CN109251352A - 一种结构可控的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种结构可控的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架制备方法，属于组织工程技术领域，解决多孔支架孔径大小可控以及促进骨组织再生的技术问题，制备的步骤如下：（1）将聚乙烯醇纯溶液在一定温度下溶解在去离子水中制得聚乙烯醇稀溶液；（2）将聚乙烯醇稀溶液降温后加入海藻酸钠粉末并充分搅拌，制得PVA/SA混合溶液；（3）将羟基磷灰石浆料分散到PVA/SA混合溶液中，得到PVA/SA/羟基磷灰石混合溶液；（4）浸入交联剂中静置一段时间进行化学交联后，再通过多次循环冷冻‑解冻法制备出PVA/SA/羟基磷灰石水凝胶，通过冷冻干燥得到结构可控的PVA/SA/羟基磷灰石多孔支架。本发明工艺稳定，成本低廉，在骨修复、松质骨及骨与软骨的修复等领域具有广泛的应用价值。

Description

一种结构可控的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架制 备方法
技术领域
本发明属于组织工程技术领域，特别涉及一种结构可控的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架制备方法，可用于松质骨、骨与软骨再生等方面。
背景技术
松质骨一直广泛应用于同种异体骨移植，治疗充填性骨质缺损，如牙槽嵴裂、颌骨囊肿及牙周骨缺损等。人体松质骨内部是由许多针状或片状的骨小梁相互交错形成的海绵状结构，骨小梁排列出的多孔结构是骨能承受较大重量的重要因素。多孔支架作为骨修复材料，应该具有良好的生物相容性、降解性、合适的孔径大小和孔隙率以及力学性能。其中内部结构会影响细胞及组织的生长，从而影响材料的生物相容性和力学性能等。因此利用交联的方法制备结构可控的聚乙烯醇（PVA）/海藻酸钠（SA）/羟基磷灰石多孔支架将为松质骨或骨与软骨之间的缺损修复提供基础科学信息。
关于骨组织修复多孔支架的研究已有进展，但如何控制多孔支架孔径大小以及促进骨组织再生仍然是研究的热点。对于骨组织支架，部分学者采用动物松质骨进行煅烧来获得类似人体松质骨骨矿的三维互通网孔微结构及其较好的机械强度，但此法取材不便，且对于孔隙结构的尺寸不可控。还有部分研究人员采取有机物、无机物及金属等的复合制备多孔支架，但此法原料多，试剂复杂且部分具有一定毒性，不利于细胞生长。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可在温和条件下，通过物理交联和化学交联的方法将PVA和SA交联，制备一种结构可控的PVA/SA/羟基磷灰石多孔支架。
本发明的设计构思如下：SA中G单元的-COO-和PVA中的羟基分别利用交联剂中的Ca2+和B(OH)4 —形成交联结构，再通过循环冷冻-解冻使其内部利用氢键和结晶区进行物理交联，最后形成孔隙结构。将羟基磷灰石均匀分散在其中，起到支撑作用及骨诱导作用。最后利用冷冻干燥法原位去除水分，即制备出PVA/SA/羟基磷灰石多孔支架。本发明发明利用交联作用将PVA、SA和羟基磷灰石制备成结构可控的PVA/SA/羟基磷灰石多孔支架，这种方法在国内外公开的文献中鲜有报道。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种结构可控的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架制备方法，制备的步骤如下：
S1、将聚乙烯醇纯溶液倒入去离子水中，然后将混合液加热至85~95℃并搅拌1.5~2h，使聚乙烯醇纯溶液完全溶解于去离子水中，制得浓度为5~10wt%的聚乙烯醇稀溶液；将聚乙烯醇稀溶液冷却至45~60℃后，向聚乙烯醇稀溶液中加入海藻酸钠粉末并搅拌1.5~2 h，得到PVA:SA质量比为(5~10):(5~0)的聚乙烯醇/海藻酸钠混合溶液；向聚乙烯醇/海藻酸钠混合溶液中加入羟基磷灰石浆料，将混合溶液加热至65~75℃并搅拌1.5~2 h，静置除泡，得到无机相羟基磷灰石的质量比为35~45%的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石混合溶液；
S2、将步骤S1制得的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石混合溶液倒入模具中，然后将模具浸入浓度为1~6wt%的交联剂中，静置20~24 h，使聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石混合溶液充分发生交联反应；
S3、将步骤S2中交联反应后制得的样品连同模具一起从交联剂中取出，然后将模具先放入-15 ~ -25℃的制冷装置中冷冻19~21h，再从制冷装置中取出置于室温中解冻3~5h，循环冷冻-解冻过程1~6次，得到聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石水凝胶；
S4、将水凝胶从模具中取出，用冷冻干燥机将步骤S3中制得的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石水凝胶冷冻干燥，制得聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架。
进一步地，所述步骤S1中聚乙烯醇纯溶液优选的溶解温度为90℃。
进一步地，所述步骤S1中聚乙烯醇稀溶液优选的溶解温度为50℃。
进一步地，所述步骤S2中的交联剂为CaCl2，或者为硼酸，或者为CaCl2饱和硼酸溶液中。
进一步地，所述步骤S4中冷冻干燥时间为24~48 h。
进一步地，所述的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架内部具有均匀的孔隙结构，且孔隙具有取向性，孔隙大小可控。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
本发明采用简单的原料，利用交联作用使得PVA和SA复合且形成均匀的孔隙结构，并在其中添加羟基磷灰石，使其具有均匀的类骨三维孔隙结构，最终获得结构可控、生物相容性好、孔隙率适中且具有一定力学性能的PVA/SA/羟基磷灰石多孔支架， 其内部孔隙结构可随着实验条件的改变而不同，实现内部结构可控，使这种多孔支架更具有实用价值，可以用于松质骨修复及骨与软骨修复等方面。
附图说明
图1 PVA/SA/羟基磷灰石多孔支架贯通形孔隙SEM图片；
图2 PVA/SA/羟基磷灰石多孔支架贯通形孔隙侧面SEM图片；
图3 PVA/SA/羟基磷灰石多孔支架圆形孔隙SEM图片；
图4 PVA/SA/羟基磷灰石多孔支架层叠形孔隙SEM图片；
图5 PVA/SA/羟基磷灰石多孔支架与细胞共培养图片；
图6 PVA/SA/羟基磷灰石多孔支架与细胞共培养的细胞粘附图片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
将8g PVA溶于100 mL去离子水中，90℃下搅拌2 h。再将2g SA加入PVA水溶液中，50℃下搅拌2h。将6.66g羟基磷灰石加入上述混合溶液中，70℃下搅拌2h。将混合溶液倒入模具中，浸泡在3wt% CaCl2溶液中进行化学交联，24h后取出。将样品置于~20℃冰箱冷冻21h，取出后在室温环境下解冻3h，如此循环3次。将循环冷冻-解冻3次的样品真空干燥48 h后取出，用SEM观察表面结构，可见其内部存在均匀的孔隙结构，多为贯通型孔隙，孔径大小5~10μm（如图1所示），侧面孔隙具有一定的取向性（如图2所示）。
实施例2
将7g PVA溶于100 mL去离子水中，90℃下搅拌2 h。再将3gSA加入PVA水溶液中，50℃下搅拌2h。将6.66g羟基磷灰石加入上述混合溶液中，70℃下搅拌2h。将混合溶液倒入模具中，浸泡在4wt%硼酸溶液中进行化学交联，24h后取出。将样品置于~20℃冰箱冷冻19 h，取出后在室温环境下解冻5h，如此循环3次。将循环冷冻-解冻3次的样品真空干燥48h后取出，用SEM观察表面结构，可见其内部存在均匀的孔隙结构，孔隙多呈圆形（如图3所示），孔径大小10~20μm。
实施例3
将6 g PVA溶于100 mL去离子水中，90℃下搅拌1.5 h。再将4 g SA加入PVA水溶液中，55℃下搅拌1.5 h。将8.18 g羟基磷灰石加入上述混合溶液中，70℃下搅拌2 h。将混合溶液倒入模具中，浸泡在3wt% CaCl2饱和硼酸溶液中进行化学交联，24 h后取出。将样品置于~20℃冰箱冷冻21 h，取出后在室温环境下解冻3 h，如此循环4次。将循环冷冻-解冻4次的样品真空干燥48 h后取出，用SEM观察表面结构，可见其内部存在均匀的孔隙结构，开始出现一些层叠状孔隙（如图4所示），孔径大小10~30 μm。
实施例4
将8 g PVA溶于100 mL去离子水中，90℃下搅拌2 h。再将2 g SA加入PVA水溶液中，50℃下搅拌2 h。将6.66 g羟基磷灰石加入上述混合溶液中，70℃下搅拌2 h。将混合溶液倒入模具中，浸泡在3wt% CaCl2饱和硼酸溶液中进行化学交联，24 h后取出。将样品置于~20℃冰箱冷冻21 h，取出后在室温环境下解冻3 h，如此循环3次。将循环冷冻-解冻3次的样品真空干燥48 h后取出。利用高温蒸汽灭菌锅将样品灭菌后与细胞共培养，6天后细胞生长增殖状态良好（如图5所示），9天后细胞在材料表面粘附状态良好（如图6所示）。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种结构可控的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架制备方法，其特征在于制备的步骤如下：
S1、将聚乙烯醇纯溶液倒入去离子水中，然后将混合液加热至85~95℃并搅拌1.5~2h，使聚乙烯醇纯溶液完全溶解于去离子水中，制得浓度为5~10wt%的聚乙烯醇稀溶液；将聚乙烯醇稀溶液冷却至45~60℃后，向聚乙烯醇稀溶液中加入海藻酸钠粉末并搅拌1.5~2 h，得到PVA:SA质量比为5~10:5~0的聚乙烯醇/海藻酸钠混合溶液；向聚乙烯醇/海藻酸钠混合溶液中加入羟基磷灰石浆料，将混合溶液加热至65~75℃并搅拌1.5~2 h，静置除泡，得到无机相羟基磷灰石的质量比为35~45%的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石混合溶液；
S2、将步骤S1制得的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石混合溶液倒入模具中，然后将模具浸入浓度为1~6wt%的交联剂中，静置20~24 h，使聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石混合溶液充分发生交联反应；
S3、将步骤S2中交联反应后制得的样品连同模具一起从交联剂中取出，然后将模具先放入-15 ~ -25℃的制冷装置中冷冻19~21h，再从制冷装置中取出置于室温中解冻3~5h，循环冷冻-解冻过程1~6次，得到聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石水凝胶；
S4、将水凝胶从模具中取出，用冷冻干燥机将步骤S3中制得的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石水凝胶冷冻干燥，制得聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架。
2.根据权利要求1所述的一种结构可控的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架制备方法，其特征在于：所述步骤S1中聚乙烯醇纯溶液优选的溶解温度为90℃。
3.根据权利要求1所述的一种结构可控的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架制备方法，其特征在于：所述步骤S1中聚乙烯醇稀溶液优选的溶解温度为50℃。
4.根据权利要求1所述的一种结构可控的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的交联剂为CaCl2，或者为硼酸，或者为CaCl2饱和硼酸溶液中。
5.根据权利要求1所述的一种结构可控的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架制备方法，其特征在于：所述步骤S4中冷冻干燥时间为24~48 h。
6.根据权利要求1所述的一种结构可控的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架制备方法，其特征在于：所述的聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石多孔支架内部具有均匀的孔隙结构，且孔隙具有取向性，孔隙大小可控。
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