CN108721701A - 一种骨修复支架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骨修复支架及其制备方法，涉及生物材料领域，该骨修复支架中的复合材料具体由以下重量组分的材料组成：聚已内酯90—99份，纳米氧化锌1—10份，该复合材料的制备方法包括以下步骤：步骤一、准备材料；步骤二、将步骤一准备的聚已内酯置入氯仿内，将获得的混合物充分混匀，获得混合物A；步骤三、将步骤一准备的全部纳米氧化锌放入混合物A后混匀，得到混合物B；步骤四、将混合物B超声破碎后将产物混匀，然后再次超声破碎后混匀，获得混合物C；步骤五、将混合物C室温静置，获得产物PCL/ZnO复合材料；本发明制备的骨修复支架可以有效地克服单纯PCL支架及目前已有PCL复合支架的缺陷和不足，PCL/ZnO纳米复合支架兼具PCL和纳米氧化锌的优点。

Description

一种骨修复支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物材料领域，特别是一种用纳米复合材料制备的骨修复支架及其制备方法。

背景技术

中国现在约有8000万人(50岁以上)患有骨质疏松症，患者数位居全球首位，每年发生约687,000例髋部骨折和180万例新的脊椎骨折。另外，因肿瘤或骨病等原因造成的骨缺损、骨不连和骨髓炎患者也越来越多。这些数据表明如今我国对于骨修复材料，如骨植入支架的迫切需求。理想的骨植入支架应该具有生物相容性(有利于细胞的黏附、无毒、不致畸，不引起炎症反应，为细胞的生长提供良好的微环境，能安全用于人体)、可降解性(在组织形成过程中逐渐分解，且降解速度与组织细胞的生长速度相一致，降解时间应能调控)、骨传导性(必须允许骨细胞粘附，增殖和分泌细胞外基质)、骨诱导性(具有诱导新骨形成的能力)和成骨性(应当充当间充质干细胞和成骨细胞库)，在结构上类似于骨，能够与周围的骨组织形成牢固的结合，并且应该易于使用并且具有成本效益。目前，科研工作者们正在为合成具有这些特性的新型骨植入材料而不断努力。聚己内酯(PCL)即是这样一种兼具生物相容性和生物降解性的新型高分子聚合物，正成为众多科研工作者热衷的生物材料之一而开始被应用于生物医学领域。PCL的优点包括热塑性、生物可降解性(其降解产物二氧化碳和水对机体无毒无害)、生物相容性、良好的机械性能，且易于成型和塑形。同时，PCL还具有形状记忆性。在3D打印中，由于它熔点低，所以并不需要很高的打印温度，从而达到节能的目的。在医学领域，已用来打印心脏支架和可控性药物载体等。另外，相对缓慢的降解速度使得PCL似乎更适合作为长期植入物和可控性释放应用于骨支架领域。但与此同时，不得不承认PCL本身也具有一些缺点，例如疏水性、缺乏必需的官能团用于细胞粘附、降解速率慢，用作骨组织工程应用的支架时机械强度不足等。为了克服PCL的上述缺点，研究者们开始尝试开发PCL复合材料，包括添加不同类型的陶瓷颗粒(微米或纳米尺寸)和金属纳米颗粒。这些填料的加入在一定程度上可以提高复合材料的机械稳定性，但在某些情况下，由于聚合物和微粒之间缺乏键合而无法稳定结合，依然会存在一些缺陷。有鉴于此，我们有必要找寻新的微粒用于制备新型复合材料，以解决PCL和微粒之间的稳定结合问题；寻求新的制备方法，以进一步改善PCL各项性能以更好地应用于医学各领域。

现有用于改善PCL性能的各种填充物，包括不同种类的陶瓷颗粒(包括微米和纳米尺寸的生物玻璃等)、金属纳米颗粒(如纳米银)以及碳纳米管等，这些颗粒的填充可以在一定程度上改善PCL支架的机械性能，但由于PCL和这些微粒之间缺乏键合，所以导致细胞不易在这些支架上附着和生长。越来越多研究表明，纳米粒子在与PCL稳定结合方面比一般微粒有效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种骨修复支架及其制备方法，以解决现有技术中复合材料疏水性、缺乏必需的官能团用于细胞粘附、降解速率慢，用作骨组织工程应用的支架时机械强度不足等问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种骨修复支架，该骨修复支架是由聚已内酯和纳米氧化锌构成的复合材料制成。

进一步，所述复合材料具体由以下重量组份的材料组成：

聚已内酯 90—99份

纳米氧化锌 1—10份。

本发明还提供一种上述复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、按上述中质量组分准备聚已内酯和纳米氧化锌；

步骤二、将步骤一准备的聚已内酯置入氯仿内，其中聚已内酯与氯仿的质量比为0.1-0.2g/ml，将获得的混合物充分混匀，获得混合物A；

步骤三、将步骤一准备的全部纳米氧化锌放入混合物A后混匀，得到混合物B；

步骤四、在冰浴条件下，将混合物B超声破碎后将产物混匀，然后再次超声破碎后混匀，如此循环五轮，获得混合物C；

步骤五、将混合物C室温静置48-50h，获得产物PCL/ZnO复合材料。

进一步，所述步骤五之后还包括以下步骤：

步骤六、将步骤五所获得的产物，再次与氯仿混合得到混合物D，此处氯仿用量为0.1-0.2g/ml；

步骤七、将混合物D依次混匀、超声波破碎，重复三次，并最终将获得的产物混匀，获得混合物E；

步骤八、将混合物E静置48-50h，获得目标产物。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明提供了一种骨修复支架及其制备方法，通过本发明方法制备出纳米复合材料前体，再通过设定和调整各项参数利用3D打印技术成功制备出具有多孔三维结构的骨修复支架材料。该复合材料兼具了纳米氧化锌和PCL的优点，而纳米氧化锌的加入则显著克服了PCL的缺点。通过调整纳米材料(氧化锌纳米颗粒)和有机多聚物(PCL)的比例成功制备出具有优于单纯PCL各项力学性能和生物降解性能的类似骨结构的新型纳米复合材料。相比于单纯PCL制成的三维支架，该新型纳米材料可增强骨髓间充质干细胞的粘附和增殖能力，大大提高骨缺损的愈合速度和效果，是一种理想的骨修复材料。

附图说明

图1为实施例一中制备所得二维PCL/ZnO纳米复合材料；

图2为实施例二中制备所得三维PCL/ZnO纳米复合材料；

图3为实施例三中生物相容性对比试验结果图：A为纯PCL支架上BMSC细胞附着和增殖情况；B为含10％质量比纳米氧化锌的PCL/ZnO复合材料支架上BMSC细胞附着和增殖情况。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

PCL/ZnO纳米复合材料的制备，其步骤是：

(1)取购买的聚己内酯(PCL，MW 50000,powder)，分别称取2g、1.98g、1.9g和1.8g装入15ml专用玻璃瓶，在通风橱中加入10ml氯仿，然后置入购买的Speedmixer(型号：DAC150.1FVZ)中充分混匀(2500rpm，5min)。此时混合液呈现均一透明状。

(2)取购买的纳米氧化锌(ZnO NPs，粒径10-30nm),分别称取0.02g、0.1g和0.2g，分别加入对应装有1.98g、1.9g和1.8gPCL的玻璃瓶中，稍加涡旋后，转入Speedmixer(型号：DAC 150.1FVZ)中混匀(2500rpm，5min)，得到纯PCL和分别含1％、5％、10％质量比纳米氧化锌的PCL/ZnO复合材料混合悬浊液各1瓶(2g)。此时混合液呈现乳白色，并肉眼可见氧化锌颗粒(此时纳米颗粒分散尚不均匀)。

(3)冰浴条件下，将步骤(2)得到的4瓶悬浊液先后置入购买的超声破碎仪(Q125Sonicator)中超声破碎10分钟(5s/5s)。

(4)将经步骤(3)破碎混合处理后得到的悬浊液转移至Speedmixer中再次混匀(2500rpm，5min)，置入超声破碎仪中超声破碎10分钟，如此循环五轮。

(5)再置入Speedmixer中再次混匀(3000rpm，5min)，此时混合液呈现乳白色均一状态。

(6)将混合悬浊液倒入通风橱中的专用mold(如teflon dish,特氟龙盒子)，室温静置48h，待氯仿完全挥发，样品凝固成形，制得初步成品。

为了获得质量更好的产品，可以继续进行下述步骤：

(7)48h后将步骤(6)中得到的样品重新置入相应的15ml专用玻璃瓶中，加入10ml氯仿后，先后置于Speedmixer和Sonicator中分散，重复步骤(4)三次，再重复步骤(5)一次。

(8)重复步骤(6)。

(9)用适当工具将已凝固成形且不含氯仿的样品切割成所需尺寸，至此，PCL/ZnO纳米复合材料已制备完成(图1)。

实施例二

骨修复支架的制备

本实施例中制备方法采用3D打印技术制备骨修复支架，其步骤是：将上述制备而成的PCL/ZnO纳米复合材料切割成碎片，置入3D打印机中(型号为3D-DeveloperSeries)，根据需要设定参数(本例中Temperature:180℃；Pressure:5.98；Speed:1mm/s；Nozzle inner size:0.3mm；Layer thickness:34μm；Distance between strands:1mm)，即可打印出预设的3D PCL/ZnO纳米复合材料(图2)。

实施例三

骨修复支架中PCL/ZnO纳米复合材料的生物相容性检测，其具体步骤是：

(1)大鼠骨髓间充质干细胞(BMSC)的分离与培养：颈椎脱臼法处死大鼠，75％酒精中浸泡5分钟，超级工作台内依次取下大鼠两条胫骨及两条股骨。用手术器械将长骨上附着的肌肉组织尽量去除干净，整个过程保持无菌。用剪刀剪去长骨两端，10ml注射器吸取加入肝素的完全培养液(10％FBS+DMEM)，从长骨一端开口处注入，将骨髓腔内的细胞冲入50ml离心管内，直至长骨冲洗至发白，认为骨髓腔内的细胞都被吹入离心管内。四个长骨骨髓腔内的细胞依次吹进离心管后，1500rpm离心4mins。完全陪养液(10％FBS+DMEM，不含肝素)重悬细胞，种于100mm培养皿内。37℃恒温培养过夜，隔天换液。(建议培养4小时左右观察下细胞贴壁率，跟过夜进行比较，如4小时贴壁率和过夜无区别，说明细胞状态很好)。隔天换液后开始进行细胞状态实时观测，以后每24小时换一次液，一直换至72小时。72小时后，细胞用PBS洗一次，置换新鲜培养液，为P₀代，开始正式BMSC培养。培养条件：90％DMEM+10％FBS；5％CO₂，37℃恒温培养。

(2)BMSC细胞与纳米复合材料共培养：纳米复合材料在细胞间超净台中经100％酒精消毒干燥后放置入12孔细胞板中，用PBS涮洗两次后备用。取一皿处于对数期的满度约80％的BMSF细胞，经胰蛋白酶消化后用细胞计数仪计数，取适量细胞(1×10⁵/孔)加入已放置了上述纳米复合材料的孔板中，共同培养24小时。

(3)纳米复合材料的生物相容性检测：共培养24h后的细胞(包括附着于材料上的、材料周边附着于孔板上的)经固定、染色(细胞核与细胞骨架蛋白)后，用荧光显微镜拍照分析。结果显示，与纯PCL制备的材料相比，加入纳米氧化锌的复合材料均具备良好的生物相容性(细胞的附着与增值能力均显著提高)(图3)；

由图3中可以看出，与纯PCL制备的材料(3D-PCL,A)相比，加入纳米氧化锌的复合材料(10％3D-PCL/ZnO,B)具备良好的生物相容性(细胞的附着与增值能力均显著提高)。

实施例四

PCL/ZnO纳米复合材料的力学性能检测，包括压缩/拉伸测试、热重分析(TGA)和降解实验(Degradation)等，结果显示，相较于单纯PCL，PCL/ZnO纳米复合材料力学性能得到了显著改善，且生物降解时间明显缩短。

Claims (4)

1.一种骨修复支架，其特征在于，该骨修复支架是由聚已内酯和纳米氧化锌构成的复合材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种骨修复支架，其特征在于，所述复合材料具体由以下重量组份的材料组成：

聚己内酯 90—99份

纳米氧化锌 1—10份。

3.一种权利要求2所述复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、按权利要求2中质量组分准备聚已内酯和纳米氧化锌；

步骤二、将步骤一准备的聚已内酯置入氯仿内，其中聚已内酯与氯仿的质量比为0.1-0.2g/ml，将获得的混合物充分混匀，获得混合物A；

步骤三、将步骤一准备的全部纳米氧化锌放入混合物A后混匀，得到混合物B；

步骤四、在冰浴条件下，将混合物B超声破碎后将产物混匀，然后再次超声破碎后混匀，如此循环五轮，获得混合物C；

步骤五、将混合物C室温静置48-50h，获得产物PCL/ZnO复合材料。

4.根据权利要求2所述的一种用于制备骨修复支架的PCL/ZnO纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤五之后还包括以下步骤：

步骤六、将步骤五所获得的产物，再次与氯仿混合得到混合物D，此处氯仿用量为0.1-0.2g/ml；

步骤七、将混合物D依次混匀、超声波破碎，重复三次，并最终将获得的产物混匀，获得混合物E；

步骤八、将混合物E静置48-50h，获得目标产物。