CN108283729A - 具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料及其制备方法涉及可注射骨修复材料领域，目的是发展一种负载含镁无机成分的可注射型微球细胞载体。不同于细胞大规模培养技术中常用的交联葡聚糖等微载体，本发明的微球采用生物降解速度具有可调控性的脂肪族聚酯制备，其作为细胞载体，可与其表面粘附生长的细胞一起注射到体内缺损部位，随着组织再生，聚酯微球支架逐渐降解被机体吸收让位于再生的组织。微载体中引入的含镁无机成分，通过选择不同的含镁无机物以及改变它们在微球中的比例和引入量，调控镁离子的释放行为，从而利用镁离子在新骨生成过程中的生物学作用，发展一种具有优异促成骨能力的生物活性微球型骨修复材料。

Description

具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及可注射骨修复材料领域，具体涉及到一种具有可控镁离子释放行为的微球型可注射骨修复材料及其制备方法。
背景技术
骨缺损是临床常见的外科疾病，相对于自体骨移植、异体骨移植和异种骨移植等治疗方法，骨组织工程学为骨缺损的临床修复开拓了一个新的研究领域，有望解决传统移植修复所面临的来源受限、免疫排斥等问题。应用组织工程学原理修复骨缺损，支架材料在其中起着十分重要的作用，不仅作为细胞粘附和增殖的载体，同时还要提供生物活性因素以促进细胞的成骨分化。
聚乳酸及其共聚物这类脂肪族聚酯，具有良好的生物相容性和加工成型性，且生物可降解性可调，是一类广泛应用于生物医学领域的传统可降解生物材料，其作为骨组织工程支架材料也得到了深入研究。但是，这类材料缺乏活性官能团，促组织再生的生物活性不足，且在降解过程中释放的酸性降解产物还存在引起炎症反应的潜在危害，不利于获得满意的骨缺损再生修复效果。解决这些不足的主要思路是仿生天然骨细胞外基质的骨矿成分，向聚酯支架材料中引入与骨矿具有相似化学组成的生物陶瓷成分如羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(TCP)等，通过钙离子和磷酸根离子的持续释放，不仅部分中和聚酯的酸性降解产物，并且释放的离子有效地促进骨再生。除钙磷盐外，镁离子也是天然骨矿中一种重要的成分。研究表明，镁离子取代部分钙离子进入HA晶格，一般位于晶体的边缘位置，对骨矿HA纳米晶体形成的大小和堆积密度有直接影响。同时，镁离子还通过激活碱性磷酸酶间接影响矿物质的代谢，在新骨形成过程中有重要作用。此外，一些体外研究表明，一些含镁无机物如氧化镁对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌均有良好的抑菌作用。因此，向骨组织工程支架中引入含镁的无机成分，调控镁离子的释放行为和释放量，对于制备具有生物活性的功能修复材料用于骨组织再生具有积极意义。
骨组织工程支架往往采用溶液浇铸-粒子沥滤、相分离和3D打印等技术成型，这样得到的多孔支架通常具有与缺损一致的大小和形状，在体内植入过程中，开放性手术往往无法避免。而随着微创手术治疗的发展，可注射支架材料得到了高度关注，除了可注射水凝胶、骨水泥外，粒径合适的微球型载体也具有良好的可注射性。微球型细胞载体的设计，和传统的泡孔细胞支架相似，通过选择合适的生物可降解高分子如脂肪族聚酯和生物活性添加成分如HA或含镁无机成分来制备，由此不仅具有可调节的降解速率，具有促进组织再生的功能，而且微球表面作为细胞粘附增殖的载体，非常适合用于发展新型可注射骨再生修复材料。
发明内容
针对传统生物可降解支架材料脂肪族聚酯生物活性有限、酸性降解产物释放等不足，针对传统三维泡孔型支架材料植入体内需要进行开放性手术的现状，本发明的目的是发展一种负载含镁无机成分的可注射型微球细胞载体。不同于细胞大规模培养技术中常用的交联葡聚糖等微载体，本发明的微球采用生物降解速度具有可调控性的脂肪族聚酯制备，其作为细胞载体，可与其表面粘附生长的细胞一起注射到体内缺损部位，随着组织再生，聚酯微球支架逐渐降解被机体吸收让位于再生的组织。微载体中引入的含镁无机成分，通过选择不同的含镁无机物以及改变它们在微球中的比例和引入量，调控镁离子的释放行为，从而利用镁离子在新骨生成过程中的生物学作用，发展一种具有优异促成骨能力的生物活性微球型骨修复材料。本发明同时提供一种具有可控镁离子释放行为的微球型可注射骨修复材料的制备方法。
本发明的一种具有可控镁离子释放行为的微球型可注射骨修复材料的制备方法，具体如下：
(1)将生物可降解脂肪族聚酯溶于与水不互溶的有机溶剂中，得到浓度为2.5-20wt.％的溶液A。
(2)向步骤(1)制备得到的溶液A中，加入含镁无机物和表面活性剂Span 80，于8000-16000rpm下均质5-20分钟，得到分散液B。
(3)将表面活性剂Tween 60、稳定剂和去离子水混合配置得到溶液C，于300-500rpm搅拌下，向此溶液C中滴加步骤(2)制备得到的分散液B，滴加完毕后，在室温下继续搅拌4-12小时。
(4)停止搅拌，离心收集硬化成型的微球，经去离子水洗涤3次后，冷冻干燥24-48小时，得到所述的具有可控镁离子释放行为的生物可降解微球。进一步，在3000-4000rpm下离心10分钟收集硬化成型的微球。
制备步骤(1)中所述生物可降解脂肪族聚酯，是聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯及它们的共聚物中的任一种，优选的聚合物分子量范围为5-15万，优选的聚合物溶液浓度为2.5–20wt.％。
制备步骤(1)中所述与水不互溶的有机溶剂，优选为二氯甲烷和三氯甲烷中的一种。
制备步骤(2)中所述表面活性剂Span 80，每毫升聚合物溶液添加量为0.5-5毫克，优选范围为0.5-2.5毫克。
制备步骤(2)中所述含镁无机物，为氧化镁和碳酸镁中的一种或两者的混合物，氧化镁和碳酸镁的混合重量比为100:0-0:100，其加入量与脂肪族聚酯的重量比为1:2-1:25。
制备步骤(3)中所述稳定剂，为明胶、聚乙烯醇和聚乙烯基吡咯烷酮中的一种。每毫升去离子水中添加2-20毫克稳定剂，优选范围为5-15毫克。
制备步骤(3)中所述表面活性剂Tween 60，每毫升稳定剂水溶液添加0.5-5毫克，优选范围为0.5-2.5毫克。
由上述方法制备的生物可降解微球，具有规则的球形，其粒径控制在50-200μm，符合作为细胞微载体的尺寸需求，镁离子释放行为可控，同时具有良好的可注射性。
发明效果
本发明所制备的微球型可注射骨修复材料，是一种有机-无机复合微球，能提供利于细胞粘附和增殖的表面。一般而言，采用水包油乳液法制备的脂肪族聚酯微球，其表面光滑，而在本发明中，向微球引入的无机物成分，显著提高微球的表面粗糙度。已有研究表明，而微粗糙表面是有利于细胞粘附和增殖的。以明胶为分散剂时，微球表面吸附的明胶成分，可进一步提高微球对细胞的亲和性。
本发明所制备的有机-无机复合微球，其降解速率由所选用脂肪族聚酯的化学组成和分子量决定，其促成骨活性由镁离子释放行为调控，而镁离子释放行为既取决于所负载含镁无机物的种类和数量，也与脂肪族聚酯的降解速率相关。由于氧化镁和碳酸镁在水中不同的溶解速率，改变两者的比例，有效控制镁离子的释放速率，而脂肪族聚酯降解速率的加快，将有利于镁离子的溶出。因此，本发明的可注射微球型细胞载体具有多重可设计性，在实际应用中，可根据骨再生速率的需要，选择恰当的微球组成，以达到最佳的骨缺损修复效果。
本发明做制备的有机-无机复合微球作为细胞载体，可单独注射使用，或在体外与成骨相关类细胞共培养胡，无需进行细胞消化，将微球/细胞复合物直接注射到骨缺损部位。根据骨缺损所在部位或形状对微球或微球/细胞复合物局部填充的需求，用于注射的液体载体考虑是平衡盐溶液、细胞培养基，或者是可注射水凝胶材料，不仅避免开放性手术，还能更好地满足缺损部位对修复材料的要求。
此外，氧化镁成分具有一定的抑菌功能，当微球中的氧化镁含量达到一定比例后，本发明的有机-无机复合微球可同时具有抑菌和促成骨活性，对于预防缺损部位发生感染，影响再生效果有积极的意义。
以下结合具体实施方式对本发明的内容进行详细说明，但本发明并不限于以下这些实例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
附图说明：
图1：负载有氧化镁和碳酸镁的丙交酯-乙交酯共聚物复合微球。
图2：负载不同比例氧化镁和碳酸镁的丙交酯-乙交酯共聚物复合微球的镁离子释放行为。
图3：复合微球表面粘附生长的骨髓间充质干细胞。(SEM)
具体实施方式：
下面结合具体实例，进一步阐述本发明。以下所采用的氧化镁粉末均为纳米氧化镁，无定形碳酸镁粒径小于15μm。
实施例1：
(1)将1克丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA7525，丙交酯/乙交酯摩尔比75:25，分子量5万)溶于20毫升二氯甲烷溶液，磁力搅拌12小时，得到溶液A。
(2)向溶液A中加入20毫克Span 80，以及0.05克、0.1克或0.2克的氧化镁粉末，在12000rpm下均质5分钟，得到分散液B。
(3)将0.2克Tween 60，2克聚乙烯醇(PVA 1788)溶于200毫升去离子水中得到溶液C，在300rpm搅拌下，向此溶液C中滴加步骤(2)制备得到的分散液B，滴加完毕后，在室温下继续搅拌8小时，进行二氯甲烷溶剂的挥发。
(4)停止搅拌，在4000rpm下离心10分钟收集硬化成型的微球，经去离子水洗涤3次后，冷冻干燥24小时，得到氧化镁与PLGA重量比为1:20、1:10和1:5的有机-无机复合微球PMg-I、PMg-II和PMg-III，其微球直径分别为105±17μm、133±20μm、170±27μm。
实施例2
(1)将1克丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA7525，丙交酯/乙交酯摩尔比75:25，分子量5万)溶于20毫升二氯甲烷溶液，磁力搅拌12小时，得到溶液A。
(2)向溶液A中加入20毫克Span 80，以及0.05克、0.1克或0.2克的碳酸镁粉末，在12000rpm下均质5分钟，得到分散液B。
(3)将0.2克Tween 60，2克聚乙烯醇(PVA 1788)溶于200毫升去离子水中得到溶液C，在300rpm搅拌下，向此溶液C中滴加步骤(2)制备得到的分散液B，滴加完毕后，在室温下继续搅拌8小时，进行二氯甲烷溶剂的挥发。
(4)停止搅拌，在4000rpm下离心10分钟收集硬化成型的微球，经去离子水洗涤3次后，冷冻干燥24小时，得到碳酸镁与PLGA重量比为1:20、1:10和1:5的有机-无机复合微球PMC-I、PMC-II和PMC-III，其微球直径分别为99±16μm、97±20μm、98±22μm。
实施例3
(1)将1克丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA7525，丙交酯/乙交酯摩尔比75:25，分子量5万)溶于20毫升二氯甲烷溶液，磁力搅拌12小时，得到溶液A。
(2)向溶液A中加入20毫克Span 80，以及0.2克的氧化镁和碳酸镁粉末，氧化镁与碳酸镁质量比分别为3:1、1:1、1:3，在12000rpm下均质5分钟，得到分散液B。
(3)将0.2克Tween 60，2克聚乙烯醇(PVA 1788)溶于200毫升去离子水中得到溶液C，在300rpm搅拌下，向此溶液C中滴加步骤(2)制备得到的分散液B，滴加完毕后，在室温下继续搅拌8小时，进行二氯甲烷溶剂的挥发。
(4)停止搅拌，在4000rpm下离心10分钟收集硬化成型的微球，经去离子水洗涤3次后，冷冻干燥24小时，得到无机粉末与PLGA重量比为1:5、氧化镁与碳酸镁质量比为3:1、1:1、1:3的有机-无机复合微球PMMC-I、PMMC-II和PMMC-III，其微球直径分别为137±37μm、131±39μm、129±28μm。
实施例4
(1)将1克丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA7525，丙交酯/乙交酯摩尔比75:25，分子量10万)溶于40毫升二氯甲烷溶液，磁力搅拌12小时，得到溶液A。
(2)向溶液A中加入40毫克Span 80，以及0.2克的氧化镁和碳酸镁粉末，氧化镁与碳酸镁质量比分别为3:1、1:1、1:3，在12000rpm下均质5分钟，得到分散液B。
(3)将0.2克Tween 60，2克聚乙烯醇(PVA 1788)溶于200毫升去离子水中得到溶液C，在300rpm搅拌下，向此溶液C中滴加步骤(2)制备得到的分散液B，滴加完毕后，在室温下继续搅拌8小时，进行二氯甲烷溶剂的挥发。
(4)停止搅拌，在4000rpm下离心10分钟收集硬化成型的微球，经去离子水洗涤3次后，冷冻干燥24小时，得到无机粉末与PLGA(10万分子量)重量比为1:5、氧化镁与碳酸镁质量比为3:1、1:1、1:3的有机-无机复合微球P10-I、P10-II和P10-III。
实施例5
(1)将1克聚丙交酯(PLLA，分子量5万)溶于20毫升二氯甲烷溶液，磁力搅拌12小时，得到溶液A。
(2)向溶液A中加入20毫克Span 80，以及0.2克的氧化镁和碳酸镁粉末，氧化镁与碳酸镁质量比分别为3:1、1:1、1:3，在12000rpm下均质5分钟，得到分散液B。
(3)将0.2克Tween 60，2克聚乙烯醇(PVA 1788)溶于200毫升去离子水中得到溶液C，在300rpm搅拌下，向此溶液C中滴加步骤(2)制备得到的分散液B，滴加完毕后，在室温下继续搅拌4小时，进行二氯甲烷溶剂的挥发。
(4)停止搅拌，在4000rpm下离心10分钟收集硬化成型的微球，经去离子水洗涤3次后，冷冻干燥24小时，得到无机粉末与PLLA重量比为1:5、氧化镁与碳酸镁质量比为3:1、1:1、1:3的有机-无机复合微球PLM-I、PLM-II和PLM-III。
实施例6
(1)将1克丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA7525，丙交酯/乙交酯摩尔比75:25，分子量5万)溶于20毫升二氯甲烷溶液，磁力搅拌12小时，得到溶液A。
(2)向溶液A中加入20毫克Span 80，以及0.2克的氧化镁和碳酸镁粉末，氧化镁与碳酸镁质量比分别为3:1、1:1、1:3，在12000rpm下均质5分钟，得到分散液B。
(3)将0.2克Tween 60，2克明胶溶于200毫升去离子水中得到溶液C，在37℃水浴、300rpm搅拌下，向此溶液C中滴加步骤(2)制备得到的分散液B，滴加完毕后，在37℃水浴中继续搅拌8小时，进行二氯甲烷溶剂的挥发。
(4)停止搅拌，在4000rpm下离心10分钟收集硬化成型的微球，经去离子水洗涤3次后，冷冻干燥24小时，得到表面具有明胶涂层、无机粉末与PLGA重量比为1:5、氧化镁与碳酸镁质量比为3:1、1:1、1:3的有机-无机复合微球PGM-I、PGM-II和PGM-III。
实施例7
将实施例1-6制备的复合微球，各取30毫克，分别悬浮于10毫升、pH 7.4的磷酸盐缓冲溶液中，置于37℃、60rpm的恒温水浴震荡摇床中，分别在第3、7、14、21、28天，将微球离心分离，通过电感耦合等离子体发射光谱法检测上清液中镁离子浓度，比较不同组成复合微球的镁离子释放行为。以实施例1-6制备的复合微球PMg-III、PMC-III、PMMC-I、PMMC-II和PMMC-III为例，PMC-III氧化镁添加量为0，镁离子线性释放，前7天释放量为35μg/ml，一个月累计释放量为75μg/ml。增加氧化镁添加量，使氧化镁占无机物组分比例25％-75％时，即PMMC-I、PMMC-II和PMMC-III镁离子前7天释放量可达75-150μg/ml，一个月累计释放量为125-200μg/ml。PMg-III氧化镁占无机物组分比例为100％，镁离子前7天释放量可达230μg/ml，一个月累计释放量为250μg/ml。
实施例8
将实施例1-6制备的复合微球，各取3毫克，经消毒后置于细胞培养24孔板中，每孔分别滴加1毫升细胞悬液(含1万个细胞)。每两天更换一次细胞培养基，在第5天将培养基全部吸出，平衡盐溶液清洗3遍后，使用乙醇与水体积比为3：1的75％酒精200微升固定15分钟。将酒精吸出后风干。使用扫描电子显微镜观察微球表面细胞形貌。

Claims (10)

1.一种具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料，其特征在于，包括聚乳酸类可生物降解聚酯和含镁无机物，所述聚乳酸类可生物降解材料和含镁无机物形成以聚乳酸类可生物降解聚酯为连续相，含镁无机物为分散相的微球结构，所述聚乳酸类可生物降解聚酯包覆含镁无机物；镁离子释放行为通过含镁无机物中氧化镁和碳酸镁添加比例调控。
2.制备如权利要求1所述的一种具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料的方法，其特征是通过以下步骤完成：
(1)将聚乳酸类可生物降解聚酯溶于二氯甲烷溶液中，磁力搅拌12-24h，作为油相；
(2)含镁无机物作为固相，将油溶性表面活性剂Span 80和含镁无机物加入(1)中聚合物溶液中，使用均质机均质，形成S/O初乳液；含镁无机物包括氧化镁和碳酸镁；
(3)将水溶性表面活性剂Tween 60和稳定剂加入水溶液中，搅拌均匀，形成外水相；
(4)将(2)中初乳液滴入(3)中溶液中，滴加完毕后，在室温下继续搅拌4-12小时，进行二氯甲烷溶剂的挥发；
(5)停止搅拌，离心收集硬化成型的微球，经去离子水洗涤后，冷冻干燥24-48小时。
3.根据权利要求2所述的具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料的制备方法，其特征是步骤(1)中用到的聚乳酸类可生物降解聚酯，是聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯及它们的共聚物中的一种；作为油相的聚合物溶液浓度为2.5-20wt％。
4.根据权利要求2所述的具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料的制备方法，其特征是步骤(2)中用到的含镁无机物为纳米氧化镁和无定形碳酸镁；无定形碳酸镁粒径小于15μm。
5.根据权利要求2所述的具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料的制备方法，其特征是步骤(2)中每毫升聚合物溶液添加0.5-5毫克Span 80。
6.根据权利要求2所述的具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料的制备方法，其特征是步骤(3)中用到的稳定剂，为明胶、聚乙烯醇和聚乙烯基吡咯烷酮中的一种，每毫升去离子水中添加2-20毫克稳定剂。
7.根据权利要求2所述的具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料的制备方法，其特征是步骤(3)中每毫升稳定剂水溶液添加0.5-5毫克Tween 60。
8.根据权利要求2所述的具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料的制备方法，其特征是制得微球粒径为50-200μm。
9.根据权利要求2所述的具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料的制备方法，其特征是制得微球均能在一个月内持续释放镁离子，镁离子释放行为通过氧化镁和碳酸镁添加比例调控。
10.根据权利要求2所述的具有可控镁离子释放行为的可注射骨修复材料的制备方法，其特征是制得微球通过平衡盐溶液、细胞培养基或可注射水凝胶材料载体注射入骨缺损部位。
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