CN108744029A - 一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备pga/dmbg复合骨支架的方法 - Google Patents

一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备pga/dmbg复合骨支架的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支架的方法，该方法是在MBG粉末表面通过原位聚合法修饰聚多巴胺，得到DMBG粉末；所述DMBG粉末与PGA粉末通过液相混合后，固液分离，固体经过干燥和研磨，得到PGA/DMBG复合粉末；所述PGA/DMBG复合粉末通过选择性激光烧结得到PGA/DMBG复合骨支架；该复合支架具有良好的生物活性、细胞响应和增强的机械性能，在组织工程领域具有广阔的应用前景。

Description

一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支 架的方法
技术领域
本发明涉及一种复合骨支架，特别涉及一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃改善聚乙醇酸骨支架性能的方法，属于人工骨支架材料技术领域。
背景技术
聚乙醇酸(PGA)因具有良好的生物相容性、生物降解性被认为是一种有前途的骨支架材料。但由于缺乏生物活性且降解产物呈酸性，限制了其在骨组织工程领域更广泛的应用。介孔生物玻璃带有大量的硅烷醇基，可通过缩合反应和离子吸附来促进类骨磷灰石的形核及生长，具有良好的生物活性。此外介孔生物玻璃(MBG)降解过程中不仅能够释放硅钙等活性元素以促进骨胶原的转化及新骨形成，而且能中和PGA等聚合物降解引起的酸性环境为细胞响应及新骨生长提供良好的微环境，因此将MBG复合到PGA基体中，可大幅度改善PGA支架的生物学性能。吴成铁等将聚乳酸-羟基乙酸共聚物与生物玻璃在氯仿溶液中共混，以研究二者复合膜的生物学性能，发现生物玻璃可以赋予聚乳酸-羟基乙酸共聚物以生物活性。李霞等将聚己内酯与生物玻璃在氯仿溶液中共混，以研究二者复合支架的生物学性能，发现生物玻璃赋予聚己内酯基支架以生物活性。然而PGA和MBG分别属于有机相和无机相，其界面性能相差甚远，很难形成较强的界面结合，且易出现MBG在PGA基体中分散不均、团聚等现象。
发明内容
针对现有技术中制备PGA/MBG骨支架复合材料过程中，由于MBG与PGA界面结合能力弱，MBG在PGA基体中分散不均、易团聚等现象，本发明的目的是在于提供一种利用聚多巴胺修饰MBG来制备聚乙醇酸/介孔生物玻璃复合骨支架的方法，该方法利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃，来提高MBG与PGA基体界面结合能力，促进MBG分散，能更好发挥介孔生物玻璃生物活性，获得生物性能和机械性能更好的聚乙醇酸/介孔生物玻璃复合骨支架。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支架的方法，该方法是在MBG粉末表面通过原位聚合法修饰聚多巴胺，得到DMBG粉末；所述DMBG粉末与PGA粉末通过液相混合后，固液分离，固体经过干燥和研磨，得到PGA/DMBG复合粉末；所述PGA/DMBG复合粉末通过选择性激光烧结得到PGA/DMBG复合骨支架。
本发明采用多巴胺作为介孔生物玻璃的修饰单体，多巴胺本是一种广泛存在于生物体内的化合物，具有较好的生物相容性，其通过氧化自聚合反应生成聚多巴胺，聚多巴胺带有大量的酚羟基和氨基等官能团，这些官能团可通过共价键或非共价键方式与介孔生物玻璃及PGA基体之间的界面均存在较强的结合力，从而可以促进介孔生物玻璃在PGA基体中的均匀分散，能有效防止介孔生物玻璃的团聚，更好地发挥介孔生物玻璃的生物活性，从而制备的PGA/MBG复合骨支架具有良好生物活性和机械性能。
优选的方案，将MBG粉末加入至含多巴胺的Tris-HCl缓冲溶液中搅拌反应，得到悬浮液，过滤分离，干燥，即得DMBG粉末。多巴胺易于通过氧化自聚，将MBG粉末分散在多巴胺溶液中，可以实现聚多巴胺对MBG粉末的原位包覆修饰。
较优选的方案，所述含多巴胺的Tris-HCl缓冲溶液中多巴胺的浓度为0.5～5mg/mL。进一步优选为1～3mg/mL。所述MBG粉末与含多巴胺的Tris-HCl缓冲溶液的固液比为5mg:(1～5)mL。
较优选的方案，所述搅拌反应的时间为4～10小时。
较优选的方案，所述MBG粉末的粒径为0.5～2μm，孔径为3～10nm。
优选的方案，DMBG粉末与PGA粉末的质量比为5～20：80～95。进一步优选为10～15：85～90。DMBG粉末含量过高，影响支架的成型性；含量过少，影响支架的生物学性能。
较优选的方案，所述PGA粉末的颗粒尺寸为20～60μm，纯度大于99％，熔点为220～240℃。
优选的方案，所述液相混合过程中采用搅拌和超声分散方式，磁力搅拌的时间为30～60min，速度为500～800r/min，温度为40～60℃；超声分散的时间为30～60min，温度为40～60℃。通过强力搅拌和超声分散，能够使MBG粉末均匀掺杂在PGA粉末中，从而更好地发挥MBG粉末所起到的作用。
优选的方案，所述选择性激光烧结的工艺条件为：激光功率为1.8～2.5W，扫描速度为80～150mm/min，扫描间距为0.8～2.5mm，光斑直径为0.8～1.0mm，粉床预热温度为150～200℃。
本发明的PGA/MBG骨支架复合材料的具体技术方案，包括以下具体步骤：
(1)称量一定量的盐酸多巴胺粉末，加入到10mM的三羟甲基氨基甲烷(Tris-HCl)缓冲液中配备0.5～5.0mg mL-1多巴胺溶液(pH＝8.5)；
(2)称量一定量的MBG，加入到上述制备的多巴胺溶液(固液比为5mg:(1～5)mL)中，经磁力搅拌混合均匀，主要工艺参数为：多巴胺聚合反应时间为4～10h，磁力搅拌速度为100～500r/min；随后将所得悬浮液过滤并分离析出物，然后用去离子水反复洗涤；在60℃下，真空烘箱中干燥过夜后得到多巴胺修饰的介孔生物玻璃(DMBG)粉末；
(3)称量一定量的PGA粉末，将PGA粉末加入装有无水乙醇的烧杯中，溶液经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀，
(4)称量一定量的DMBG，加入到PGA悬浮液中，混合溶液经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀；随后将所得悬浮液过滤，在60℃的真空烘箱中干燥10～12h后得到混合粉末；所述的混合粉末中PGA占重量比为80～95％，DMBG占重量比为5～20％；主要工艺参数为：磁力搅拌时间为10～30min，磁力搅拌速度为100～500r/min，超声分散时间为10～30min，超声分散温度为60℃；
(5)将混合粉末置于激光快速成形系统中进行层层烧结，烧结完成后，利用压缩空气去除未烧结的粉末获得复合骨支架，主要工艺参数为：激光功率为1.8～2.5W，扫描速度为80～150mm/min，扫描间距为0.8～2.5mm，光斑直径为0.8～1.0mm，粉床预热温度为150～200℃。
相对现有技术，本发明技术方案带来的积极效果：
1、本发明采用聚多巴胺对MBG表面进行修饰，利用聚多巴胺提高MBG与PGA界面之间的相互作用，从而促进MBG在PGA基质中的分散，进而改善复合支架的机械性能，同时可以更好地发挥MBG的生物活性，提高复合骨架材料的生物性能。
2、本发明利用MBG良好的类骨磷灰石形核及生长特性，赋予制备的复合骨支架良好的生物活性，可有效促进骨支架与自然骨之间的生物键合。
3、本发明利用MBG在降解过程中不仅能够释放硅钙等活性元素以促进骨胶原的转化及新骨形成，而且能中和PGA降解引起的酸性环境为细胞响应及新骨生长提供良好的微环境。
4、本发明利用多巴胺改性MBG的方法操作简单，且原料成本低，有利于工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，但本发明之内容并不局限于此。
实施例1
1)利用电子天平称取2g盐酸多巴胺粉末，加入到10mM的Tris-HCl缓冲液中制备2mg/ml多巴胺溶液(pH＝8.5)。
2)利用电子天平称取5gMBG，加入到上述制备的多巴胺溶液，经磁力搅拌混合均匀，主要工艺参数为：反应时间为5h，磁力搅拌速度为300r/min；此后，将所得悬浮液过滤分离析出物，然后用去离子水反复洗涤；在60℃真空烘箱中干燥过夜后得到聚多巴胺修饰的DMBG颗粒。
3)利用电子天平称取颗粒尺寸为40μm，熔点为220℃的PGA粉末9g、步骤2制备的DMBG1g，然后加入装有50ml无水乙醇的烧杯中，两种溶液分别经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀，主要工艺参数为：磁力搅拌时间为30min，磁力搅拌速度为300r/min，超声分散时间为10min，超声分散温度为50℃。
4)混合溶液过滤后，在60℃的真空烘箱中干燥12h后得到混合粉末。
5)将混合粉末置于激光快速成形系统进行层层烧结，烧结完成后利用压缩空气去除未烧结的粉末得到骨支架，主要工艺参数为：激光功率为2W，扫描速度为100mm/min，扫描间距为1.2mm，光斑直径为0.8mm，粉床预热温度为150℃。
6)经力学性能测试发现，在实施例1的实验条件下，添加DMBG和MBG制备的复合骨支架压缩强度分别为42.4MPa和32.6MPa，采用多巴胺修饰的MBG相对MBG制备的复合骨支架压缩强度提高了30％。
实施例2
1)利用电子天平称取2g盐酸多巴胺粉末，加入到10mM的Tris-HCl缓冲液中制备2mg/ml多巴胺溶液(pH＝8.5)。
2)利用电子天平称取5gMBG，加入到上述制备的多巴胺溶液，经磁力搅拌混合均匀，主要工艺参数为：反应时间为5h，磁力搅拌速度为300r/min；此后，将所得悬浮液过滤分离析出物，然后用去离子水反复洗涤；在60℃真空烘箱中干燥过夜后得到聚多巴胺修饰的DMBG颗粒。
3)利用电子天平称取颗粒尺寸为40μm，熔点为220℃的PGA粉末8.5g、步骤2制备的DMBG1.5g，然后加入装有50ml无水乙醇的烧杯中，两种溶液分别经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀，主要工艺参数为：磁力搅拌时间为30min，磁力搅拌速度为300r/min，超声分散时间为10min，超声分散温度为50℃。
4)混合溶液过滤后，在60℃的真空烘箱中干燥12h后得到混合粉末。
5)将混合粉末置于激光快速成形系统进行层层烧结，烧结完成后利用压缩空气去除未烧结的粉末得到骨支架，主要工艺参数为：激光功率为2W，扫描速度为100mm/min，扫描间距为1.2mm，光斑直径为0.8mm，粉床预热温度为150℃。
6)经力学性能测试发现，在实施例2的实验条件下，添加DMBG和MBG制备的复合骨支架压缩强度分别为48.6MPa和30.8MPa，采用多巴胺修饰的MBG相对MBG制备的复合骨支架压缩强度提高了57.8％。
实施例3
1)利用电子天平称取2g盐酸多巴胺粉末，加入到10mM的Tris-HCl缓冲液中制备2mg/ml多巴胺溶液(pH＝8.5)。
2)利用电子天平称取5gMBG，加入到上述制备的多巴胺溶液，经磁力搅拌混合均匀，主要工艺参数为：反应时间为5h，磁力搅拌速度为300r/min；此后，将所得悬浮液过滤分离析出物，然后用去离子水反复洗涤；在60℃真空烘箱中干燥过夜后得到聚多巴胺修饰的DMBG颗粒。
3)利用电子天平称取颗粒尺寸为40μm，熔点为220℃的PGA粉末9.5g、步骤2制备的DMBG 0.5g，然后加入装有50ml无水乙醇的烧杯中，两种溶液分别经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀，主要工艺参数为：磁力搅拌时间为30min，磁力搅拌速度为300r/min，超声分散时间为10min，超声分散温度为50℃。
4)混合溶液过滤后，在60℃的真空烘箱中干燥12h后得到混合粉末。
5)将混合粉末置于激光快速成形系统进行层层烧结，烧结完成后利用压缩空气去除未烧结的粉末得到骨支架，主要工艺参数为：激光功率为2W，扫描速度为100mm/min，扫描间距为1.2mm，光斑直径为0.8mm，粉床预热温度为150℃。
6)经力学性能测试发现，在实施例1的实验条件下，添加DMBG和MBG制备的复合骨支架压缩强度分别为30.7MPa和28.9MPa，采用多巴胺修饰的MBG相对MBG制备的复合骨支架压缩强度提高了6.2％。
实施例4
1)利用电子天平称取2g盐酸多巴胺粉末，加入到10mM的Tris-HCl缓冲液中制备0.5mg/ml多巴胺溶液(pH＝8.5)。
2)利用电子天平称取5gMBG，加入到上述制备的多巴胺溶液，经磁力搅拌混合均匀，主要工艺参数为：反应时间为5h，磁力搅拌速度为300r/min；此后，将所得悬浮液过滤分离析出物，然后用去离子水反复洗涤；在60℃真空烘箱中干燥过夜后得到聚多巴胺修饰的DMBG颗粒。
3)利用电子天平称取颗粒尺寸为40μm，熔点为220℃的PGA粉末8.5g、步骤2制备的DMBG1.5g，然后加入装有50ml无水乙醇的烧杯中，两种溶液分别经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀，主要工艺参数为：磁力搅拌时间为30min，磁力搅拌速度为300r/min，超声分散时间为10min，超声分散温度为50℃。
4)混合溶液过滤后，在60℃的真空烘箱中干燥12h后得到混合粉末。
5)将混合粉末置于激光快速成形系统进行层层烧结，烧结完成后利用压缩空气去除未烧结的粉末得到骨支架，主要工艺参数为：激光功率为2W，扫描速度为100mm/min，扫描间距为1.2mm，光斑直径为0.8mm，粉床预热温度为150℃。
6)经力学性能测试发现，在实施例1的实验条件下，添加DMBG和MBG制备的复合骨支架压缩强度分别为44.7MPa和31.2MPa，采用多巴胺修饰的MBG相对MBG制备的复合骨支架压缩强度提高了43.2％。
实施例5
1)利用电子天平称取2g盐酸多巴胺粉末，加入到10mM的Tris-HCl缓冲液中制备2mg/ml多巴胺溶液(pH＝8.5)。
2)利用电子天平称取5gMBG，加入到上述制备的多巴胺溶液，经磁力搅拌混合均匀，主要工艺参数为：反应时间为5h，磁力搅拌速度为300r/min；此后，将所得悬浮液过滤分离析出物，然后用去离子水反复洗涤；在60℃真空烘箱中干燥过夜后得到聚多巴胺修饰的DMBG颗粒。
3)利用电子天平称取颗粒尺寸为40μm，熔点为220℃的PGA粉末8.5g、步骤2制备的DMBG1.5g，然后加入装有50ml无水乙醇的烧杯中，两种溶液分别经磁力搅拌和超声分散技术混合均匀，主要工艺参数为：磁力搅拌时间为30min，磁力搅拌速度为300r/min，超声分散时间为10min，超声分散温度为50℃。
4)混合溶液过滤后，在60℃的真空烘箱中干燥12h后得到混合粉末。
5)将混合粉末置于激光快速成形系统进行层层烧结，烧结完成后利用压缩空气去除未烧结的粉末得到骨支架，主要工艺参数为：激光功率为2.5W，扫描速度为120mm/min，扫描间距为1.5mm，光斑直径为1.0mm，粉床预热温度为150℃。
6)经力学性能测试发现，在实施例1的实验条件下，添加DMBG和MBG制备的复合骨支架压缩强度分别为40.5MPa和27.8MPa，采用多巴胺修饰的MBG相对MBG制备的复合骨支架压缩强度提高了45.7％。

Claims (9)

1.一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支架的方法，其特征在于：在MBG粉末表面通过原位聚合法修饰聚多巴胺，得到DMBG粉末；所述DMBG粉末与PGA粉末通过液相混合后，固液分离，固体经过干燥和研磨，得到PGA/DMBG复合粉末；所述PGA/DMBG复合粉末通过选择性激光烧结得到PGA/DMBG复合骨支架。
2.根据权利要求1所述的一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支架的方法，其特征在于：将MBG粉末加入至含多巴胺的Tris-HCl缓冲溶液中搅拌反应，得到悬浮液，过滤分离，干燥，即得DMBG粉末。
3.根据权利要求2所述的一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支架的方法，其特征在于：所述含多巴胺的Tris-HCl缓冲溶液中多巴胺的浓度为0.5～5mg/mL；所述MBG粉末与含多巴胺的Tris-HCl缓冲溶液的固液比为5mg:(1～5)mL。
4.根据权利要求2所述的一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支架的方法，其特征在于：所述搅拌反应的时间为4～10小时。
5.根据权利要求2所述的一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支架的方法，其特征在于：所述MBG粉末的粒径为0.5～2μm，孔径为3～10nm。
6.根据权利要求1所述的一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支架的方法，其特征在于：DMBG粉末与PGA粉末的质量比为5～20：80～95。
7.根据权利要求6所述的一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支架的方法，其特征在于：所述PGA粉末的颗粒尺寸为20～60μm，纯度大于99％，熔点为220～240℃。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支架的方法，其特征在于：所述液相混合过程中采用搅拌和超声分散方式，磁力搅拌的时间为30～60min，速度为500～800r/min，温度为40～60℃；超声分散的时间为30～60min，温度为40～60℃。
9.根据权利要求1～7任一项所述的一种利用聚多巴胺修饰介孔生物玻璃制备PGA/DMBG复合骨支架的方法，其特征在于：所述选择性激光烧结的工艺条件为：激光功率为1.8～2.5W，扫描速度为80～150mm/min，扫描间距为0.8～2.5mm，光斑直径为0.8～1.0mm，粉床预热温度为150～200℃。
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