CN108310455A - 纳米羟基磷灰石、磷酸化聚酯复合骨修复材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物医学技术领域，特别涉及一种纳米羟基磷灰石、磷酸化聚酯复合骨修复材料及其制备方法。本发明首先提供了一种骨修复材料，所述骨修复材料的制备原料中包括以下质量百分比的组分：纳米羟基磷灰石30~60%，磷酸化聚酯40~70%。本发明提供的骨修复材料为纳米羟基磷灰石/磷酸化聚酯复合骨修复材料，是由纳米级的羟基磷灰石成分与磷酸化聚酯形成的纳米复合生物骨修复材料，并非是由纳米羟基磷灰石粉末与聚碳酸酯的机械混合产物，得到的复合材料中纳米羟基磷灰石分散很均匀，其综合性能也更加优良，在骨组织的修复替代方面具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学技术领域，特别涉及一种纳米羟基磷灰石、磷酸化聚酯复合骨修复材料及其制备方法。
背景技术
每年由于交通事故，疾病等造成的骨损伤达几千万，传统的骨修复材料如：医用金属或合金、陶瓷等材料已不能满足当前临床医疗工作的需要。科研工作者们尝试将各种材料用于骨修复中，包括天然材料和合成材料，但目前的材料仍存在生物降解性、力学性能、生物相容性等方面的问题。
人体骨本身是由羟基磷灰石和胶原组成的复合材料，羟基磷灰石作为骨的主要无机成分，具有良好的生物活性，生物相容性，但是其脆性限制了其在骨修复方面的使用范围。目前特别需要制备一种性能优异的复合生物材料。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种骨修复材料、支架及其制备方法，该骨修复材料既具有纳米羟基磷灰石良好的生物活性、生物相容性，同时又具有聚合物的可降解性能，良好的力学性能，能满足骨修复的需求。
本发明第一方面提供了一种骨修复材料，所述骨修复材料由以下质量百分比的原料组成：纳米羟基磷灰石30～60％，磷酸化聚酯40～70％。
纳米羟基磷灰石可通市购途径获得，也可以根据现有技术自行制备。其中的纳米是指羟基磷灰石的粒径大小。
于本发明的一个实施例中，所述骨修复材料的制备原料中包括以下质量百分比的组分：纳米羟基磷灰石40～60％，磷酸化聚酯40～60％。
于本发明的一个实施例中，所述骨修复材料的制备原料中包括以下质量百分比的组分：纳米羟基磷灰石40～50％，磷酸化聚酯50～60％。
于本发明的一个实施例中，所述骨修复材料的制备原料中包括以下质量百分比的组分：纳米羟基磷灰石50～60％，磷酸化聚酯40～50％。于本发明的一个实施例中，所述磷酸化聚酯为聚(癸二酰甘油二酯)磷酸酯。
第二方面，本发明还提供了一种第一方面所述的骨修复材料的制备方法，包括如下步骤：(a1)制备磷酸化聚酯；(a2)制备含有纳米羟基磷灰石和磷酸化聚酯的混合溶液；(a3)待所述混合溶液的溶剂挥发后，交联；冷冻干燥后得到所述骨修复支架。
于本发明的一个实施例中，所述纳米羟基磷灰石和所述磷酸化聚酯的重量比为3:7～6:4。
于本发明的一个实施例中，所述纳米羟基磷灰石和所述磷酸化聚酯的重量比为4：6～6：4。
于本发明的一个实施例中，所述纳米羟基磷灰石和所述磷酸化聚酯的重量比为4：6～5：5。
于本发明的一个实施例中，所述纳米羟基磷灰石和所述磷酸化聚酯的重量比为5：5～6：4。
本发明的第三方面，提供前述骨修复材料在制备骨修复支架、载药中的用途。
第四方面，本发明还提供了一种骨修复支架，由第一方面所述的骨修复材料制备而成。
第五方面，本发明还提供了一种第四方面所述的骨修复支架的制备方法，包括以下步骤：(b1)制备磷酸化聚酯；(b2)制备含有纳米羟基磷灰石和磷酸化聚酯的混合溶液；(b3)将盐模放入到所述混合溶液中；待所述混合溶液的溶剂挥发后，交联；溶解掉所述盐模；冷冻干燥后得到所述骨修复支架。
于本发明的一个实施例中，所述纳米羟基磷灰石和所述磷酸化聚酯的重量比为3:7～6:4。
于本发明的一个实施例中，所述纳米羟基磷灰石和所述磷酸化聚酯的重量比为4：6～6：4。
于本发明的一个实施例中，所述纳米羟基磷灰石和所述磷酸化聚酯的重量比为4：6～5：5。
于本发明的一个实施例中，所述纳米羟基磷灰石和所述磷酸化聚酯的重量比为5：5～6：4。
于本发明的一个实施例中，所述磷酸化聚酯为聚(癸二酰甘油二酯)磷酸酯；所述步骤(b1)包括：取等物质的量的癸二酸和甘油，熔融后，通保护气搅拌第一预设时间，并维持熔融状态第二预设时间，然后降至室温，得到聚癸二酸甘油酯；在保护气的保护下，聚癸二酸甘油酯和马来酸酐溶于无水DMF反应；反应产物用去离子水沉淀，得到聚(癸二酰甘油二酯)磷酸酯；其中，聚癸二酸甘油酯和马来酸酐的质量比为2:1～1:1。
于本发明的一个实施例中，所述步骤(b2)包括：将所述聚(癸二酰甘油二酯)磷酸酯溶于丙酮，然后向其中加入所述纳米羟基磷灰石，得到所述混合溶液。
于本发明的一个实施例中，所述盐模为由氯化钠形成的盐模。
于本发明的一个实施例中，所述氯化钠的直径为150-300μm。
于本发明的一个实施例中，所述步骤(b3)还包括制备所述盐模；制备所述盐模包括：组装模具；将150-300μm直径的氯化钠颗粒铺满模具，铺平压实，转移至恒温恒湿箱中1-2h；从恒温恒湿箱取出后，真空干燥，将水除去，将模具脱掉，制成所述盐模。
第六方面，本发明还提供了第四方面所述的骨修复支架在在制备治疗骨损伤的医疗器械中的用途。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供骨修复材料为纳米羟基磷灰石/磷酸化聚酯复合骨修复材料，是由纳米级的羟基磷灰石成分与磷酸化聚酯形成的纳米复合生物骨修复材料，并非是由纳米羟基磷灰石粉末与聚碳酸酯的机械混合产物，得到的复合材料中纳米羟基磷灰石分散很均匀，其综合性能也更加优良，在骨组织的修复替代方面具有良好的应用前景；其次，采用的磷酸化聚酯为一种可降解的聚合物，同时具有一定的成骨性能，与磷灰石复合后，一定程度上可促进磷灰石的生物活性。
附图说明
图1a为本发明对比例1提供的PGS-M支架的不同倍率的SEM图片。
图1b为本发明实施例5提供的PGS-M-n-HA-0.4支架的不同倍率的SEM图片。
图2为本发明中纳米羟基磷灰石、对比例1制备的PGS-M支架、实施例5制备的PGS-M-n-HA-0.4支架、实施例6制备的PGS-M-n-HA-0.5支架、实施例7制备的PGS-M-n-HA-0.6支架的红外光谱图。
图3a为对比例1制备的PGS-M支架、实施例5制备的PGS-M-n-HA-0.4支架、实施例6制备的PGS-M-n-HA-0.5支架、实施例7制备的PGS-M-n-HA-0.6支架的应力-应变图。
图3b为对比例1制备的PGS-M支架、实施例5制备的PGS-M-n-HA-0.4支架、实施例6制备的PGS-M-n-HA-0.5支架、实施例7制备的PGS-M-n-HA-0.6支架的压缩模量对比图。
具体实施方式
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围；在本发明说明书和权利要求书中，除非文中另外明确指出，单数形式“一个”、“一”和“这个”包括复数形式。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
磷酸化聚酯材料具有良好的韧性，同时具有可降解性。本发明实施例结合纳米羟基磷灰石和磷酸化聚酯制备出一种性能优异的复合生物材料。本发明提供的骨修复材料和骨修复支架可以用于骨修复，特别是应用于松质骨或承重要求较低的部位，如颅骨。
实施例1
11、纳米羟基磷灰石的制备：
将硝酸钙和磷酸氨配成水溶液，在80度水浴下，将磷酸氨溶液滴入到硝酸钙溶液中，反应过程加入氨水调节pH大于10，反应完毕陈化24h，使用去离子水洗涤3到5次，制备纳米羟基磷灰石浆料。干燥后得到纳米羟基磷灰石粉末。
12、聚癸二酸甘油酯(PGS)的制备
PGS的合成参考文献，并对其优化。重结晶纯化后的癸二酸20.2574g(0.1mol)和甘油9.2037g(0.1mol)加入三口烧瓶中，135℃下熔融，通N2搅拌24h，然后135℃下抽真空(4mbar)48h，降至室温得到淡黄色蜡状固体，即PGS。得到的PGS的核磁共振氢谱为1H NMR(600MHz，Chloroform-d)，δ3.59-5.27(m，5H)，2.37(m，4H)，1.62(m，4H)，1.31(m，8H)
PGS的分子为
13、PGS-M的合成
PGS-M即本发明中的聚(癸二酰甘油二酯)磷酸酯。
详细步骤为：在手套箱内，分别称取2.66681g PGS，2.0263g马来酸酐，2.7ml无水DMF(Dimethyl formamide，二甲基甲酰胺)，密闭后转移出手套箱，氮气保护下110℃反应50分钟，化学方程式如下：
产物用150ml去离子水沉淀，沉淀用丙酮溶解后，继续在150ml水中沉淀，重复两次。抽真空24h(4mbar)后得到淡黄色粘稠状固体，即PGS-M。得到的PGS-M的分子量为2万-3万。PGS-M的分子式为
14、n-HA/PGS-M复合支架的制备
n-HA即本发明中的纳米羟基磷灰石。将PGS-M配置成280g/L的丙酮溶液，按重量比加入n-HA/PGS-M(W/W)为3:7的n-HA粉末，超声20min后，待溶剂挥发后，放入真空烘箱中150℃，1Torr压力下交联24h。交联完成后取出，冷冻干燥48h得到骨修复材料。
实施例2
在本实施例中，将实施例1的步骤14中加入的n-HA/PGS-M(W/W)改为4:6。其他同实施例1。
实施例3
在本实施例中，将实施例1的步骤14中加入的n-HA/PGS-M(W/W)改为5：5。其他同实施例1。
实施例4
在本实施例中，将实施例1的步骤14中加入的n-HA/PGS-M(W/W)改为6:4。其他同实施例1。
实施例5
在本实施例中，提供了一种制备骨修复支架的方法。具体如下：
51、纳米羟基磷灰石的制备：
将硝酸钙和磷酸氨配成水溶液，在80度水浴下，将磷酸氨溶液滴入到硝酸钙溶液中，反应过程加入氨水调节pH大于10，反应完毕陈化24h，使用去离子水洗涤3到5次，制备纳米羟基磷灰石浆料；干燥后得到纳米羟基磷灰石粉末。
52、聚癸二酸甘油酯(PGS)的制备
PGS的合成参考文献，并对其优化。重结晶纯化后的癸二酸20.2574g(0.1mol)和甘油9.2037g(0.1mol)加入三口烧瓶中，135℃下熔融，通N2搅拌24h，然后135℃下抽真空(4mbar)48h，降至室温得到淡黄色蜡状固体，即PGS。得到的PGS的核磁共振氢谱为1H NMR(600MHz，Chloroform-d)，δ3.59-5.27(m，5H)，2.37(m，4H)，1.62(m，4H)，1.31(m，8H)
53、PGS-M的合成
PGS-M即本发明中的聚(癸二酰甘油二酯)磷酸酯。
详细的：手套箱内，分别称取2.66681g PGS，2.0263g马来酸酐，2.7ml无水DMF(Dimethyl formamide，二甲基甲酰胺)，密闭后转移出手套箱，氮气保护下110℃反应50分钟，产物用150ml去离子水沉淀，沉淀用丙酮溶解后，继续在150ml水中沉淀，重复两次。抽真空24h(4mbar)后得到淡黄色粘稠状固体，即PGS-M。
54、n-HA/PGS-M复合支架的制备
n-HA即本发明中的纳米羟基磷灰石。
将氯化钠用粉碎机磨碎，用筛网选择150-300μm直径的颗粒备用。将具有四氟涂层的铁质圆片和铁质圆环(厚1mm，内径4cm)组成的模具组装好，用强力磁铁吸在一起。将150-300μm直径的氯化钠颗粒铺满整个模具内，铺平压实，转移至37℃，相对湿度85％的恒温恒湿箱中1.5h。取出后120℃下真空干燥2h，将水除去，将模具脱掉，制成盐模。PGS-M配置成280g/l的丙酮溶液，按重量比加入n-HA/PGS-M(W/W)为4:6的n-HA粉末，并命名为PGS-M-n-HA-0.4支架，超声20min后，将盐模浸泡入混合溶液中，待溶剂挥发后，放入真空烘箱中150℃，1Torr压力下交联24h。交联完成后取出，放入蒸馏水中，使氯化钠溶解，每隔4小时换一次水，共换三次。溶掉盐粒的支架冷冻干燥48h得到多孔组织工程支架。相同的方法制备PGS-M支架作对照。用裁刀将支架裁成需要的大小备用。
实施例6
在本实施例中，将实施例5的步骤54中加入的n-HA/PGS-M(W/W)改为6:4，并命名为PGS-M-n-HA-0.5支架。其他同实施例5。
实施例7
在本实施例中，将实施例5的步骤54中加入的n-HA/PGS-M(W/W)改为5:5，并命名为PGS-M-n-HA-0.6支架。其他同实施例5。
对比例1
本对比例提供了一种仅由材料PGS-M制备的支架，也称为PGS-M支架，其制备过程参照实施例5，只是在步骤54中，将n-HA/PGS-M(W/W)改为0:10。
实施例8
在本实施例中，通过扫描电子显微镜对实施例5制备的PGS-M-n-HA-0.4支架进行了观察，其SEM图谱如图1b所示。其中，图1b中的1b-1、1b-2、1b-3、1b-4分别为放大倍数依次为100倍、200倍、500倍、1500倍的谱图。
图1b中可以看到和盐粒大小差不多的孔，直观的看到多孔支架的孔隙率极大，支架表面大量的孔洞也利于细胞粘附。从放大200倍和500倍的SEM照片，可以清晰的看到单个孔的结构，能清楚的看到大孔里面有一些较小的孔洞与下一个孔相连接，说明支架不仅多孔，而且每个孔洞之间相互连通。使细胞可以从外面向里面的孔洞里增殖。从放大1500倍的SEM照片，可以看到孔壁上有很多微孔，可能是支架制作过程中溶剂挥发造成的微孔。更有力的说明了支架里孔洞之间的连通性。
在本实施例中，还通过扫描电子显微镜对对比例1制备的PGS-M支架进行了观察，其SEM图谱如图1a所示。其中，图1b中的1b-1、1b-2、1b-3、1b-4分别为放大倍数依次为100倍、200倍、500倍、1500倍的谱图。
实施例9
在本实施例中检测了纳米羟基磷灰石、对比例1制备的PGS-M支架、实施例5制备的PGS-M-n-HA-0.4支架、实施例6制备的PGS-M-n-HA-0.5支架、实施例7制备的PGS-M-n-HA-0.6支架的红外光谱。得到的红外光谱图如图2所示，其中，第一曲线21表示纳米羟基磷灰石的红外光谱、第二曲线22表示PGS-M支架的红外光谱、第三曲线23表示PGS-M-n-HA-0.4的红外光谱、第四曲线24表示PGS-M-n-HA-0.5的红外光谱、第五曲线25表示PGS-M-n-HA-0.6的红外光谱。
图2显示，通过n-HA粉末和n-HA/PGS-M系列支架的红外光谱谱图对比，可以明显看到在1036cm-1处PGS-M支架没有吸收峰，而n-HA粉末和含n-HA粉末的支架在该处都有吸收峰，且随着含量增加吸收峰面积增大，可以进一步证实支架中含有n-HA。
实施例10
在本实施例中检测了对比例1制备的PGS-M支架、实施例5制备的PGS-M-n-HA-0.4支架、实施例6制备的PGS-M-n-HA-0.5支架、实施例7制备的PGS-M-n-HA-0.6支架的应力-应变特性。具体通过对4层直径为10.5mm，厚度为1mm的多孔支架的压缩获得检测数据。
得到的应力-应变图如图3a所示，其中，第六曲线3a1表示PGS-M支架的应力-应变特性、第七曲线3a2表示PGS-M-n-HA-0.4支架的应力-应变特性、第八曲线3a3表示PGS-M-n-HA-0.5支架的应力-应变特性、第九曲线3a4表示PGS-M-n-HA-0.6支架的应力-应变特性。
在本实施例中还对比了对比例1制备的PGS-M支架、实施例5制备的PGS-M-n-HA-0.4支架、实施例6制备的PGS-M-n-HA-0.5支架、实施例7制备的PGS-M-n-HA-0.6支架的压缩模量。
具体通过对4层直径为10.5mm，厚度为1mm的多孔支架的压缩获得检测数据。
对比结果如图3b所示。
图3a是支架单次压缩的曲线，以1mm/min的速度压缩至应变40％，从曲线中可以看出支架最大的压缩应力随着n-HA含量的提高而提高，说明支架的压缩强度随着n-HA含量的提高而提高。同时从压缩模量图3b中也可以看到压缩模量随着n-HA含量的提高而提高，说明随着n-HA含量的提高支架的刚性有所增强。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (16)
1.一种骨修复材料，其特征在于，所述骨修复材料的制备原料中包括以下质量百分比的组分：纳米羟基磷灰石30～60％，磷酸化聚酯40～70％。
2.根据权利要求1所述骨修复材料，其特征在于，所述骨修复材料的制备原料中包括以下质量百分比的组分：纳米羟基磷灰石40～60％，磷酸化聚酯40～60％。
3.根据权利要求1所述骨修复材料，其特征在于，所述骨修复材料的制备原料中包括以下质量百分比的组分：纳米羟基磷灰石40～50％，磷酸化聚酯50～60％。
4.根据权利要求1所述骨修复材料，其特征在于，所述骨修复材料的制备原料中包括以下质量百分比的组分：纳米羟基磷灰石50～60％，磷酸化聚酯40～50％。
5.根据权利要求1所述骨修复材料，其特征在于，所述磷酸化聚酯为聚(癸二酰甘油二酯)磷酸酯。
6.权利要求1-5任一项所述的骨修复材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a1)制备磷酸化聚酯；
(a2)制备含有纳米羟基磷灰石和磷酸化聚酯的混合溶液；
(a3)待所述混合溶液的溶剂挥发后，交联；冷冻干燥后得到所述骨修复材料。
7.根据权利要求6所述的骨修复材料的制备方法，其特征在于，所述纳米羟基磷灰石和所述磷酸化聚酯的重量比为3:7～6:4。
8.权利要求1-5任一项所述的骨修复材料在制备骨修复支架、载药中的用途。
9.一种骨修复支架，其特征在于，由权利要求1-5任一项所述的骨修复材料制备而成。
10.一种权利要求9所述的骨修复支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(b1)制备磷酸化聚酯；
(b2)制备含有纳米羟基磷灰石和磷酸化聚酯的混合溶液；
(b3)将盐模放入到所述混合溶液中；待所述混合溶液的溶剂挥发后，交联；溶解掉所述盐模；冷冻干燥后得到所述骨修复支架。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述磷酸化聚酯为聚(癸二酰甘油二酯)磷酸酯；
所述步骤(b1)包括：
取等物质的量的癸二酸和甘油，熔融后，通保护气搅拌第一预设时间，并维持熔融状态第二预设时间，然后降至室温，得到聚癸二酸甘油酯；
在保护气的保护下，聚癸二酸甘油酯和马来酸酐溶于无水DMF反应；反应产物用去离子水沉淀，得到聚(癸二酰甘油二酯)磷酸酯；其中，聚癸二酸甘油酯和马来酸酐的质量比为2:1-1:1。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(b2)包括：
将所述聚(癸二酰甘油二酯)磷酸酯溶于丙酮，然后向其中加入所述纳米羟基磷灰石，得到所述混合溶液。
13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述盐模为由氯化钠形成的盐模。
14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述氯化钠的直径为150-300μm。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(b3)还包括制备所述盐模；
制备所述盐模包括：
组装模具；
将150-300μm直径的氯化钠颗粒铺满模具，铺平压实，转移至恒温恒湿箱中1-2h；
从恒温恒湿箱取出后，真空干燥，将水除去，将模具脱掉，制成所述盐模。
16.权利要求9所述的骨修复支架在制备治疗骨损伤的医疗器械中的用途。
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