CN109010921B - 一种具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶及其制备方法，属于医用复合材料技术领域，可解决聚乙烯醇人工软骨与自然骨基底的结合性能差的问题，本发明根据关节软骨的解剖学结构(浅表层/中间层/深层)，将羟基磷灰石和羧甲基纤维素配成溶液，掺杂到聚乙烯醇网络结构中，通过改变成分，赋予PVA水凝胶材料不同的机械性能，从浅表层到深层，随着深度的增加，水凝胶的梯度刚度逐渐增大。将三层聚合在一起，制备所得的具有梯度刚度的仿生关节软骨PVA/HA/CMC复合水凝胶，保留了优良的生物相容性和抗拉、压机械性能。

Description

一种具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于医用复合材料技术领域，具体涉及一种具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶及其制备方法。
背景技术
在物理性质方面，水凝胶类材料比人工合成的其他材料更像活体组织，独特的吸水和良好的生物相容性等优点成为材料医学和生物医学工作者的研究热点，高分子水凝胶材料在药物缓释、组织填充、支架材料、各类传感器等方面应用广泛。
在组织工程领域中，水凝胶的力学强度必须与周围组织的环境相匹配，才可作为生物医用材料，大多数生物材料的模量级别为千帕，而水凝胶的力学强度较低，在细胞工程、支架材料、药物载体等方面大大限制了其实际应用，近年来，研究如何提高水凝胶的力学性能已成为国内外研究者的研究重点。
关节软骨位于骨与骨之间，起到减轻冲击、吸收震荡的作用，在生理载荷下，关节软骨是一种优良的应力缓冲材料，它的这些功能特性与其组织结构密切相关，组织结构的层次化（浅表层/中间层/深层）使其与周围组织的力学环境相适应。因此，仿照人工关节软骨的解剖学结构制备具有梯度刚度的复合水凝胶具有广泛的发展空间和应用前景。聚乙烯醇（PVA）水凝胶是一种易于成型、无毒副作用和具有良好的生物相容性的高弹性材料，但PVA人工软骨与自然骨基底的结合性能差，影响了软骨的固定和修复功能。
发明内容
本发明针对聚乙烯醇人工软骨与自然骨基底的结合性能差的问题，提供一种具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶及其制备方法。
本发明采用如下技术方案：
一种具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶，包括从上至下，刚度逐渐增强的浅表层、中间层和深层，其中，浅表层为聚乙烯醇层，中间层为聚乙烯醇/羟基磷灰石层，深层为聚乙烯醇/羟基磷灰石/羧甲基纤维素层，浅表层、中间层和深层的厚度比为18%:35%:47%。
浅表层的聚乙烯醇质量浓度为7.7-7.9%，中间层的聚乙烯醇的质量浓度为7.7-7.9%，羟基磷灰石的质量浓度为2.4-2.6%，深层的聚乙烯醇的质量浓度为7.7-7.9%，羟基磷灰石的质量浓度为2.4-2.6%，羧甲基纤维素的质量浓度为1.5-1.7%。
一种具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
第一步，浅表层的聚乙烯醇溶液的配制：按比例将聚乙烯醇粉末加入水中，在95℃下加热搅拌至溶解，调节pH至2-3，冰浴冷却后，加入交联剂搅拌均匀并超声至无气泡，得到PVA溶液，放入冰浴中待用；
第二步，中间层的聚乙烯醇/羟基磷灰石溶液的配制：按比例将聚乙烯醇粉末和羟基磷灰石粉末加入水中，在95℃下加热搅拌至溶解，调节pH至2-3，冰浴冷却后，加入交联剂搅拌均匀并超声至无气泡，得到PVA/HA溶液，放入冰浴中待用；
第三步，深层的聚乙烯醇/羟基磷灰石/羧甲基纤维素溶液的配制：按比例将聚乙烯醇粉末、羟基磷灰石粉末和羧甲基纤维素粉末加入水中，在95℃下加热搅拌至混合均匀，调节pH至2-3，冰浴冷却后，加入交联剂搅拌均匀并超声至无气泡，得到PVA/HA/CMC溶液，放入冰浴中待用；
第四步，具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶的制备：按厚度比在离心管中倒入PVA/HA/CMC溶液，转移至50℃水浴中聚合3~5min后，加入PVA/HA溶液聚合3~5min后，加入PVA溶液，继续反应30min后取出，即可得到具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶。
所述羟基磷灰石粉末的粒径小于100nm。
第一步至第三步中所述的交联剂均为有效含量为5%的戊二醛，交联剂和溶液的总体积比均为11:500。
本发明的有益效果如下：
羟基磷灰石（HA）是人体骨骼的主要成分，生物活性好，在植入材料和骨的连接处可诱导骨细胞进入软骨假体，提高人工软骨和自然骨的骨性结合；羧甲基纤维素（CMC）是表面活性胶体的高分子化合物，可以模拟自然骨中的胶原纤维，增加粘度。将PVA、HA和CMC复合并制成具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶可以充分发挥各自材料的优点和适应复杂的力学环境。
本发明的原料无毒无害、生物相容性好，根据关节软骨的解剖学结构，将羟基磷灰石（HA）、羧甲基纤维素（CMC）掺杂在聚乙烯醇（PVA）网络中，制备一种具有梯度刚度的仿生关节软骨替代材料，从浅表层到深层，随着深度的增加，水凝胶的梯度刚度逐渐增大，增强了单一结构水凝胶材料的力学性能，拓宽了复合材料的应用范畴。
附图说明
图1为本发明实施例制备的具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶样品；
图2为本发明实施例制备的具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶样品的压缩测试实验图；
图3为本发明实施例制备的具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶的应力-应变曲线图；
图4为本发明实施例制备的具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶的弹性模量柱状图；
图5为本发明实施例制备的具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶的压缩松弛的应力-时间曲线图。
具体实施方式
实施例
第一步，浅表层的聚乙烯醇溶液的配制：将1.56g聚乙烯醇粉末加入水中配制成溶液体积为20mL的溶液，在95℃下加热搅拌至溶解，调节pH至2-3，冰浴冷却后，加入0.44mL戊二醛搅拌均匀并超声至无气泡，得到PVA溶液，放入冰浴中待用；
第二步，中间层的聚乙烯醇/羟基磷灰石溶液的配制：将1.56g聚乙烯醇粉末和0.5g羟基磷灰石粉末加入水中配制成溶液体积为20mL的溶液，在95℃下加热搅拌至溶解，调节pH至2-3，冰浴冷却后，加入0.44mL戊二醛搅拌均匀并超声至无气泡，得到PVA/HA溶液，放入冰浴中待用；
第三步，深层的聚乙烯醇/羟基磷灰石/羧甲基纤维素溶液的配制：将1.56g聚乙烯醇粉末、0.5g羟基磷灰石粉末和0.32g羧甲基纤维素粉末加入水中配制成溶液体积为20mL的溶液，在95℃下加热搅拌至混合均匀，调节pH至2-3，冰浴冷却后，加入0.44mL戊二醛搅拌均匀并超声至无气泡，得到PVA/HA/CMC溶液，放入冰浴中待用；
第四步，具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶的制备：在离心管中倒入3mL的PVA/HA/CMC溶液，转移至50℃水浴中聚合3~5min后，加入0.25mL的PVA/HA溶液聚合3~5min后，加入3mL的PVA溶液，继续反应30min后取出，即可得到具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶。水浴应保证没过三层溶液。
从图3中可知，聚乙烯醇/羟基磷灰石（中间层）比聚乙烯醇（浅表层）的压缩刚度增强，聚乙烯醇/羟基磷灰石/羧甲基纤维素（深层）的压缩刚度最大，可见该复合水凝胶是一种具有梯度刚度的水凝胶。
从图4中可知，聚乙烯醇（浅表层）、聚乙烯醇/羟基磷灰石（中间层）、聚乙烯醇/羟基磷灰石/羧甲基纤维素（深层）随着深度的增加，水凝胶材料的弹性模量不断增大，复合水凝胶整体弹性模量大于浅表层和中间层的弹性模量，略小于深层的弹性模量。可见添加羟基磷灰石和羧甲基纤维素可以制备不同刚度的水凝胶，将三层复合起来，可以制备具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶，在组织工程中会有很大的应用前景。
从图5中可知，复合水凝胶材料具有松弛现象，而且随着深度的增加，松弛现象更加明显，即粘弹性更好。

Claims (2)

1.一种具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，浅表层的聚乙烯醇溶液的配制：按比例将聚乙烯醇粉末加入水中，在95℃下加热搅拌至溶解，调节pH至2-3，冰浴冷却后，加入交联剂搅拌均匀并超声至无气泡，得到PVA溶液，放入冰浴中待用；
第二步，中间层的聚乙烯醇/羟基磷灰石溶液的配制：按比例将聚乙烯醇粉末和羟基磷灰石粉末加入水中，在95℃下加热搅拌至溶解，调节pH至2-3，冰浴冷却后，加入交联剂搅拌均匀并超声至无气泡，得到PVA/HA溶液，放入冰浴中待用；
第三步，深层的聚乙烯醇/羟基磷灰石/羧甲基纤维素溶液的配制：按比例将聚乙烯醇粉末、羟基磷灰石粉末和羧甲基纤维素粉末加入水中，在95℃下加热搅拌至混合均匀，调节pH至2-3，冰浴冷却后，加入交联剂搅拌均匀并超声至无气泡，得到PVA/HA/CMC溶液，放入冰浴中待用；
第四步，具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶的制备：按厚度比在离心管中倒入PVA/HA/CMC溶液，转移至50℃水浴中聚合3～5min后，加入PVA/HA溶液聚合3～5min后，加入PVA溶液，继续反应30min后取出，即可得到具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶；
所述具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶包括从上至下，刚度逐渐增强的浅表层、中间层和深层，其中，浅表层为聚乙烯醇层，中间层为聚乙烯醇/羟基磷灰石层，深层为聚乙烯醇/羟基磷灰石/羧甲基纤维素层，浅表层、中间层和深层的厚度比为18％:35％:47％；
所述浅表层的聚乙烯醇质量浓度为7.7-7.9％，中间层的聚乙烯醇的质量浓度为7.7-7.9％，羟基磷灰石的质量浓度为2.4-2.6％，深层的聚乙烯醇的质量浓度为7.7-7.9％，羟基磷灰石的质量浓度为2.4-2.6％，羧甲基纤维素的质量浓度为1.5-1.7％。
2.根据权利要求1所述的一种具有梯度刚度的仿生关节软骨复合水凝胶的制备方法，其特征在于：所述羟基磷灰石粉末的粒径小于100nm。
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