CN108261568B - 复合梯度骨修复材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合梯度骨修复材料及其制备方法，复合梯度骨修复材料包括大孔隙主体和附着在大孔隙主体上的小孔隙外层；大孔隙主体的孔隙的直径为100μm～1000μm，小孔隙外层的孔隙的直径为0.1μm～20μm；大孔隙主体的材料为天然骨颗粒和人工骨颗粒混合形成的混合物；小孔隙外层的材料为所述天然骨颗粒和所述人工骨颗粒混合形成的混合物；复合梯度骨修复材料包括大孔隙主体和附着在大孔隙主体上的小孔隙外层，大孔隙主体和小孔隙外层的材料均为天然骨颗粒和人工骨颗粒混合形成的混合物，相对于传统的在保留了天然骨的骨结构的天然骨表面进行复合得到的复合梯度骨修复材料，这种复合梯度骨修复材料的均匀性和稳定性较好。

Description

复合梯度骨修复材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及医疗材料领域，特别是涉及一种复合梯度骨修复材料及其制备方法。
背景技术
人们常常会由于创伤、肿瘤、炎症等原因造成骨缺损，使得必须使用骨移植手术和骨修复材料对骨缺损进行修复。骨修复材料通常包括自体骨、同种异体骨、异种骨和人工合成骨。自体骨被誉为治疗骨缺损的“金标准”，但是由于需要从患者自身健康区域供骨，附加手术会造成二次伤害、疼痛和感染等不利影响。同种异体骨和异种骨材料源于天然骨，成分为磷灰石，含有对骨形成、降解速率影响显著的锶、镁、硅和氟等微量元素。但是，由于制备工艺控制不当而引起的病毒传染、免疫源性等问题也加大了使用的风险。通过高温煅烧处理后，保留微量元素的基础上可以消除病毒传染、免疫源性等风险，但是由于磷灰石晶粒长大，使得降解速率进一步减慢。影响了新骨在骨缺损的形成的速率。
人工骨具有无免疫源性、病毒传染等方面的风险。人工骨包括磷酸三钙、硫酸钙、羟基磷灰石等，其中磷酸三钙和硫酸钙材料的降解速率较快，而羟基磷灰石的降解速率较慢。
传统的含有天然骨和人工骨的复合骨修复材料通常是将天然骨的骨结构保留，而在表面进行人工骨和天然骨的复合，这样子得到的复合骨修复材料由于天然骨和人工骨没有均匀的复合在一起，因而均匀性和稳定性较差。
发明内容
基于此，有必要提供一种均匀性和稳定性较好的复合梯度骨修复材料及其制备方法。
一种复合梯度骨修复材料，包括大孔隙主体和附着在所述大孔隙主体上的小孔隙外层；
所述大孔隙主体的孔隙的直径为100μm～1000μm，所述小孔隙外层的孔隙的直径为0.1μm～20μm；
所述大孔隙主体的材料为天然骨颗粒和人工骨颗粒混合形成的混合物，所述大孔隙主体中所述天然骨颗粒的质量百分比为5％～95％；
所述小孔隙外层的材料为所述天然骨颗粒和所述人工骨颗粒混合形成的混合物，所述小孔隙外层中所述天然骨颗粒的质量百分比为5％～95％；
所述小孔隙外层的所述天然骨颗粒的质量百分比高于所述大孔隙主体的所述天然骨颗粒的质量百分比。
在一个实施例中，还包括位于所述大孔隙主体和所述小孔隙外层之间的中孔隙过渡层，所述中孔隙过渡层的孔隙的直径为20μm～100μm；
所述大孔隙主体、所述中孔隙过渡层和所述小孔隙外层的孔隙的直径依次减小。
在一个实施例中，所述中孔隙过渡层的材料为所述天然骨颗粒和所述人工骨颗粒混合形成的混合物，所述中孔隙过渡层中所述天然骨颗粒的质量百分比为45％～75％；
所述大孔隙主体中所述天然骨颗粒的质量百分比为5％～50％，所述小孔隙外层中所述天然骨颗粒的质量百分比为50％～95％；
所述大孔隙主体、所述中孔隙过渡层和所述小孔隙外层中所述天然骨颗粒的质量百分比依次升高。
在一个实施例中，所述小孔隙外层层叠在所述大孔隙主体上。
在一个实施例中，所述小孔隙外层包覆在所述大孔隙主体的外周。
在一个实施例中，所述天然骨颗粒和所述人工骨颗粒的粒径均为0.1μm～10μm。
在一个实施例中，所述天然骨颗粒的原料选自牛骨、猪骨、羊骨和兔骨中的至少一种；
所述天然骨颗粒的原料选自松质骨和皮质骨中的一种或两种。
在一个实施例中，所述人工骨颗粒的材料选自α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸四钙、磷酸八钙、无水磷酸氢钙、二水合磷酸氢钙、硫酸钙和硅酸钙中的至少一种。
一种上述的复合梯度骨修复材料的制备方法，包括如下步骤：
将天然骨头除去有机质后800℃～1000℃下煅烧1h～4h，接着粉碎，得到天然骨颗粒；
输入预设的包括大孔隙主体和附着在所述大孔隙主体上的小孔隙外层的所述复合梯度骨修复材料的三维模型，接着采用3d打印技术利用所述天然骨颗粒、人工骨颗粒和粘接剂形成的浆料打印所述大孔隙主体和附着在所述大孔隙主体上的小孔隙外层，得到复合梯度骨修复材料前体；以及
将所述复合梯度骨修复材料前体在900℃～1200℃下烧结1h～4h以去除所述粘接剂，得到所述复合梯度骨修复材料。
在一个实施例中，所述将所述复合梯度骨修复材料前体在900℃～1200℃下烧结1h～4h以去除所述粘接剂的操作为：以80℃/min～120℃/min的升温速度将所述复合梯度骨修复材料前体升温至550℃～650℃并保温0.5h～1.5h以去除所述粘接剂，接着以5℃/min～20℃/min的升温速度将所述复合梯度骨修复材料前体升温至900℃～1200℃并保温1h～4h。
复合梯度骨修复材料包括大孔隙主体和附着在大孔隙主体上的小孔隙外层，大孔隙主体和小孔隙外层的材料均为天然骨颗粒和人工骨颗粒混合形成的混合物，相对于传统的在保留了天然骨的骨结构的天然骨表面进行复合得到的复合梯度骨修复材料，这种复合梯度骨修复材料的均匀性和稳定性较好。
附图说明
图1为一实施方式的复合梯度骨修复材料的结构；
图2另一实施方式的复合梯度骨修复材料的结构；
图3另一实施方式的复合梯度骨修复材料的结构；
图4另一实施方式的复合梯度骨修复材料的结构。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
如图1所示，一种实施方式的复合梯度骨修复材料100，包括大孔隙主体110和附着在大孔隙主体110上的小孔隙外层130。
大孔隙主体110的孔隙的直径为100μm～1000μm，小孔隙外层130的孔隙的直径为0.1μm～20μm。
大孔隙主体110的材料为天然骨颗粒和人工骨颗粒混合形成的混合物，大孔隙主体110中天然骨颗粒的质量百分比为5％～95％。
小孔隙外层130的材料为天然骨颗粒和人工骨颗粒混合形成的混合物，小孔隙外层130中天然骨颗粒的质量百分比为5％～95％。
小孔隙外层130的天然骨颗粒的质量百分比高于大孔隙主体110的天然骨颗粒的质量百分比。
优选的，大孔隙主体110中天然骨颗粒的质量百分比为5％～50％(最优为40％)，小孔隙外层130中所述天然骨颗粒的质量百分比为50％～95％(最优为60％)。
天然骨颗粒和人工骨颗粒的粒径均为0.1μm～10μm。
天然骨颗粒的原料选自牛骨、猪骨、羊骨和兔骨中的至少一种(优选为牛骨和猪骨)。
天然骨颗粒的原料选自松质骨和皮质骨中的一种或两种。
人工骨颗粒的材料选自α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸四钙、磷酸八钙、无水磷酸氢钙、二水合磷酸氢钙、硫酸钙和硅酸钙中的至少一种(优选为β-磷酸三钙)。
结合图1，本实施方式中，小孔隙外层130包覆在大孔隙主体110的外周。
结合图2，另一实施方式的复合梯度骨修复材料200，包括大孔隙主体210和附着在大孔隙主体210上的小孔隙外层230。
复合梯度骨修复材料200与复合梯度骨修复材料100的区别仅在于，小孔隙外层230层叠在大孔隙主体210上。
结合图3，另一实施方式的复合梯度骨修复材料300，包括大孔隙主体310和附着在大孔隙主体310上的小孔隙外层330。
复合梯度骨修复材料300与复合梯度骨修复材料100的区别仅在于，还包括位于大孔隙主体310和小孔隙外层330之间的中孔隙过渡层320，中孔隙过渡层320包覆在大孔隙主体110的外周，小孔隙外层130包覆在中孔隙过渡层320的外周。
中孔隙过渡层320的孔隙的直径为20μm～100μm。
大孔隙主体310、中孔隙过渡层320和小孔隙外层330的孔隙的直径依次减小。
中孔隙过渡层320的材料为天然骨颗粒和人工骨颗粒混合形成的混合物，中孔隙过渡层320中天然骨颗粒的质量百分比为45％～75％(最优为50％)。
大孔隙主体310中天然骨颗粒的质量百分比为5％～50％(最优为40％)，小孔隙外层330中所述天然骨颗粒的质量百分比为50％～95％(最优为60％)。
大孔隙主体310、中孔隙过渡层320和小孔隙外层330中天然骨颗粒的质量百分比依次升高。
结合图4，另一实施方式的复合梯度骨修复材料400，包括大孔隙主体410和附着在大孔隙主体410上的小孔隙外层430，还包括位于大孔隙主体410和小孔隙外层430之间的中孔隙过渡层420。
复合梯度骨修复材料400与复合梯度骨修复材料300的区别仅在于，中孔隙过渡层420层叠在大孔隙主体410上，小孔隙外层430层叠在中孔隙过渡层420上。
上述复合梯度骨修复材料100(200/300/400)的大孔隙主体110(210/310/410)和小孔隙外层130(230/330/430)的材料均为天然骨颗粒和人工骨颗粒混合形成的混合物，相对于传统的在保留了天然骨的骨结构的天然骨表面进行复合得到的复合梯度骨修复材料，这种复合梯度骨修复材料100的均匀性和稳定性较好。
此外，人工骨颗粒的材料选自α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸四钙、磷酸八钙、无水磷酸氢钙、二水合磷酸氢钙、硫酸钙和硅酸钙中的至少一种，上述材料基本消除了免疫源性、病毒等风险的煅烧骨的组分和微量元素和更和天然骨相似，因而具有更好的生物相容性，降解性能，力学性能等特点。
在结构梯度的基础上加入了组分梯度，不同的结构区域具有不同含量的天然骨配比，将天然骨组分较多的组分用于构建仿皮质骨的更为致密的区域，而将天然骨组分较少的组分用于构建仿松质骨的更为疏松的区域。
上述复合梯度骨修复材料100(200/300/400)可以采用3d打印、注浆法、压干法等方法制得，下面仅仅以采用3d打印法制备如图1所示的复合梯度骨修复材料100为例进行说明。
一实施方式的上述复合梯度骨修复材料100的制备方法，包括如下步骤：
S10、将天然骨头除去有机质后800℃～1000℃(优选为900℃)下煅烧1h～4h(优选为2h)，接着粉碎，得到天然骨颗粒。
将天然骨头除去有机质的操作为：使用乙醚反复浸泡天然骨头，除去脂肪成分后用浓度为0.1～1mol/L的氢氧化钠溶液除去天然骨中的蛋白成分。
粉碎的操作可以采用气流粉碎机完成。
S20、输入预设的包括大孔隙主体和附着在大孔隙主体上的小孔隙外层的复合梯度骨修复材料的三维模型，接着采用3d打印技术利用天然骨颗粒、人工骨颗粒和粘接剂溶液形成的浆料打印大孔隙主体和附着在大孔隙主体上的小孔隙外层，得到复合梯度骨修复材料前体。
天然骨颗粒、人工骨颗粒和粘接剂形成的浆料通过如下操作制备：将天然骨颗粒和人工骨颗粒混合后球磨，接着烘干，然后继续破碎至粒径为0.1μm～10μm，接着与粘接剂的溶液混合，形成浆料。
粘接剂可以为PVA。
S30、将复合梯度骨修复材料前体在900℃～1200℃下烧结1h～4h以去除粘接剂，得到所述复合梯度骨修复材料。
将复合梯度骨修复材料前体在900℃～1200℃下烧结1h～4h以去除粘接剂的操作为：以80℃/min～120℃/min(优选为100℃/min)的升温速度将复合梯度骨修复材料前体升温至550℃～650℃(优选为600℃)并保温0.5h～1.5h(优选为1h)以去除粘接剂，接着以5℃/min～20℃/min(优选为10℃/min)的升温速度将复合梯度骨修复材料前体升温至900℃～1200℃(优选为1000℃)并保温1h～4h(优选为2h)。
天然骨头煅烧后破碎得到的天然骨颗粒和人工骨颗粒进行复合的方式，可以弥补天然骨头降解速率较慢的缺点，以及人工骨颗粒成分微量元素较少的缺陷。
以下为具体实施例。
实施例1
1、取新鲜牛骨，切除皮质骨及多余肌肉组织等，并且使用清水冲刷干净，只留下松质骨区域。
2、将牛骨浸泡在乙醚中，并使用搅拌器进行搅拌，搅拌速率为400rpm，每天更换三次乙醚，搅拌三天。而后使用清水搅拌1日，更换3次水，去除多余乙醚。
3、将步骤2中处理后的牛骨放入1mol/L的NaOH溶液中搅拌，搅拌速率为400rpm。每日更换3次乙醚，搅拌三天，而后使用清水搅拌清洗2日，每日更换3次水，去除多余氢氧化钠。
4、将步骤3中处理后的牛骨放入马弗炉中煅烧，煅烧温度为800℃，升温速率为10℃/min，保温时间为2h，冷却后使用气流粉碎机破碎成骨粉。
5、将骨粉和β-磷酸三钙按照80％/20％和20％/80％的比例称量，球磨后继续破碎成粉末备用。
6、设计如图2所示的2层梯度结构支架的CAD图纸。
7、将步骤5中制备的粉末和6％的PVA溶液按照5：3的比例进行混合成膏状后，使用3D打印机打印支架。其中80％/20％的浆料打印上层，20％/80％的浆料打印下层。
8、将步骤7中打印好的支架烘干，而后在1000℃条件下进行烧结，升温速率为100℃/h至600℃并保温1h完全去除PVA，而后10℃/min的速率升温至1000℃，保温2h。降温后取出即可制得梯度支架。
实施例2
1、取新鲜猪骨，去除多余肌肉组织等，并且使用清水冲刷干净，只留下皮质骨和松质骨区域。
2、将猪骨浸泡在乙醚中，并使用搅拌器进行搅拌，搅拌速率为400rpm，每天更换三次乙醚，搅拌三天。而后使用清水搅拌1日，更换3次水，去除多余乙醚。
3、将步骤2中处理后的猪骨放入1mol/L的NaOH溶液中搅拌，搅拌速率为400rpm。每日更换3次乙醚，搅拌三天，而后使用清水搅拌清洗2日，每日更换3次水，去除多余氢氧化钠。
4、将步骤3中处理后的牛骨放入马弗炉中煅烧，煅烧温度为800℃，升温速率为10℃/min，保温时间为2h，冷却后使用气流粉碎机破碎成骨粉。
5、将骨粉和β-磷酸三钙按60％/40％、50％/50％以及40％/60％的比例称量，球磨后继续破碎成粉末备用。
6、设计图4所示的3层梯度结构支架的CAD图纸。
7、将步骤5中制备的粉末和6％的PVA溶液按照5：3的比例进行混合成膏状后，使用3D打印机打印支架。其中60％/40％的浆料打印外层，50％/50％的浆料打印中层，40％/60％的浆料打印内层。
8、将步骤7中打印好的支架烘干，而后在1000℃条件下进行烧结，升温速率为100℃/h至600℃并保温1h完全去除PVA，而后10℃/min的速率升温至1000℃，保温2h。降温后取出即可制得梯度支架。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种复合梯度骨修复材料，其特征在于，包括大孔隙主体和附着在所述大孔隙主体上的小孔隙外层；
所述大孔隙主体的孔隙的直径为100μm～1000μm，所述小孔隙外层的孔隙的直径为0.1μm～20μm；
所述大孔隙主体的材料为天然骨颗粒和人工骨颗粒混合形成的混合物，所述大孔隙主体中所述天然骨颗粒的质量百分比为5％～95％；
所述小孔隙外层的材料为所述天然骨颗粒和所述人工骨颗粒混合形成的混合物，所述小孔隙外层中所述天然骨颗粒的质量百分比为5％～95％；
所述小孔隙外层的所述天然骨颗粒的质量百分比高于所述大孔隙主体的所述天然骨颗粒的质量百分比；
所述天然骨颗粒和所述人工骨颗粒的粒径均为0.1μm～10μm。
2.根据权利要求1所述的复合梯度骨修复材料，其特征在于，还包括位于所述大孔隙主体和所述小孔隙外层之间的中孔隙过渡层，所述中孔隙过渡层的孔隙的直径为20μm～100μm；
所述大孔隙主体、所述中孔隙过渡层和所述小孔隙外层的孔隙的直径依次减小。
3.根据权利要求2所述的复合梯度骨修复材料，其特征在于，所述中孔隙过渡层的材料为所述天然骨颗粒和所述人工骨颗粒混合形成的混合物，所述中孔隙过渡层中所述天然骨颗粒的质量百分比为45％～75％；
所述大孔隙主体中所述天然骨颗粒的质量百分比为5％～50％，所述小孔隙外层中所述天然骨颗粒的质量百分比为50％～95％；
所述大孔隙主体、所述中孔隙过渡层和所述小孔隙外层中所述天然骨颗粒的质量百分比依次升高。
4.根据权利要求1所述的复合梯度骨修复材料，其特征在于，所述小孔隙外层层叠在所述大孔隙主体上。
5.根据权利要求1所述的复合梯度骨修复材料，其特征在于，所述小孔隙外层包覆在所述大孔隙主体的外周。
6.根据权利要求1所述的复合梯度骨修复材料，其特征在于，所述天然骨颗粒的原料选自牛骨、猪骨、羊骨和兔骨中的至少一种；
所述天然骨颗粒的原料选自松质骨和皮质骨中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述的复合梯度骨修复材料，其特征在于，所述人工骨颗粒的材料选自α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸四钙、磷酸八钙、无水磷酸氢钙、二水合磷酸氢钙、硫酸钙和硅酸钙中的至少一种。
8.一种权利要求1～7中任一项所述的复合梯度骨修复材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将天然骨头除去有机质后800℃～1000℃下煅烧1h～4h，接着粉碎，得到天然骨颗粒；
输入预设的包括大孔隙主体和附着在所述大孔隙主体上的小孔隙外层的所述复合梯度骨修复材料的三维模型，接着采用3d打印技术利用所述天然骨颗粒、人工骨颗粒和粘接剂形成的浆料打印所述大孔隙主体和附着在所述大孔隙主体上的小孔隙外层，得到复合梯度骨修复材料前体；以及
将所述复合梯度骨修复材料前体在900℃～1200℃下烧结1h～4h以去除所述粘接剂，得到所述复合梯度骨修复材料。
9.根据权利要求8所述的复合梯度骨修复材料的制备方法，其特征在于，所述将所述复合梯度骨修复材料前体在900℃～1200℃下烧结1h～4h以去除所述粘接剂的操作为：以80℃/min～120℃/min的升温速度将所述复合梯度骨修复材料前体升温至550℃～650℃并保温0.5h～1.5h以去除所述粘接剂，接着以5℃/min～20℃/min的升温速度将所述复合梯度骨修复材料前体升温至900℃～1200℃并保温1h～4h。
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