，所述交联剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺、戊二醛和京尼平中的至少一种，所述化学交联的温度为10～50℃、时间为1～24小时。
再一方面，本发明还提供了一种上述羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架在生物医学领域、吸附过滤、环境保护领域中的应用。本发明所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架能够显著促进大鼠间充质干细胞在其表面的粘附、增殖和铺展，对动物骨缺损具有较好的修复效果，表现出良好的生物相容性和环境友好特性。因此，本发明制得的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架可应用于生物医学以及组织工程等领域。
本发明所述羟基磷灰石超长纳米线具有高柔韧性、优异的力学增强性能、良好的生物相容性和环境友好等特性。本发明采用羟基磷灰石超长纳米线作为无机成分，通过与胶原复合制备具有三维贯通多孔结构、高弹性、优异力学性能、高羟基磷灰石含量、良好的生物相容性和骨修复能力的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为具有不同羟基磷灰石超长纳米线质量含量的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的数码照片；
图2为具有不同羟基磷灰石纳米棒质量含量的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架的数码照片；
图3为实施例4中羟基磷灰石超长纳米线质量含量为70wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的扫描电子显微(SEM)照片；
图4为实施例6中具有三维贯通多孔结构的纯羟基磷灰石超长纳米线无机生物支架的扫描电子显微(SEM)照片；
图5为大鼠间充质干细胞在(a)实施例1中纯胶原支架、(b)实施例4中羟基磷灰石超长纳米线质量含量为70wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架和(c)对比例3中羟基磷灰石纳米棒质量含量为70wt.％的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架上培养3天后的扫描电子显微(SEM)照片。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明以羟基磷灰石超长纳米线作为无机成分，以胶原作为有机成分，通过搅拌混合均匀、冷冻干燥和化学交联，制得羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架。
本发明中，羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架中羟基磷灰石超长纳米线与胶原的质量比可为1:10～10:1。较佳的，其质量比可为1:4～4:1，更优选为1:3～3:1。
本发明中，所述胶原来源广泛，新鲜猪皮提取的胶原、鱼皮提取的胶原、牛跟腱提取的胶原和骨胶原等都可用于制备羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架。
本发明中，所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的孔径可为1～2000微米。
本发明制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有三维贯通的多孔结构、弹性高、力学性能优异、生物相容性高等优点，具有良好的应用前景。以下以实施例说明本发明提供的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的制备方法。
羟基磷灰石超长纳米线的制备。本发明所述羟基磷灰石超长纳米线可以采用油酸钙前驱体溶剂热法制备，可参考文献和专利报道的方法制备吗；例如：朱英杰,路丙强,陈峰,高柔韧性耐高温不燃的羟基磷灰石纸及其制备方法,专利号ZL201310687363.2；Ying-Ying Jiang,Ying-Jie Zhu,Feng Chen,Jin Wu,Ceramics International,41(2015)6098-6102；Yong-Gang Zhang,Ying-Jie Zhu Feng Chen,Jin Wu,Materials Letters,144(2015)135-137。也可采用其它合适的制备方法，所用方法只要能够制备出所述羟基磷灰石超长纳米线即可。本发明所述羟基磷灰石超长纳米线的直径可为5～100纳米、长度可为20～2000微米。本发明所述羟基磷灰石超长纳米线具有高柔韧性、优异的力学增强效果、良好的生物相容性和环境友好等特性。
羟基磷灰石超长纳米线分散液的制备。将羟基磷灰石超长纳米线分散于水中，得到羟基磷灰石超长纳米线分散液。所述羟基磷灰石超长纳米线水分散液中羟基磷灰石超长纳米线的质量浓度可为1～10wt％。
胶原水溶液的制备。将冻干的胶原海绵溶于水，得到胶原水溶液。所述胶原水溶液中胶原的质量浓度可为1～10wt％。
将羟基磷灰石超长纳米线的水分散液、胶原水溶液混合，得到混合悬浮液。控制所述混合悬浮液中羟基磷灰石超长纳米线和胶原的质量比在1:10～10:1之间，优选为1:4～4:1之间。
将混合悬浮液经冷冻干燥，得到支架坯体。所述冷冻干燥的温度可为–10～–40℃，时间可为24～48小时。
将所得支架坯体置于含有交联剂的溶液中进行化学交联，再用乙醇和水清洗，干燥后得到所述羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架。所述交联剂可为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺、戊二醛和京尼平中的至少一种。所述含有交联剂溶液的浓度可为1～1000mM。所述含有交联剂的溶液的浓度取值中可为一种交联剂的浓度取值，也可为不同交联剂的浓度之和的取值。例如，所述含有交联剂的溶液可为含有20mM 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和8mM N-羟基琥珀酰亚胺的80vol.％乙醇/20vol.％水混合溶液。所述化学交联的温度可为10～50℃、时间可为1～24小时。本发明所述方法制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有三维贯通的多孔结构，其羟基磷灰石超长纳米线的质量含量可以实现从0到100wt.％连续调控。
本发明具有如下优点：
(1)所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有高生物相容性(参见图5)、环境友好，是一种理想的生物医用材料；
(2)所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有可调控的物理化学性质，所含羟基磷灰石超长纳米线的质量含量可以在0～100wt.％连续调控(参见图1)；
(3)所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有三维贯通的多孔结构(参见图3和图4)；
(4)在所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架中，羟基磷灰石超长纳米线在胶原有机质中相互交织缠绕构成类似织物的结构，产生显著的力学增强效果，使羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有高弹性和优异的力学性能；
(5)本发明的制备工艺简单，操作方便，不需要复杂昂贵的设备，易于实现工业化生产；
(6)本发明所述的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架作为生物医用材料可用于骨缺损修复等生物医学领域，具有良好的应用前景。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。本发明下述实施例中采用的胶原为冻干的胶原海绵，提取于新鲜猪皮。
制造例：
将135mL去离子水、60mL甲醇和105mL油酸搅拌混合均匀，加入150mL含10.500g氢氧化钠的水溶液，搅拌20分钟后，加入120mL含3.330g氯化钙的水溶液，搅拌20分钟后，再加入180mL含9.360g二水合磷酸二氢钠的水溶液，继续搅拌30分钟后，将所得混合物转入体积为1000mL的反应釜中，密封，加热至180℃，保温24小时。将所得产物分别用乙醇和去离子水清洗多次，得到羟基磷灰石超长纳米线。
实施例1
将2.000克冻干的胶原海绵溶解到48克的水中，经过搅拌得到均一的胶原水溶液(胶原浓度为0.04g g-1，即每克胶原水溶液中含有0.04g胶原)，然后转移至24孔细胞培养板中，在–20℃冷冻24小时后，冷冻干燥，接着将冷冻干燥后的胶原多孔生物支架浸泡在含有20mM1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和8mM N-羟基琥珀酰亚胺的80vol.％乙醇/20vol.％水混合溶液中进行化学交联，交联处理12小时后，取出分别用乙醇和水洗涤，再在37℃烘箱烘干。得到纯胶原多孔生物支架，其孔壁表面较光滑。所制备的纯胶原多孔生物支架的杨氏模量为15.0±2.3kPa。
实施例2
将2.000克冻干的胶原海绵溶解到48克的水中，经过搅拌得到均一的胶原水溶液(胶原浓度为0.04g g-1)。将羟基磷灰石超长纳米线分散在水中，得到羟基磷灰石超长纳米线浓度为0.04g g-1(即每克羟基磷灰石超长纳米线水分散液中含有0.04g羟基磷灰石超长纳米线)的分散液。将所制得的羟基磷灰石超长纳米线分散液与胶原水溶液按照质量比1:3进行混合，在室温下磁力搅拌2小时混合均匀，转移至24孔细胞培养板中，在–20℃冷冻24小时后，冷冻干燥，然后将冷冻干燥后的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架浸泡在含有20mM 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和8mM N-羟基琥珀酰亚胺的80vol.％乙醇/20vol.％水混合溶液中进行化学交联，交联处理12小时后，取出分别用乙醇和水洗涤，再在37℃烘箱烘干。得到羟基磷灰石超长纳米线质量含量为25wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架，如图1所示。羟基磷灰石超长纳米线均匀分散在胶原有机质中，相互交织缠绕形成类似织物的结构，使得孔壁表面变得粗糙。相对于纯胶原多孔生物支架，羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架表现出显著提高的力学强度。所制备的羟基磷灰石超长纳米线质量含量为25wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的杨氏模量为35.0±3.4kPa，可见，羟基磷灰石超长纳米线具有优异的力学增强效果，可以显著提升复合生物支架的力学性能。
实施例3
将2.000克冻干的胶原海绵溶解到48克的水中，经过搅拌得到均一的胶原水溶液(胶原浓度为0.04g g-1)。将羟基磷灰石超长纳米线分散在水中，得到羟基磷灰石超长纳米线浓度为0.04g g-1的分散液。将所制得的羟基磷灰石超长纳米线分散液与胶原水溶液按照质量比1:1进行混合，在室温下磁力搅拌2小时混合均匀，转移至24孔细胞培养板中，在–20℃冷冻24小时后，冷冻干燥，然后将冷冻干燥后的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架浸泡在含有20mM 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和8mM N-羟基琥珀酰亚胺的80vol.％乙醇/20vol.％水混合溶液中进行化学交联，交联处理12小时后，取出分别用乙醇和水洗涤，再在37℃烘箱烘干。得到羟基磷灰石超长纳米线质量含量分别为50wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架，如图1所示。羟基磷灰石超长纳米线均匀分散在胶原有机质中，相互交织缠绕形成类似织物的结构，使得孔壁表面变得粗糙。相对于纯胶原多孔生物支架，羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架表现出显著提高的力学强度。所制备的羟基磷灰石超长纳米线质量含量为50wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的杨氏模量为45.9±5.4kPa，可见，羟基磷灰石超长纳米线具有优异的力学增强效果，可以显著提升复合生物支架的力学性能。
实施例4
将2.000克冻干的胶原海绵溶解到48克的水中，经过搅拌得到均一的胶原水溶液(胶原浓度为0.04g g-1)。将羟基磷灰石超长纳米线分散在水中，得到羟基磷灰石超长纳米线浓度为0.04g g-1的分散液。将所制得的羟基磷灰石超长纳米线分散液与胶原水溶液按照质量比7:3进行混合，在室温下磁力搅拌2小时混合均匀，转移至24孔细胞培养板中，在–20℃冷冻24小时后，冷冻干燥，然后将冷冻干燥后的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架浸泡在含有20mM 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和8mM N-羟基琥珀酰亚胺的80vol.％乙醇/20vol.％水混合溶液中进行化学交联，交联处理12小时后，取出分别用乙醇和水洗涤，再在37℃烘箱烘干。得到羟基磷灰石超长纳米线质量含量为70wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架，如图1和图3所示。羟基磷灰石超长纳米线均匀分散在胶原有机质中，相互交织缠绕形成类似织物的结构，使得孔壁表面变得粗糙，所述羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的孔径为100～500微米。相对于纯胶原多孔生物支架，羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架表现出显著提高的力学强度。所制备的羟基磷灰石超长纳米线质量含量为70wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的杨氏模量为61.9±7.2kPa，可见，羟基磷灰石超长纳米线具有优异的力学增强效果，可以显著提升复合生物支架的力学性能。
实施例5
将2.000克冻干的胶原海绵溶解到48克的水中，经过搅拌得到均一的胶原水溶液(胶原浓度为0.04g g-1)。将羟基磷灰石超长纳米线分散在水中，得到羟基磷灰石超长纳米线浓度为0.04g g-1的分散液。将所制得的羟基磷灰石超长纳米线分散液与胶原水溶液按照质量比9:1进行混合，在室温下磁力搅拌2小时混合均匀，转移至24孔细胞培养板中，在–20℃冷冻24小时后，冷冻干燥，然后将冷冻干燥后的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架浸泡在含有20mM 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和8mM N-羟基琥珀酰亚胺的80vol.％乙醇/20vol.％水混合溶液中进行化学交联，交联处理12小时后，取出分别用乙醇和水洗涤，再在37℃烘箱烘干。得到羟基磷灰石超长纳米线质量含量为90wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架，如图1所示。相对于纯胶原多孔生物支架，羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架表现出提高的力学强度。所制备的羟基磷灰石超长纳米线质量含量为90wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的杨氏模量为19.6±3.3kPa。
实施例6
将羟基磷灰石超长纳米线分散在水中，得到羟基磷灰石超长纳米线浓度为0.04g g-1的水分散液，然后转移至24孔细胞培养板中，在–20℃冷冻24小时后，冷冻干燥，从而得到具有三维贯通多孔结构的纯羟基磷灰石超长纳米线无机生物支架，如图1和图4所示。羟基磷灰石超长纳米线相互交织缠绕构成无机生物支架的多孔结构，并且孔壁呈现出粗糙多孔状，所述羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的孔径为50～500微米。所制备的纯羟基磷灰石超长纳米线无机生物支架的杨氏模量为13.6±2.1kPa。
对比例1
将2.000克冻干的胶原海绵溶解到48克的水中，经过搅拌得到均一的胶原水溶液(胶原浓度为0.04g g-1)。将羟基磷灰石纳米棒(长度约100nm、直径约10nm)分散在水中，得到浓度为0.04g g-1的羟基磷灰石纳米棒水分散液。将所制得的羟基磷灰石纳米棒分散液与胶原水溶液按照质量比1:3进行混合，在室温下磁力搅拌2小时混合均匀，转移至24孔细胞培养板中，在–20℃冷冻24小时后，冷冻干燥，然后将冷冻干燥后的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架浸泡在含有20mM 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和8mM N-羟基琥珀酰亚胺的80vol.％乙醇/20vol.％水混合溶液中进行化学交联，交联处理12小时后，取出分别用乙醇和水洗涤，再在37℃烘箱烘干。得到羟基磷灰石纳米棒质量含量为25wt.％的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架，如图2所示。所制备的羟基磷灰石纳米棒质量含量为25wt.％的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架的杨氏模量为9.89±2.74kPa。
对比例2
将2.000克冻干的胶原海绵溶解到48克的水中，经过搅拌得到均一的胶原水溶液(胶原浓度为0.04g g-1)。将羟基磷灰石纳米棒(长度约100nm、直径约10nm)分散在水中，得到浓度为0.04g g-1的羟基磷灰石纳米棒水分散液。将所制得的羟基磷灰石纳米棒分散液与胶原水溶液按照质量比1:1进行混合，在室温下磁力搅拌2小时混合均匀，转移至24孔细胞培养板中，在–20℃冷冻24小时后，冷冻干燥，然后将冷冻干燥后的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架浸泡在含有20mM 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和8mM N-羟基琥珀酰亚胺的80vol.％乙醇/20vol.％水混合溶液中进行化学交联，交联处理12小时后，取出分别用乙醇和水洗涤，再在37℃烘箱烘干。得到羟基磷灰石纳米棒质量含量为50wt.％的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架，如图2所示。所制备的羟基磷灰石纳米棒质量含量为50wt.％的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架的杨氏模量为1.91±0.23kPa。
对比例3
将2.000克冻干的胶原海绵溶解到48克的水中，经过搅拌得到均一的胶原水溶液(胶原浓度为0.04g g-1)。将羟基磷灰石纳米棒(长度约100nm、直径约10nm)分散在水中，得到浓度为0.04g g-1的羟基磷灰石纳米棒水分散液。将所制得的羟基磷灰石纳米棒分散液与胶原水溶液按照质量比7:3进行混合，在室温下磁力搅拌2小时混合均匀，转移至24孔细胞培养板中，在–20℃冷冻24小时后，冷冻干燥，然后将冷冻干燥后的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架浸泡在含有20mM 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和8mM N-羟基琥珀酰亚胺的80vol.％乙醇/20vol.％水混合溶液中进行化学交联，交联处理12小时后，取出分别用乙醇和水洗涤，再在37℃烘箱烘干。得到羟基磷灰石纳米棒质量含量为70wt.％的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架，如图2所示。所制备的羟基磷灰石纳米棒质量含量为70wt.％的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架的杨氏模量为0.99±0.02kPa。
对比例4
将2.000克冻干的胶原海绵溶解到48克的水中，经过搅拌得到均一的胶原水溶液(胶原浓度为0.04g g-1)。将羟基磷灰石纳米棒(长度约100nm、直径约10nm)分散在水中，得到浓度为0.04g g-1的羟基磷灰石纳米棒水分散液。将所制得的羟基磷灰石纳米棒分散液与胶原水溶液按照质量比9:1进行混合，在室温下磁力搅拌2小时混合均匀，转移至24孔细胞培养板中，在–20℃冷冻24小时后，冷冻干燥，然后将冷冻干燥后的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架浸泡在含有20mM 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和8mM N-羟基琥珀酰亚胺的80vol.％乙醇/20vol.％水混合溶液中进行化学交联，交联处理12小时后，取出分别用乙醇和水洗涤，再在37℃烘箱烘干。得到羟基磷灰石纳米棒质量含量为90wt.％的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架，如图2所示。
如图2所示。随着羟基磷灰石纳米棒质量含量的增加，羟基磷灰石纳米棒/胶原复合生物支架的尺寸逐渐减小，并且当羟基磷灰石纳米棒质量含量超过70wt.％时，复合生物支架具有较差的力学强度，易破裂，难以形成具有完整结构的复合生物支架。这是由于羟基磷灰石纳米棒长度较短，难以像羟基磷灰石超长纳米线那样相互交织和缠绕形成三维力学增强的多孔结构。此外，羟基磷灰石纳米棒没有表现出力学增强效果，其与胶原复合形成的多孔生物支架表现出比纯胶原多孔生物支架更低的力学强度。相对于纯胶原多孔生物支架和羟基磷灰石纳米棒/胶原复合生物支架，羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架表现出显著提高的力学强度。可见，羟基磷灰石超长纳米线具有优异的力学增强效果，可以显著提升复合生物支架的力学性能。
表1为本发明实施例1-6和对比例1-4制备的复合多孔生物支架的组分和性能参数：
鉴于人骨中无机成分含量约为70wt％，以实施例4为实验组，实施例1和对比例3为对照组，研究了本发明制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架在促进细胞粘附和铺展以及骨缺损修复方面的优势。相对于实施例1中的纯胶原支架和对比例3中的羟基磷灰石纳米棒质量含量为70wt.％的羟基磷灰石纳米棒/胶原复合多孔生物支架，实施例4中的羟基磷灰石超长纳米线质量含量为70wt.％的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有类似于人骨小梁的仿生结构，能够显著促进大鼠间充质干细胞在其表面的粘附、铺展和增殖，显示出更好的生物相容性，实验结果如图5所示。通过对新西兰大白兔桡骨骨缺损模型(骨缺损大小：长15mm，宽3mm，深3mm)分别修复4、8和12周可以发现，所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架相对于纯胶原支架能够更好地促进新骨组织在骨缺损区域的形成，显示出更好的骨缺损修复效果。在骨缺损修复12周时，植入的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架能够诱导大量的交织骨和板层骨在骨缺损部位形成，并且与周围的宿主骨组织整合较好，形成规整的骨髓腔；而植入的纯胶原支架显示出较差的骨缺损修复效果，诱导生成较少的新骨组织，形成不规则的骨髓腔。可见，所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有优异的生物相容性和骨修复能力，可以显著促进大鼠间充质干细胞在其表面的粘附、铺展和增殖以及促进新骨组织在骨缺损区域的形成。
产业应用性：本发明提供的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有多个优点，例如：所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有高生物相容性、环境友好，是一种理想的生物医用材料。所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有可调控的物理化学性质，所含羟基磷灰石超长纳米线的质量含量可以在0～100wt.％连续调控。所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有三维贯通的多孔结构。在所制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架中，羟基磷灰石超长纳米线在胶原有机质中相互交织缠绕构成类似织物的结构，产生显著的力学增强效果，使羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架具有高弹性和优异的力学性能。本发明的制备工艺简单、操作方便，不需要复杂昂贵的设备，易于实现工业化生产。通过本发明所述方法制备的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架在骨缺损修复、吸附过滤、环境保护等领域中具有广阔的应用前景，是一种理想的生物医用材料。

Claims (5)

1.一种羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架，其特征在于，所述羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架是以羟基磷灰石超长纳米线作为无机成分、胶原作为有机成分制备而成。
2.根据权利要求1所述的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架，其特征在于，所述羟基磷灰石超长纳米线与胶原的质量比为1:10～10:1，优选为1:4～4:1。
3.根据权利要求1或2所述的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架，其特征在于，所述羟基磷灰石超长纳米线的直径为5～100纳米、长度为20～2000微米。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架，其特征在于，所述羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架的孔径为1～2000微米。
5.一种如权利要求1～4中任一项所述羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架在生物医学领域、吸附过滤、环境保护领域中的应用。
CN201710691683.3A 2017-08-14 2017-08-14 羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架及其应用 Pending CN107638594A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710691683.3A CN107638594A (zh) 2017-08-14 2017-08-14 羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710691683.3A CN107638594A (zh) 2017-08-14 2017-08-14 羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架及其应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107638594A true CN107638594A (zh) 2018-01-30

Family

ID=61110873

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710691683.3A Pending CN107638594A (zh) 2017-08-14 2017-08-14 羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107638594A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113855857A (zh) * 2021-08-17 2021-12-31 上海市第十人民医院 羟基磷灰石微米管-GelMA水凝胶复合材料、制备方法及应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1526765A (zh) * 2003-09-23 2004-09-08 中国医学科学院生物医学工程研究所 复合骨组织工程支架材料及其制备方法
CN102107022A (zh) * 2011-02-23 2011-06-29 山东大学 天然高分子一羟基磷灰石二级三维网络结构骨组织工程支架材料及其籽晶诱导制备方法
CN104826171A (zh) * 2015-04-23 2015-08-12 西安点云先进材料科技有限公司 一种多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法
CN106565974A (zh) * 2016-10-20 2017-04-19 中国科学院上海硅酸盐研究所 海藻酸盐/羟基磷灰石超长纳米线复合水凝胶
CN106672933A (zh) * 2016-12-02 2017-05-17 中国科学院上海硅酸盐研究所 基于羟基磷灰石超长纳米线的宏观尺度有序结构材料及其制备方法
CN106730022A (zh) * 2016-12-02 2017-05-31 中国科学院上海硅酸盐研究所 基于羟基磷灰石超长纳米线的复合生物纸
CN106806940A (zh) * 2015-12-02 2017-06-09 中国科学院大连化学物理研究所 一种掺杂纳米羟基磷灰石的多孔仿生骨支架的制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1526765A (zh) * 2003-09-23 2004-09-08 中国医学科学院生物医学工程研究所 复合骨组织工程支架材料及其制备方法
CN102107022A (zh) * 2011-02-23 2011-06-29 山东大学 天然高分子一羟基磷灰石二级三维网络结构骨组织工程支架材料及其籽晶诱导制备方法
CN104826171A (zh) * 2015-04-23 2015-08-12 西安点云先进材料科技有限公司 一种多尺度仿生人工骨支架的增材制造方法
CN106806940A (zh) * 2015-12-02 2017-06-09 中国科学院大连化学物理研究所 一种掺杂纳米羟基磷灰石的多孔仿生骨支架的制备方法
CN106565974A (zh) * 2016-10-20 2017-04-19 中国科学院上海硅酸盐研究所 海藻酸盐/羟基磷灰石超长纳米线复合水凝胶
CN106672933A (zh) * 2016-12-02 2017-05-17 中国科学院上海硅酸盐研究所 基于羟基磷灰石超长纳米线的宏观尺度有序结构材料及其制备方法
CN106730022A (zh) * 2016-12-02 2017-05-31 中国科学院上海硅酸盐研究所 基于羟基磷灰石超长纳米线的复合生物纸

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TUAN WEI SUN 等: "Ultralong Hydroxyapatite Nanowire/Collagen Biopaper with High", 《CHEMISTRY-AN ASIAN JOURNAL》 *
陈利 等: "胶原/羟基磷灰石复合材料的制备及用于骨缺损修复的研究现状", 《中华损伤与修复杂志(电子版)》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113855857A (zh) * 2021-08-17 2021-12-31 上海市第十人民医院 羟基磷灰石微米管-GelMA水凝胶复合材料、制备方法及应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Torgbo et al. Bacterial cellulose-based scaffold materials for bone tissue engineering
Torgbo et al. Fabrication of microporous bacterial cellulose embedded with magnetite and hydroxyapatite nanocomposite scaffold for bone tissue engineering
Feng et al. In situ generation of hydroxyapatite on biopolymer particles for fabrication of bone scaffolds owning bioactivity
Zhou et al. Biomimetic fabrication of a three-level hierarchical calcium phosphate/collagen/hydroxyapatite scaffold for bone tissue engineering
WO2018072679A1 (zh) 一种仿生生物矿化人工骨修复材料及其制备方法与应用
Miranda et al. Three-dimensional culture of rat BMMSCs in a porous chitosan-gelatin scaffold: A promising association for bone tissue engineering in oral reconstruction
Gu et al. Hydroxyapatite nanowire composited gelatin cryogel with improved mechanical properties and cell migration for bone regeneration
Maganti et al. Structure–process–property relationship of biomimetic chitosan‐based nanocomposite scaffolds for tissue engineering: biological, physico‐chemical, and mechanical functions
CN101693774B (zh) 纳米羟基磷灰石/天然高分子复合材料及其制备方法和应用
Wei et al. Nanocellulose based hydrogel or aerogel scaffolds for tissue engineering
CN104117098B (zh) 一种具有取向磁场的磁性羟基磷灰石/高分子三维多孔支架材料及其制备方法
CN110665063A (zh) 3d生物打印墨水及其制备方法、组织工程支架及其制备方法
Li et al. Preparation and characterization of homogeneous hydroxyapatite/chitosan composite scaffolds via in-situ hydration
KR102151203B1 (ko) 세포 배양용 지지체 및 그 제조 방법
Van et al. Injectable hydrogel composite based gelatin-PEG and biphasic calcium phosphate nanoparticles for bone regeneration
CN102008752B (zh) 一种具有纳米羟基磷灰石涂层的多孔双相磷酸钙生物支架及其制备
CN100404079C (zh) 一种仿生骨组织工程支架及其制备方法
Van Ho et al. Novel TOCNF reinforced injectable alginate/β-tricalcium phosphate microspheres for bone regeneration
Chen et al. Multi-level customized 3D printing for autogenous implants in skull tissue engineering
CN107213529A (zh) 一种用于提高成骨细胞粘附和成骨性能的可降解医用高分子三维材料的制备方法
CN101856515B (zh) 以壳聚糖和贝壳粉末为原料制备人工骨的方法
CN106075589A (zh) 一种多相杂化微纳结构磁性复合材料及其制备方法
Shi et al. Fabrication, properties, and biomedical applications of calcium-containing cellulose-based composites
CN112076350B (zh) 具有纳米-微米复合结构和高矿物质密度的仿生矿化水凝胶及其制备方法与及应用
CN107638594A (zh) 羟基磷灰石超长纳米线/胶原复合多孔生物支架及其应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180130